Создание гидравлических машин
Введение
Я выбрал эту тему, потому что мне однажды попалась схема одного интересного автомата с птичкой, и мне очень захотелось его сделать. Меня заинтересовало, что в такие далекие времена человек догадался создать устройство, которое работало само, только за счет действия воды и воздуха.
Я начал свою работу с поиска информации. Ведь в той книге, где я увидел заинтересовавшую меня картинку, не было ни названия устройства, ни его автора. Поиски вывели меня на незнакомое мне имя – Герон. Я многое узнал об этом талантливом человеке.
Проектным продуктом будет гидравлическая машина Герона и фонтан Герона. Эти демонстрации можно в дальнейшем использовать на уроках физики. Я считаю, что имя Герона, как и имя великого Архимеда, должно войти в учебники физики.
Герон и его работы
Герон Александрийский - гениальный изобретатель, был автором различных приспособлений и автоматических механизмов. Кроме первого парового двигателя Герон сконструировал механические кукольные театры, пожарную машину, одометр, самонаполнявшуюся масляную лампу, новый вид шприца, топографический прибор, похожий на современный теодолит, водяной орган, орган, звучавший при работе ветряной мельницы, и др.
Историки предполагают, что учителем Герона был знаменитый Ктесибий, который, видимо, учился у самого Архимеда. Но Герон превзошел своих учителей – по крайней мере в механике. Ктесибий изобрел пожарный насос, водяные часы и даже водяной орган, или гидравлос. Архимед изучал свойства рычага и открыл свой знаменитый закон гидростатики. Но свойствами воздуха и пара никто до Герона не занимался. Свои труды в этой области он описал в специальной книге – «Пневматика».
К сожалению, во время пожара в Александрийской библиотеке, который произошел в 273 году н.э. погибла большая часть рукописей Герона. Есть предположение, что труды Герона были уничтожены христианами в 391 году н.э. До наших дней дошли лишь копии и рукописи, выполненные по памяти учениками и последователями учений Герона. Некоторые труды написаны на греческом языке, а некоторые на арабском. Также можно встретить рукописи учений Герона, которые переведены на латынь и их возраст датируется XVI столетием.
В дошедшей до нас книге «Об искусстве изготовлять автоматы» содержится описание того, как простейшими механизмами, с помощью груза и системы блоков, а также зубчатых колес и рычагов, можно получить автоматическое движение различных фигурок, которые могли бы разыгрывать перед зрителями целые пьесы.
Удивительно, но этот серьезный человек, великолепный ученый, математик и физик, или, как говорили в античные времена, механик, написавший не один научный трактат, изготовил и описал множество игрушек.
Например, эолипил, то есть ветряной шар. Игрушка поражала воображение современников. Для них шар, вращающийся от действия пара, был чудом, а для Герона – очередной возможностью подтвердить свои гениальные догадки в реальном механизме.
Пустой внутри шар укреплялся на оси. Шар имел две загнутые трубки, концы которых располагались противоположно друг другу. В него поступал пар из котла, который разогревался до кипения. Пар вырывался из трубок и вращал шар. Фактически Герон предложил паровую машину!
Широко известен также автомат открывания дверей храма. Над жертвенником около храма зажигался огонь, и двери храма открывались сами. В скрытом под жертвенником металлическом шаре огонь нагревал воздух, тот, расширяясь, проталкивал воду через сифон в огромную бадью, подвешенную на цепях системы весов и шкивов, которые поворачивали двери на их осях, когда бадья становилась тяжелее. Когда огонь на жертвеннике угасал, происходила еще одна удивительная вещь. В результате быстрого охлаждения воздуха в шаре вода засасывалась в сифон другим путем. Опустевшая бадья возвращалась вверх, приводя в обратное движение систему шкивов, и двери торжественно закрывались.
Все хорошо знают прекрасную сказку Ганса Христиана Андерсена «Соловей». И многим поющая механическая птичка из этой сказки кажется чистейшей выдумкой автора. Но это не так. Подобную игрушку (правда, не столь совершенную) придумал и сделал Герон Александрийский.
Птичка сидела на крышке герметического сосуда, в который вливалась вода. В это время птичка начинала петь. Когда сосуд заполнялся доверху, птичка умолкала, вода из сосуда автоматически выливалась через сифон, а затем все повторялось сначала.
Сифон
Просматривая все чертежи Герона, я отметил, что практически везде используется гнутая трубка – сифон. Это удивительный водяной затвор. Я сделал макет и испробовал его действие. Сифон позволяет выливать жидкость из сосуда без его опрокидывания. Если взять трубку такую, чтобы ее два колена были одинаковыми по длине и наполнить ее водой, держа открытыми концами вверх, то, после переворачивания трубки, вода из нее выливаться не будет. Это происходит потому, что столбы жидкости имеют одинаковую длину и вес. А вот если один конец сифонной трубки опустить в отверстие в дне сосуда, а другой короткий оставить внутри этого сосуда, и начать заполнять сосуд водой, то вода начнет в короткой трубке подниматься, как и вода в сосуде. Но как только уровень воды в сосуде станет чуть больше, сифон начинает сливать воду через длинную трубку. Это будет происходить до тех пор, пока в маленькую трубку не попадет воздух. Тогда сифон «закрывается». А если трубку расположить так, чтобы ее оба конца были в разных сосудах, но один сосуд расположить выше другого, то вода сама начнет перетекать из верхнего сосуда в нижний. Сифон «закроется», когда уровень воды в цилиндрах сравняются.
Еще я открыл для себя, что сифоны работают по сей день. Например, в раковине, сифон создает водяной затвор, и поэтому запах из канализации не проходит наружу. Кроме того, это устройство не дает возможности всяким предметам упасть в сток.
Создание гидравлических машин
Мне очень захотелось осуществить свой грандиозный замысел и создать необычную гидравлическую машину. Сначала казалось все просто.
Ход работы по изготовлению фонтана Герона
Я решил сделать фонтан и автомат «Поющая птичка» с двух сторон одного фанерного стенда.
Для создания фонтана я использовал 2 пятилитровые бутылки и корытце.
Разметив фанеру, я просверлил в намеченных местах отверстия и вставил в них кронштейны. Сосуды я соединял с помощью медных трубок. Места соединения бутылей и трубок я промазал герметиком. При создании фонтана я ориентировался на чертеж, найденный мной в одной из книжек. При испытании модели я сразу столкнулся с трудностями: полной герметизации не получалось. Поэтому я решил использовать резиновые прокладки в местах соединения.
Фонтан все-таки получился. При наполнении нижней колбы водой, вытесняемый воздух попадал в верхнюю бутыль. Он оказывал лишнее давление на воду во второй бутыли, из-за чего она начинала подниматься по соседней трубке и била фонтаном.
Ход работы по изготовлению «Поющей птички» Герона
1. Я начал с разметки фанеры, на которой крепятся все мои устройства.
2. Просверлил все дырки, в которые вставил опорные шпильки (отрезанные заранее). Потом я сделал фанерные ножки и приладил их ко всей конструкции, после чего поставил ее на колесики.
3. Далее я взял толстую медную трубку и прицепил ее к фанере в заранее намеченном месте так, чтобы она могла вращаться вокруг своей оси. На ней должна сидеть сова.
4. После всего проделанного, я расположил на фанере неподвижные блоки и закрепил их.
5. Надо было нарезать и запаять медные трубки. Я нарезал медные трубки для сифона, очистил медь от окиси, намазал места соединений флюсом (специальным химическим составом, позволяющим соединиться олову и меди), разогрел места соединений трубок и, запаяв их, получил сифоны. Но один сифон испытание не прошел, так как оказался не того размера и его пришлось переделывать.
6. Далее надо было проделать в банках отверстия для того что бы прикрепить к ним сифоны. Но тут снова встала проблема… Она заключалось в том, что когда я попытался прорезать в банке дырку, то тут же сломал ее. Тогда я решил отверстие прожечь. Все получилось, и отверстие идеально подошло под размер крепежа.
7. Теперь встал вопрос, как сделать так, чтобы птичка свистела? Этот вопрос я решил гораздо быстрее: мы прикрепили к крышке верхней банки воронку и медный уголок и, что самое главное, загерметизировали банку.
8. В процессе работы встала еще одна задача: как сделать так, чтобы столб с совой поворачивался тогда, когда надо? Решено было передвинуть столбодержатель, который был прикреплен почти у пола, выше. Это сработало – наш механизм стал работать так, как надо.
Принцип работы:
В верхний герметичный сосуд заливалась через воронку вода. Воздух при этом начинал выходить через птичку-свистульку, заставляя ее петь. Как только вода доходила до уровня сифона, он срабатывал и сливал воду в нижний сосуд. Тот под тяжестью воды натягивал веревку. За счет этого столб с совой поворачивался. Птичка переставала петь. Но потом срабатывал сифон во втором сосуде, вода сливалась, ведерко снова поднималось и все начиналось сначала. Сова отворачивалась, птичка пела.
Заключение
Не все было гладко в процессе создания машины. Например, первая птичка-свистулька выпала из рук и сломалась в самый неподходящий момент первых испытаний. А сову нужного размера и конструкции мы не нашли ни в одном магазине, поэтому ее для моей работы создала наша знакомая – художник.
Но в целом мне очень понравилась работа над проектом. Я узнал многое о Героне, сумел сделать сложное автоматическое устройство и фонтан. Презентация работы моего устройства прошла успешно и очень понравилась одноклассникам. Теперь в нашем кабинете физики есть автоматы Герона.