Фонтан Герона: принцип работы и возможности изготовления своими руками

Устройства, способные работать благодаря законам природы, без участия человека, встречаются не так часто. Думаю, среди них особенно известен фонтан Герона, изобретенный в Древней Греции, но до сих пор продолжающий удивлять изящностью задумки. В отличие от других приборов вы можете сделать фонтан Герона своими руками, из материалов, какие найдутся под рукой. Предлагаю разобраться, на каком принципе основана работа фонтана, и как собрать его в домашних условиях.

Что называют фонтаном Герона

Существует целый класс механизмов, интересных своей независимой работой, то есть, способных какое-то время работать самостоятельно. К ним относится и хитроумное устройство, которое почти две тысячи лет назад придумал математик и механик Герон.

Описания чудес, сконструированных Героном, сохранились в древних арабских рукописях, копиях с древнегреческих источников (среди них, например, открывающиеся автоматически двери храма). Фонтан удивлял всех, кто его видел, ведь он работал без какого-либо механизма (а в то время их было известно уже достаточно), исключительно на принципах гидравлики и пневматики.

Точно неизвестно, как выглядел фонтан, собранный Героном, но сегодня он существует в виде школьных демонстрационных моделей или забавных самоделок.

Конструкция и принцип работы

Классический фонтан Герона – это система из трех сосудов, соединенных по следующему принципу:

• Сосуды размещаются вертикальной колонной, один над другим. Такое расположение обеспечивает устойчивую работу и максимальную зрелищность. 
  
• Сосуды попарно сообщаются между собой трубками, а одна трубка проходит транзитом через среднюю емкость. Получается, что из крайних емкостей (верхней и нижней) выходит по две трубки, тогда как в центральной емкости трубок три. 
  
• Две нижних емкости плотно, герметично закрыты, верхний сосуд открытый, и напоминает чашу фонтана.
  

Конструкция несложная, а ее функционирование основывается на принципе сообщающихся сосудов. Чтобы запустить механизм, необходимо привести его в начальное состояние: заполнить среднюю емкость водой, при этом в нижней должен находиться воздух.. Наличие воды в нижней емкости необязательно, хотя небольшое ее количество может присутствовать. Работа фонтана выглядит следующим образом:

• Чтобы запустить прибор, немного воды наливают в чашу, она транзитом следует в нижний резервуар.
  

• Уровень воды в нижнем сосуде поднимается и давит на воздух, который вынужденно вытесняется в средний сосуд, где, в свою очередь, начинает давить на воду. 
  
• Из-за повышения давления вода из центрального сосуда вынуждена подниматься в чашу. 
  
• Воздух выталкивает воду под давлением, а наблюдатель видит струю фонтана.
  

Высота водяной струйки зависит от особенностей конструкции. Строго говоря, она совпадает с расстоянием между поверхностями воды в двух нижних емкостях. Но на деле высота струи будет всегда ниже. Ее уменьшение связано с тем, что в трубках возникает сопротивление движению жидкости, и ее скорость несколько замедляется.

Процесс перемещения жидкости и фонтанирования со временем меняется. Вода постепенно перетекает из средней (через чашу) в нижнюю емкость. Это приводит к тому, что становится меньше расстояние между уровнями, а, значит, и высота струи также неизбежно уменьшается. В конце концов, жидкость в среднем сосуде опускается настолько низко, что фонтан прекращает работать.

Если вы хотите продолжить любоваться действием законов физики, прибор нужно перезапустить. Для этого его переворачивают и ждут, пока жидкость перетечет в средний сосуд.

Материалы для изготовления

Чтобы собрать мини-фонтан и убедиться в его работоспособности, понадобится нехитрый набор инструментария и комплектующих, а именно:

• Для сообщающихся сосудов нужны три емкости, которые будет несложно герметически закрыть. На эту роль идеально подходят пластиковые бутылки с пробками (например, из-под газировки). Одну из них разрезают, чтобы получить чашу. 
  
• В качестве трубок, по которым будет перемещаться жидкость, подойдет гибкий шланг (например, аквариумный или от капельницы), но можно использовать стеклянные трубки подходящего диаметра или даже соломинки для коктейля. 
  
• Термопистолет или герметик. 
  
• Острый нож или ножницы. 
  
• Инструмент для проделывания отверстий в пробках. Это может быть дрель или паяльник, но можно поступить проще, и нагреть на огне гвоздь или отвертку.
  

Особенности конструкции и сборки

Интересным представляется не только само действие фонтана Герона, но и процесс его сборки. Он достаточно прост, чтобы заняться им вместе с ребенком, и пользы для подрастающего поколения будет больше, чем от простой демонстрации опыта.

В интернете можно обнаружить разные с виду модели прибора, но все они, по сути, состоят из одних составных частей: трех емкостей и соединяющих их трубок. Встречается информация о закрытом фонтане Герона, якобы обладающим особыми преимуществами, но в реальности такую конструкцию никто не торопится собирать. Фонтан, придуманный Героном – открытая система, как, собственно, и любой фонтан.

Его сбирают из пластиковых бутылок по следующей схеме:

• Изготавливают чашу: отрезают верхнюю часть с горлышком и пробкой (конус) от одной из бутылок. Высота конуса должна быть достаточной для сбора жидкости. 
  
• Просверливают в крышках отверстия под трубки. 
  
• Элементы конструкции соединяют по схеме, уделяя особое внимание герметичности соединений. Поэтому, после того, как сборка будет закончена, места входа трубок (в крышках) заливают герметиком или термоплавким клеем.
  

• Если конструкция получилась неустойчивой, стоит подумать об основании или стойке, к которой будет крепиться фонтан.
  

Фонтан будет рабочим при выполнении следующих условий:

• Бутылки должны иметь жесткие, нерастяжимые стенки. 
  
• Важно обеспечить полную герметизацию мест соединений. Если они будут пропускать часть воздуха, давление в системе будет недостаточным, и вы не увидите эффекта фонтана (в лучшем случае, слабенькую струйку). 
  
• Чем больше будет объем бутылок, тем дольше будет циркулировать вода в системе. 
  
• Чтобы получить наиболее эффектную, высокую струю, необходимо выполнить два условия. Во-первых, центральный сосуд должен располагаться сразу под чашей. Во-вторых, нижний сосуд должен отстоять от центрального как можно дальше (ниже). 
  
• Также на высоту струйки влияет разница уровней воды и длины трубок, которые располагаются строго определенным образом (например, в нижней бутылке трубка должна опускаться до самого дна).
  

Что можно усовершенствовать

Изобретение Герона не устает удивлять людей второе тысячелетие. Все это время продолжаются попытки усовершенствовать древнегреческий проект или добавить к нему что-то новое. Чаще всего изобретатели стараются увеличить высоты струи. Если вспомнить, что высота зависит от расстояния между верхним и нижним сосудом, то решение кажется простым и очевидным. Правда, тут есть принципиальное ограничение: бесконечно (и даже сколько-нибудь значительно) увеличивать это расстояние невозможно.

Высоту струи можно увеличить и другим способом. Для этого достаточно соединить больше бутылок: две на нижнем ярусе, и две на среднем. Их соединяют трубками последовательно, но чередуя полные и пустые емкости. В итоге две полные бутылки должны оказаться на среднем ярусе, а две пустые – на нижнем. Это позволит увеличить суммарное давление, которое, в свою очередь, вытолкнет воду с удвоенной силой.

Многих изобретателей привлекает усовершенствование перезарядки фонтана, но без ручного вмешательства такая система не работает. Единственное, что можно сделать, чтобы продлить срок действия фонтана – взять сосуды побольше, а расход воды (он зависит от толщины трубок) сделать минимальным.

Как долго работает

Зрители, в первый раз наблюдающие работу фонтана, думают, что он может работать бесконечно. Но, когда вода в центральной емкости заканчивается, фонтан останавливается. На этот процесс интересно посмотреть два-три раза, но вряд ли больше.

Использовать эту технологию, чтобы обустроить декоративный фонтанчик на дачном участке не имеет смысла. Вряд ли кто-то захочет бесконечно перемещать воду из емкости в емкость, особенно, если они имеют значительный объем.

Иногда ошибки конструкции приводят к быстрой остановке фонтана. Например, если две нижних емкости заполнятся водой, а трубка в верхнем сосуде не достает до уровня жидкости, то система приходит в равновесие. Если трубка, выходящая из чаши, толще остальных, то вода будет стекать слишком быстро, чаша опустеет, и давление в системе исчезнет.

Об изготовлении фонтана Герона в следующем видео:

Коротко о главном

Фонтан Герона – система, которая работает благодаря последовательному давлению и вытеснению воды и воздуха в сообщающихся сосудах. Такую конструкцию несложно собрать в домашних условиях из пластиковых бутылок, но использовать ее как полноценный фонтан не получится, из-за необходимости постоянной перезарядки.