Tato otázka není zdaleka tak nerozumná, jak se může zdát. Je vlastně voda jen tou bezbarvou tekutinou, která se nalije do sklenice? Oceán, který pokrývá téměř celou naši planetu, celou naši úžasnou Zemi, ve které před miliony let vznikl život, je voda. Mraky, mraky, mlhy, které přenášejí vlhkost ke všemu živému na zemském povrchu, jsou také voda. Nekonečné ledové pouště polárních oblastí, sněhové pokrývky pokrývající téměř polovinu planety – a to je voda. Krásná, neopakovatelná je nekonečná paleta barev západu slunce, jeho zlaté a karmínové odstíny; barvy oblohy při východu slunce jsou slavnostní a něžné. Tímto velkým umělcem přírody je voda. Kromě toho, objevili vědci všechna tajemství vody? Na tuto otázku může odpovědět pouze čas. Proč nás voda zajímá?
Chceme vědět, jestli voda může proudit nahoru?
Hypotéza: voda může proudit nahoru.
Účel studia: zjistit, zda voda může proudit nahoru.
Úkoly:
1. Studovat informace o vlastnostech vody pomocí populárně vědecké literatury;
2. Provádět fyzikální experimenty ke studiu vlastností vody;
3. Zjistit, kdy a za jakých podmínek voda stoupá;
4. Formulujte závěry.
Při přípravě práce byla studována různá literatura, studovány materiály z internetových stránek, aplikovány poznatky získané v hodinách okolního světa a na kroužku „Kaleidoskop věd“ a byla provedena řada experimentů.
TEORETICKÁ ČÁST
Působení gravitace
Pokud knihu pustíte z ruky, nevyhnutelně spadne na podlahu. „Na vině“ je gravitační síla, která přitahuje všechny objekty bez výjimky do středu Země. A když zvednete spadlou knihu, všimnete si, že se její vzhled vůbec nezměnil. Je pevný a pevné předměty si zachovávají svůj původní tvar. Pokud na ně ovšem nepoužijete nějakou speciální sílu.
A teď si představte, že nespadla kniha, ale sklenice vody. Voda vystříkne a rozprostře se v nepořádku. Ve skutečnosti kapalina nemá žádnou vlastní formu. Zaujímá pouze objem, tvar, do kterého se nalévá. Stejná gravitace ho nutí usilovat o nejnižší bod. Jedním slovem, kde je voda, tam je nejnižší místo. Proč se řeky vlévají do moře? Jen je hladina vody v mořích nižší. Jakákoli řeka se zdá být nakloněna k moři, do kterého se vlévá. Jasným důkazem toho, že voda je k Zemi přitahována a má tendenci zabírat nejnižší úroveň, jsou vodopády.
Komunikující plavidla
Voda v normálním stavu samozřejmě nebude moci stoupat do svahu, nicméně inženýrům se podařilo překročit horské průsmyky. Ukázalo se, že na to stačí. dejte vodu do potrubí. Přesně tak! Voda stékající ze svahu v potrubí vyvíjí tlak na množství vody v potrubí jdoucí do kopce. A ony, tyto tisíce tun vody, proudí vzhůru! Je pravda, že nemůžete skákat výše, než je vaše hlava: voda nevystoupí nad svou počáteční úroveň – výšku první hory, ze které teče. Člověk si ale vždycky najde příležitost udělat bod, odkud voda teče nejvýše, a pak se ho žádné průsmyky nebojí!
CO STAROVĚCI NEVĚDĚLI?
Obyvatelé moderního Říma stále využívají zbytky vodovodního systému, který vybudovali starověcí: římští otroci postavili vodárny solidním způsobem.
Totéž nelze říci o znalostech římských inženýrů, kteří na tyto práce dohlíželi; zjevně nebyli dostatečně obeznámeni se základy fyziky. Podívejte se na doprovodnou kresbu, reprodukovanou z obrazu v Německém muzeu v Mnichově. Vidíte, že římský vodovodní systém nebyl položen v zemi, ale nad ní, na vysokých kamenných sloupech. Proč se to udělalo? Nebylo by jednodušší položit trubky do země, jak se to dělá nyní? Samozřejmě je to jednodušší, ale římští inženýři té doby měli velmi vágní chápání zákonů komunikujících plavidel. Obávali se, že v nádržích propojených velmi dlouhým potrubím nebude voda usazena na stejné úrovni. Pokud jsou trubky položeny v zemi, sledující svahy půdy, pak by v některých oblastech měla voda téci nahoru – a tak se Římané báli, že voda nepoteče nahoru. Obvykle proto dávali vodovodním potrubím rovnoměrný spád podél celé jejich cesty (a to často vyžadovalo buď obtékání vody, nebo vztyčování vysokých obloukových podpěr). Jedna z římských dýmek, Aqua Marcia, je dlouhá 100 km, přičemž přímá vzdálenost mezi jejími konci je poloviční. Kvůli neznalosti elementárního fyzikálního zákona muselo být položeno padesát kilometrů zdiva!
CO JSME NEVĚDĚLI?
Při zkoumání problému s vodou jsme narazili na problém. Před námi byly dvě konvice na kávu stejné šířky: jedna vysoká a druhá nízká. Která je prostornější? Která z těchto konvic na kávu pojme více tekutiny?
Bez přemýšlení jsme usoudili, že vysoká konvice na kávu je prostornější než nízká. Když však začal do vysoké konvičky na kávu nalévat tekutinu, nalili ji jen po úroveň otvoru její výlevky – pak se voda začala vylévat ven. A protože výtokové otvory obou konvic jsou ve stejné výšce, ukázala se nízká konvice stejně prostorná jako vysoká s krátkou hubicí.
To je pochopitelné: v konvici na kávu a ve výtokové trubici, stejně jako ve všech komunikujících nádobách, by měla být kapalina na stejné úrovni, přestože kapalina ve výlevce váží mnohem méně než ve zbytku konvice na kávu. Pokud není hubice dostatečně vysoká, nikdy nenaplníte kávovou konvici až po okraj: voda vyteče. Obvykle je hubice umístěna ještě výše než okraje konvice na kávu, aby bylo možné nádobu mírně naklonit, aniž by došlo k vylití obsahu.
Kapilární jevy
Voda může za určitých okolností samovolně stoupat. Pokud vložíte dostatečně tenkou hadičku (např. brčko) do nádoby s vodou, hladina vody v hadici stoupne nad hladinu vody v nádobě. Rozdíl mezi hladinami vody v nádobě a v trubici bude tím větší, čím menší bude vnitřní průměr trubky. Schopnost vody vzlínat v trubici s poměrně úzkým kanálem je jedním z příkladů tzv. kapilárních jevů, díky nimž jsou rostliny schopny dodávat vodu z půdy do větví a listů. Tyto stejné jevy napomáhají cirkulaci krve v lidském těle, zejména v kapilárách – nejmenších krevních a lymfatických cévách. Navíc se to děje pořád a všude. Voda sama stoupá v půdě a smáčí celou tloušťku země od hladiny podzemní vody. Voda sama stoupá vzhůru kapilárními cévami stromu a pomáhá rostlině dodávat rozpuštěné živiny do velkých výšek – od kořenů hluboko ukrytých v zemi až po listy a plody. Voda samotná se pohybuje nahoru v pórech savého papíru, když musíme osušit skvrnu, nebo v tkanině ručníku, když si utíráme obličej.
Tlak atmosféry
Za starých časů – v 17. a 18. století – se šlechtici bavili následující poučnou hračkou: vyrobili si džbán, v jehož horní části byly velké vzorované výřezy. Takový džbán naplněný vínem se nabízel obyčejnému hostu, kterému se člověk mohl beztrestně smát. Jak z něj pít? Nemůžete to naklonit: víno vyteče z mnoha otvorů, ale ani kapka se nedostane do vašich úst. Stane se to jako v pohádce:
Zlato, pil pivo,
Ano, jen si namočil knír.
-Jak vypít obsah?
Musíte ucpat otvor B, vzít hubici do úst a nasávat tekutinu bez naklánění nádoby. Víno bude stoupat otvorem E podél kanálu uvnitř rukojeti, poté podél jeho pokračování C uvnitř horního okraje džbánu a dosáhne výlevky.
PRAKTICKÁ ČÁST
Abychom zjistili, jak může voda proudit nahoru, provedli jsme řadu experimentů.
Naše pozorování jsme zanesli do tabulky:
Experiment 1 – s fontánou
K pozorování slouží experimentální prototyp fontány (dvě komunikující nádoby spojené pryžovou trubicí). Voda se nalije do jedné z nádob (zásobníku). Další nádoba má díru, ze které „vytéká fontána“. Nádrž na vodu klesá a stoupá. Voda ve spojovacích nádobách je nastavena na stejnou úroveň. Pokud nádrž zvednete, voda sama stoupá nahoru (z fontány).
Pokus 2 – s květinou
Pro experiment je vybráno několik květin na stonku. Mangan draselný se rozpouští ve vodě. Voda je zbarvena tak, aby bylo možné pozorovat kapalinu, jak stoupá podél stonku. Květiny se shazují do barevné vody. Po nějaké době je patrné, že samotná zabarvená voda stoupá po stonku. K tomu jí pomáhá atmosférický tlak. V tomto případě jsou pozorovány kapilární jevy. Obarvená voda po delší době proniká i do květů.
Pokus 3 – se zkumavkou
K pokusu používáme: chemickou zkumavku, nádobu s horkou vodou, nádobu se studenou obarvenou vodou.
Zkumavka se ponoří do horké vody tak, aby otevřený konec byl nahoře. Vzduch ve zkumavce se nějakou dobu ohřeje. Otevřený konec tuby se pak zakryje plastelínou nebo palcem. Zkumavka se velmi rychle převrátí a spustí do nádoby se studenou vodou. Studená voda začne sama stoupat. Vodě k tomu pomáhá atmosférický tlak.
V horké vodě se vzduch ve zkumavce ohřívá, expanduje a částečně opouští zkumavku. Ve studené vodě se vzduch stlačuje. Atmosférický tlak tlačí vodu do zkumavky.
Pokus 4 – s injekční stříkačkou
K pokusu se používá: demonstrační nebo lékařská stříkačka a nádoba s obarvenou vodou.
Na začátku experimentu se píst stříkačky přesune až k otvoru stříkačky. Poté se otvor stříkačky spustí do obarvené vody. Píst je vytažen nahoru. Samotná voda začíná stoupat za pístem.
V této vodě pomáhá atmosférický tlak, který tlačí vodu do řídkého prostoru.
Pokus 5 – s komunikujícími nádobami
K provedení experimentu se používají: elektrický sporák, přijímač tepla, manometr, gumová trubice a tónovaná kapalina.
Tónovaná voda se nalévá do spojovacích nádobek tlakoměru. Voda je v obou nádobách nastavena na stejnou úroveň. Jedna z komunikujících nádob je připojena k chladiči pomocí pryžové trubky. Vyhřívaný elektrický sporák je umístěn naproti chladiči. Voda v jedné z trubek začne sama stoupat.
Tepelné paprsky se dostávají k chladiči z vyhřívané dlaždice. Vzduch v chladiči se ohřívá, expanduje a tlačí na vzduch nad kapalinou v nádobě, která je s chladičem spojena pryžovou hadičkou. V této trubici začne voda klesat a ve druhé trubce začne voda stoupat.
Pokus 6 – s teploměrem
Při provádění experimentu se nejprve musíte podívat na stupnici teploměru a určit teplotu vzduchu. Držte zásobník teploměru nějakou dobu v dlani nebo jej ponořte do horké vody. Samotná kapalina stoupá sloupcem. Umístěte zásobník teploměru do ledu. Kapalina jde dolů sama.
Při zahřívání kapalina expanduje a stoupá podél sloupce. Při ochlazení se objem kapaliny zmenšuje a kapalina klesá dolů.
ZÁVĚR
Jsou vědcům jasné všechny vlastnosti vody?
Samozřejmě že ne! Voda je tajemná látka.
Nedávno byl objeven nový neobvyklý jev. Ukázalo se, že voda na Zemi mění svou povahu v závislosti na tom, co se děje na Slunci a ve vesmíru. Bylo zjištěno, že kosmické příčiny ovlivňují povahu určitých chemických procesů ve vodě, například rychlost srážek. Proč není známo.
Mnoho pozorování a faktů naznačuje, že voda z tání má zvláštní vlastnosti – je příznivější pro vývoj živých organismů. Proč také není známo.
Ale sami jsme si uvědomili, že:
– voda se může pohybovat nahoru;
– voda může v důsledku atmosférického tlaku stoupat např. v propojených nádobách nebo kapilárách.
Není pochyb o tom, že všechny záhady úspěšně rozluští věda. Objeví se mnoho dalších nových, úžasnějších záhadných vlastností vody – nejneobyčejnější látky na světě.
Literatura
1. Vše o všem. Populární encyklopedie pro děti. – M.: Slovo, 1994.
2. Perelman Ya. I. Zábavná fyzika. Kniha 2. – M.: Nauka, 1979.
Internetové zdroje
Práce dokončili:
1. Kamjanov Ivan, 2. tř
2. Mitina Maria, 2. tř
Vedoucí:
1. Belyaevskaya T.Ya., učitelka základní školy
2. Dubas S.P., učitel fyziky
Bez vody člověk nemůže žít nikde – ani ve vesnickém domě, ani v mrakodrapu. Vyhloubit studnu minus deset metrů do země je však mnohem jednodušší než poskytnout vodu výškové budově. „Velká voda“ je skličující úkol. Mytí rukou a vaření kávy v 50. patře není z technického hlediska snadný úkol.
Otevřeme kohoutek a voda teče. Zdálo by se, že vše je jednoduché. Jak však „nahnat“ vodu do 50. patra? Jak je uspořádána instalace v mrakodrapech?
Zásobování vodou supervysokými budovami představuje jedinečnou technickou výzvu. Nemůžete jednat tradičním způsobem a jednoduše pumpovat vodu do potrubí. K zajištění dostatečného tlaku v kohoutku v nejvyšších patrech bude potřeba enormní tlak. Riziko prasknutí i těch nejlepších trubek je příliš velké.
Moderní mrakodrapy proto využívají hybridní systém, který kombinuje principy konvenčního instalatérství a staré dobré vodárenské věže. Voda stoupá až na samotný vrchol řadou mezilehlých nádrží, z nichž první se například v nejvyšší budově planety Burdž Chalífa nachází ve 40. patře. Odtud další čerpadlo čerpá vodu ještě výše – do další mezinádrže menšího objemu. Poté voda stoupá do další podobné nádrže na vyšší úrovni, ale z nejvyšší nádoby se voda ve skutečnosti dostává do vodovodního systému. Není potřeba ho tam pumpovat – gravitační síla odvádí vynikající práci při vytváření tlaku.
Zásobování vodou v mrakodrapu Lakhta Center ve výstavbě v Petrohradě je vyřešeno podobně: bude pět „zastávek“ u vody, aby se dostali až na samotný vrchol – 462 metrů. Vodovodem petrohradské výškové budovy proteče každý den více než 2 miliony litrů studené a teplé vody – to je 1800 litrů za minutu.
Ale v John Hancock Center, stopatrovém mrakodrapu v Chicagu, pumpují čerpadla ještě více vody – více než 2000 litrů za minutu. Systém zásobování vodou je tam jiný, založený na výkonných čerpadlech. Dvě čerpadla čerpají vodu do jediné nádrže na podlažích 50–52. Vodu ke spotřebitelům distribuuje sedm čerpadel. Objem nádrže je 114 metrů krychlových. Tato verze vodovodního systému není bezchybná: hluk, přetlak, koroze. Nákladná modernizace již musela být provedena.
Jaké potrubí je potřeba pro vysoký přívod vody? Na celém světě je za nejlepší materiál považována vysokopevnostní tvárná litina. Jedná se o nejspolehlivější a nejodolnější trubky, se 100letou zárukou bezporuchového provozu. Jsou flexibilní, snadno se navrhují, instalují a sestavují. V Tokiu je z těchto trubek vyrobeno 97 % vodovodních a kanalizačních sítí. V New Yorku, kde je 5,5 tisíce výškových budov, je to 85 %. V Hong Kongu – 90 %.
V moderním mrakodrapu jsou všechny inženýrské systémy automatizované. Nejnovější ultrazvukové technologie se například používají v západním mrakodrapu obchodního komplexu Federace v Moskvě. Jakýkoli únik kdekoli je okamžitě identifikován. Ventil se automaticky uzavře regulátorem a přeruší se přívod vody do nouzového prostoru.
Ve stavebnictví je mnoho technologií, které se vyvinuly díky mrakodrapům. Například výtahy, sprinklerová hasicí zařízení, keramika pro opláštění budov, kazetové základy, mikroklimatické systémy. To vše se již stalo široce používaným v každodenním životě. Doufejme, že spolehlivé, výkonné, nehlučné a ekologické vodovodní systémy se jednou objeví i v našich běžných domácnostech.
Hlasovalo 22 lidí
| 20 |
| 2 |
Komentáře (17):
Přihlášení přes sociální sítě:
Hodnocení článku: 4
Valery Satokin, který zůstává zdrženlivý, by přijal vaši omluvu, kdybychom diskutovali o článku „Jak je uspořádán systém zásobování vodou v běžném bytovém domě *“, například podle níže uvedeného schématu, kde je samostatná vodárenská věž propojená potrubím okolním spotřebitelům, dodává jim vodu s využitím vlastností komunikujících nádob. Není to ono? Toto schéma se nazývá schéma zásobování vodou se spodním plněním.
Poznámka: *MKD – bytový dům.
Pascalův zákon zde pouze říká, že tlak vody, jak ve vodárenské věži, tak v potrubí MKD, ve stejné výšce od země (hladiny oceánu) bude ve všech směrech stejný, proto voda určitě poteče z otevřeného kohoutku, bez ohledu na to, kterým směrem je otvor hubice nasměrován.
Z Pascalova zákona také vyplývá, že voda v takovém vodovodu může stoupat pouze do výšky nepřesahující výšku horní hladiny ve věži. Ale jakou rychlostí (průtokem) bude voda vytékat z výtokového otvoru, závisí na gravitaci sloupce kapaliny vytvářející tlak (tlak) v místě výtoku – viz následující obrázek, který jasně ukazuje, že čím vyšší je sloupec kapaliny v místě výtoku. tím vyšší je tlak a průtok kapaliny.
Vraťme se k článku „Jak je uspořádána instalace v mrakodrapu?
V mrakodrapech lze výše popsané schéma zásobování vodou použít pouze pro spodní patra, pokud jsou napájeny z městského vodovodu, jako v běžných bytových domech. Reálně je to možné ve výšce do 60 m, tzn. patra na 15 – 20. V článku se správně píše, že „voda stoupá až nahoru přes řadu mezizásobníků“ – zásobních nádrží. Je technologicky vyspělejší a ekonomičtější dodávat vodu do horních pater pomocí schématu horního plnění – potrubí je napojeno na spodní část další akumulační nádrže, která distribuuje vodu spotřebitelům ve spodních patrech. Nejsou zde žádné komunikující nádoby jako takové, ale jsou zde potrubí s vodou, ve kterých se se zvyšujícím se h zvyšuje tlak. Tlak vznikající v potrubí je úměrný hmotnosti sloupce kapaliny – tzn. gravitační síla.
Rychlost proudění vody v místě odtoku experimentálně stanovil již v roce 1643 italský fyzik Torricelli a je určena vzorcem: v (h) = k*√2gh,
kde g je gravitační zrychlení (gravitační konstanta na Zemi), k je průtokový součinitel závislý na viskozitě kapaliny a tvaru otvoru (např. pro vodu v případě kulatého otvoru k = 0.62; např. petrolej k = 0.6), h je výška sloupce kapaliny nad otvorem výlevky, √ je druhá odmocnina.
Pokud jde o systém zásobování vodou mrakodrapu, má autor pravdu: „gravitační síla dělá vynikající práci při vytváření tlaku“.
