Фонтан Цапли

Выполненный пример действующего фонтана Цапли

Фонтан Герона — это гидравлическая машина, изобретенная изобретателем, математиком и физиком I века нашей эры Героем Александрийским . ^{[ 1 ]}

Герон изучил давление воздуха и пара, описал первый паровой двигатель и сконструировал игрушки, извергающие воду, одна из них известна как фонтан Герона. Различные варианты фонтана Герона сегодня используются на уроках физики как демонстрация принципов гидравлики и пневматики .

Строительство

В следующем описании вызовите 3 контейнера:

(A) Верх: раковина
(B) Средний: водоснабжение
(C) Внизу: подача воздуха

И три трубы:

P1 (слева на рисунке) от отверстия в дне бассейна (А) до дна контейнера подачи воздуха (С)
P2 (справа на рисунке) от верха емкости подачи воздуха (С) до верха емкости подачи воды (В)
P3 (в середине рисунка) от дна емкости для подачи воды (В) вверх через дно тазика (А) на высоту над краем тазика. Через эту трубу фонтан бьет вверх. Максимальная высота трубы P3 зависит от высоты между B и C (см. ниже).

Контейнер А можно закрыть и герметично закрыть, но это не обязательно. Однако B и C должны быть герметичными и устойчивыми к атмосферному давлению. Пластиковых бутылок вполне достаточно, но стеклянные контейнеры подойдут лучше. Воздушные шары не работают, потому что они не могут удерживать давление, не деформируясь. Фонтан работает следующим образом:

Энергия для движения воды в конечном итоге исходит от воды в точке А, спускающейся в точку С.
Это означает, что вода из B может подняться в A ровно настолько, насколько она опускается из A в C.
Вода, падающая из точки A вниз в точку C через трубу P1, создает давление в нижнем контейнере; это давление пропорционально разнице высот между A и C.
Давление передается воздухом через трубу P2 в водопровод B и выталкивает воду вверх в трубу P3.
Вода, движущаяся вверх по трубе P3, заменяет воду, падающую из A в C, замыкая контур.

Эти принципы объясняют конструкцию:

Воздух в C не должен выходить через трубу P1, поэтому P1 должен идти вниз, чтобы вода запечатала его.
Воздух в B также не должен выходить через трубу P3, поэтому P3 должен идти вниз, чтобы вода запечатала его.
Необходимо предотвратить попадание воды напрямую через трубу P2 от B к C, поэтому P2 должен соединить верхнюю часть B с C.
Если бы P2 был подключен к C внизу, вода запечатала бы его, и давление воздуха не повышалось бы в B. Таким образом, P2 должен быть подключен вверху C.

Движение

Фонтан Герона – не вечный двигатель. ^{[ 2 ]} Если сопло излива узкое, оно может играть несколько минут, но со временем останавливается. Вода, выходящая из трубки, может подняться выше уровня в любом контейнере, но чистый поток воды направлен вниз. Если же объемы воздухозаборной и питающей емкостей фонтана запроектировать значительно больше объема бассейна, при этом расход воды из сопла излива поддерживать постоянным, то фонтан может работать длительное время. больший интервал времени.

Его действие может показаться менее парадоксальным, если рассматривать его как сифон , но с удаленной верхней аркой трубки и давлением воздуха между двумя нижними контейнерами, обеспечивающим положительное давление, поднимающее воду над аркой. Устройство также известно как сифон Герона.

Потенциальная гравитационная энергия воды, которая падает из бассейна в нижний контейнер, передается с помощью пневматической напорной трубки (на этом этапе вверх перемещается только воздух ), чтобы вытолкнуть воду из верхнего контейнера немного выше бассейна.

Фонтан может бить (почти) на такой же высоте над верхним контейнером, на которой вода падает из бассейна в нижний контейнер. Для максимального эффекта поместите верхний контейнер как можно ближе под раковину, а нижний — как можно дальше под оба.

Как только уровень воды в верхнем контейнере опускается настолько низко, что водонесущая трубка уже не касается поверхности воды, фонтан останавливается. Чтобы фонтан снова заиграл, из контейнера подачи воздуха опорожняют воду, а контейнер подачи фонтана и чашу снова наполняют. Подъем воды обеспечивает необходимую энергию .

Повторяющееся движение и варианты

Как упоминалось ранее, фонтан перестает работать, когда вода из B упадет в C. Однако есть способы заставить его снова работать, например:

спроектируйте трубопровод так, чтобы, когда C заполнен, а B пуст, их положение можно было поменять.
добавьте клапаны для опорожнения C и пополнения B (фактически передавая воду из C в B).
вместо использования клапанов перекачивайте воду из C в B путем кипения и конденсации.
сделайте фонтан ABCD из 4 контейнеров, который можно перевернуть, чтобы переключиться на полный и пустой контейнер.

Существуют также фонтаны с двумя жидкостями разного цвета и плотности, например, фонтан Халит. ^{[ 3 ]}

В популярной культуре

Пример фонтана Херона, построенный Ларри Флейнхардтом , был показан в 8-м эпизоде (под названием «Табу») 4-го сезона телешоу Numb3rs .

Фонтан Херона был показан в первом эпизоде шоу « Как работала Британия», которое вел Гай Мартин .

См. также

Примечания

^ «Фонтан Цапли | Демонстрационный зал физики UCSC» . ucscphysicalsdemo.sites.ucsc.edu . Проверено 14 июля 2023 г.
^ «Фонтан Героя» . физика.kenyon.edu . Архивировано из оригинала 21 января 2020 г. Проверено 26 ноября 2008 г.
^ «галитовый фонтан» . подлинные идеи.com .

Ссылки

Браун, Генри Т.; «507 Механические движения, механизмы и устройства», с. 111; 19-е издание 1901 года.
Хискокс, Гарднер Д.; «1800 Механические механизмы, устройства и приспособления», стр. 162; 16-е издание опубликовано в 1926 году под названием «Механические движения, мощность и устройства».

Внешние ссылки

R. Ya. Kezerashvili, A. Sapozhnikov. "Magic Fountain" , at arxiv.org
Аяз, видео о работе фонтана и один из способов его изготовления. Сделайте фонтан цапли Non Stop из пластиковой бутылки.

[1] «Фонтан Цапли | Демонстрационный зал физики UCSC» . ucscphysicalsdemo.sites.ucsc.edu . Проверено 14 июля 2023 г.

[2] «Фонтан Героя» . физика.kenyon.edu . Архивировано из оригинала 21 января 2020 г. Проверено 26 ноября 2008 г.

[3] «галитовый фонтан» . подлинные идеи.com .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]