Лаборатория открытий. Учебный проект "Автопоилка"

Представьте, что вы уезжаете на выходные, а ваши домашние питомцы остаются одни. На помощь может прийти автопоилка — умное устройство, которое само подаёт воду, когда животное хочет пить.

Наш проект — не просто эксперимент на уроке. Мы учимся применять законы физики в реальной жизни. 

Решив создать автопоилку, мы сразу столкнулись с главным вопросом: как заставить воду поступать автоматически, без насосов и электричества? Оказалось, ответ знает сама природа — нужно просто "договориться" с воздухом!

Казалось бы, воздух — это просто пустота вокруг нас. Но на самом деле он обладает удивительными свойствами, которые мы научились замечать и даже измерять!

Воздух — это не "ничто"! Его можно:

• Почувствовать — когда дует ветер.
• Увидеть — по колеблющимся листьям или пузырькам в воде.
• Услышать — в свисте ветра или шуме шторма.
• Даже взвесить — хотя для этого понадобятся точные весы.

Но самое интересное — воздух имеет вес и давит на нас со страшной силой! Это называется атмосферным давлением. На каждого из нас ежесекундно давит столб воздуха весом... целых 10 тонн! Почему же мы не чувствуем этой тяжести? Потому что наше тело уравновешивает это давление изнутри.

Познакомились с легендарным экспериментом

В 1654 году Отто фон Герике продемонстрировал силу атмосферного давления с помощью Магдебургских полушарий. Два медных полушария сложили вместе, откачали воздух внутри... и даже 16 лошадей не смогли их разъединить! Так мир узнал, насколько мощной может быть "невидимая" сила воздуха.

Когда мы разобрались с принципами атмосферного давления, пришло время наглядно продемонстрировать его силу. 

Аккуратно опускаем в подкрашенную для наглядности воду перевёрнутый стакан

Ощущаем существенное сопротивление. Стаканчик так и норовил выскочить из рук и перевернуться

Заметили, что выталкивающей силой является воздух внутри стаканчика. Внутрь его не попала вода

Усложняем задачу: на дно стаканчика помещаем смятое в ком бумажное полотенце

Аккуратно переворачиваем. Комочек падает на дно и не намокает, не окрашивается в синий цвет! Очередное подтверждение, что атмосферное давление не позволяет попасть воде внутрь ёмкости

Провели ещё один опыт 

Уравновешиваем на краю парты линейку таким образом, чтобы при малейшем касании свисающего края она опрокидывалась. 

Кладём 2-х рублёвую монету на край линейки

Результат предсказуем... 

Сколько бы попыток мы не предпринимали, линейка с монетой стремились под силой тяжести на пол 

А что произойдёт, если в противовес одной силе добавить другую?
Линейка в равновесии, поверх неё помещаем лист бумаги А4

Помещаем ту же монетку на край линейки

Как?! Как лёгкий листик бумаги смог удержать монету на линейке в равновесии?

Пробовали размещать лист и горизонтально, и вертикально. Мистика!

Проверили с газетой. Она способна удержать несколько монет, положенных одновременно

На  лист бумаги или газету  сверху  оказывает  давление  воздух.  Каждый  квадратный сантиметр газетного листа он придавливает с силою килограмма. Если развернутый лист газеты имеет приблизительно 58 см в длину и 40 см в ширину, или площадь 2320 кв. см., значит воздух давит на нее с силой более две тысяч килограммов, или двух тонн. При медленном нажатии на конец линейки воздух проникает под газету и уравновешивает давление сверху и снизу. При резком ударе воздух, вследствие  инерции,  не  успевает  мгновенно  проникнуть  под  газету. Давление  воздуха  на  газету  сверху  оказывается  больше,  чем  внизу. Иными словами, надо поднять линейкой груз более двух тонн. 

Говоря проще, все  вещества  состоят  из  молекул  (маленьких  человечков).  В  воздухе тоже есть воздушные человечки. Эти человечки давят на газету сверху, и удерживают вместе с ней линейку с монетами.

После увлекательных опытов с газетой и "водолазным колоколом" мы собрали все наблюдения в единую картину:

• воздух действительно давит на все предметы с огромной силой (как показал опыт с линейкой и монетами);
• это давление можно использовать для удержания воды (как в перевёрнутом стакане);
• если найти способ регулировать поступление воздуха — получится автоматическая подача воды!

Так родилась идея автопоилки

Начинаем действовать по идеям ребят. Берём пустую пластиковую бутылку и делаем чуть выше её дна несколько небольших отверстий, через которые, предположительно, будет просачиваться вода.

Ставим в ёмкость, наливаем воду

Но что-то пошло не так...

Вся вода просачивалась в ёмкость. Результат нас разочаровал.

Очень скоро пришли к выводу, что нужно попробовать закрыть бутылку крышкой. 
И, о чудо! Сработало! 

Вода в ёмкости перестала прибывать выше уровня отверстий в бутылке.

Нужно проверить в действии: будет ли она прибывать, если животное попьёт?

РАБОТАЕТ!!!
По мере убывания воды в ёмкости, в бутылку подкачивается воздух (наблюдали крупные пузыри) и выдавливает необходимое количество жидкости.

Для большей наглядности подкрашиваем воду. Самое сложное быстро перевернуть бутылку во избежание пролития жидкости

Вода выливается ровно до того момента, пока уровень в миске не перекрывает отверстия. Воздух больше не может попадать в бутылку, и наполнение жидкости останавливается. Когда животное пьёт, уровень падает — отверстие открывается — поступает воздух — выливается новая порция воды.

Испытали ещё один вариант: бутылку переворачиваем горлышком вниз, приподнимаем немного над дном (уровень воды в поилке). У нас практически не осталось времени на фиксацию, поэтому проверяем в полусобранном варианте. И эта поилка работает!!! 

Пример фиксации на фотографии ниже (поилка для птиц)

Наши эксперименты с воздухом и водой помогли создать не просто автопоилку, а настоящее "умное" устройство, которое работает автоматически, без электричества и без участия человека. 

Знаете, где ещё встречается этот принцип?

Пример из жизни: представьте обычную капельницу в больнице. Там тоже используется атмосферное давление — жидкость поступает ровно с нужной скоростью, потому что воздух через специальное отверстие "подталкивает" лекарство. Точно как в нашей автопоилке!

Благодаря факультативу "Лаборатория открытий" мы смотрим на обычные вещи иначе: в каждой капле воды, в каждом глотке воздуха скрыты удивительные возможности. Кто знает, может, именно кто-то из нашего класса изобретёт новое полезное устройство, вдохновившись этими опытами? Наука — это не только учебники, а инструмент для создания будущего!

P.S. Хотите повторить наш эксперимент? Всё, что нужно — пластиковая бутылка, подходящая ёмкость и любопытный взгляд на мир! 😉