Исследование зависимости расхода воды от характера течения воды из крана
творческая работа учащихся по физике (9 класс) на тему

РОССИЙСКАЯ НАУЧНО-СОЦИАЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ МОЛОДЕЖИ И

ШКОЛЬНИКОВ «ШАГ В БУДУЩЕЕ»

XX научная конференция молодых  исследователей  Сургутского района

Исследование зависимости расхода воды

от характера течения воды из крана

                                             Автор:

                                                                         Бахтина Анна Ивановна

                                                                                      МБОУ «Солнечная СОШ № 1»,

                                                9  класс,                                                                                                                                                            

                                                                                    Сургутский район, с.п. Солнечный

                                                                    Научный руководитель:

                                                                                  Дмитрук Майя Вячеславовна,

                                                            учитель  физики,

                                                                                     МБОУ «Солнечная СОШ № 1»

Сургутский район

2016 год

Содержание

1.Введение………………………………………………………………………………3

2.Основная часть…………………………………………………………………….....4

1) Использование водных ресурсов…..…………………………………………........4

2) Как движется вода по трубам?...............……………………………..………………………………….....4

3) Где можно сэкономить в быту? ……………………………………………………6

4) Описание работы водяного счетчика………………………………………………6

6) Практическая часть…………………………………………………………………..7

3.Заключение…………………………………………………………………………....10

4.Список использованной литературы и источников………………………………...10

5.Приложение………………………………………………………………………..11-16

Введение.

 «Вода! Ты - сама жизнь.

Ты - самое большое богатство на Земле!»

А. де Сент-Экзюпери

  Мы живем в большой стране с населением 146 519 759 человек. С каждым годом возрастает потребление людьми воды, и через несколько лет могут возникнуть проблемы с тем, что не будет достаточного количества чистой воды.  Водные ресурсы – национальное богатство нашей страны, которое требует бережного отношения, строгого учета, охраны от загрязнения и экономного использования.  Многие люди уверены в том, что раз уж воды на нашей планете гораздо больше, чем суши, то ее не нужно экономить. Из-за бурной деятельности человека, каждый год запасы пресной воды уменьшаются. Если  сегодня начать экономить воду, то уже в ближайшее время качество ее повысится, а наше здоровье от этого улучшится. Экономия воды напрямую зависит от того, как мы пользуемся водой, как открываем кран, включаем  на всю или делаем небольшую струйку, выключаем  кран  при чистке зубов или умывании. В этом и заключается актуальность нашей работы.

Гипотеза: Расход воды зависит от характера течения воды из крана.

Цель работы: выяснение  зависимости расхода воды от характера течения воды из крана.

Поставленная цель наметила следующие задачи:

1.Теоретическое изучение мировых запасов воды; количества воды, необходимое человеку для жизни; экономия воды в быту.

2.Изучить работу счетчика  воды, и с его помощью  измерить объем воды.

 3.Экспериментальное исследование, подтверждающие закономерность зависимости расхода воды от характера течения воды из крана.

4.Обобщение полученных результатов исследования и выявление общих закономерностей.

Предмет исследования: изучение влияния характера течения  воды на расход воды. Объект исследования: струя воды, водяной счетчик. Методы исследования: поиск информации, прямых и косвенных измерений, сравнений, обобщение и систематизация материала, построение таблиц,  диаграмм. Был проведен теоретический анализ вопроса. По данной теме изучили научную, научно-методическую литературу и электронные ресурсы (список литературы).  Изучили устройство, принцип работы счетчика горячей и холодной воды. В исследовании зависимости расхода воды от характера течения воды из крана использовали изученный теоретический материал,  затем по результатам исследования построили таблицы, диаграммы.

Основная часть.

Использование водных ресурсов.

  Мировой океан уже много лет подвергается всё возрастающему загрязнению, поэтому  особое внимание нужно уделять проблеме исчерпания пресной воды. Несмотря на то, что мировые запасы воды огромны, они составляют почти 1,5 миллиарда квадратных километров.  Около 97% этого объема приходится на соленую морскую воду,  2% - на замерзшую воду ледников и полярного льда.  Пресная вода рек, озер, прудов, родников и подземных вод составляет менее 1%.   А ведь только эту воду и может использовать человек для своих нужд. [1] (Приложение 1)  Сэкономить немалое количество воды можно, если  снизить ее потребление в быту. В странах Европы, где люди более сознательно относятся к вопросу экономии и рационального использования воды, среднее потребление воды городским жителем составляет 130-140 литров воды, с США – 200, в России и в Украине 350-400 литров  в сутки. (Приложение 2) Для того, чтобы люди больше задумывались об экономии воды в быту, правительство предлагает жителям  устанавливать квартирные  водяные счётчики.  Наше тело почти на 2/3 состоит из воды. Вода входит в состав крови, которая разносит по всему организму питательные вещества. Испаряясь с поверхности нашей кожи, вода регулирует температуру нашего тела. Вода необходима нашему организму для удаления разных вредных веществ. Многие врачи считают, что воду следует пить, исходя из расчета: на 1000 килокалорий – около литра воды. Для поддержания водного баланса в сутки необходимо выпивать не менее 2 литров воды. Только на бытовые нужды в последние годы на одного человека приходится в среднем около 400 литров (40 ведер) в день, хотя 200 лет назад хватало ведра. Во многих странах уже существует острая нехватка питьевой воды. В день на одного человека приходится: на мытье рук 6-8литров, на чистку зубов 6-8 литров; не закрывая кран-споласкивание унитаза 15 литров за 1 сутки, душ 15-20 литров, стирка 130-150 литров, принятие ванны 150 литров. [2]

Как движется вода по трубам?

     Существует два режима течения жидкостей. Течение называется   ламинарным  (слоистым),  если вдоль потока каждый выделенный тонкий слой скользит относительно соседних, не перемешиваясь с ними, и турбулентным (вихревым), если вдоль потока происходит интенсивное вихреобразование и перемешивание жидкости (газа). [3]
 Ламинарное течение жидкости  наблюдается при  небольших скоростях ее движения, когда жидкость движется  равномерно, без беспорядочных скачков давления, направления и скорости. Если  немного приоткрыть водопроводный кран – вода будет течь спокойно, равномерно, не смешиваясь, это ламинарное течение жидкости.  При турбулентном течении частицы жидкости приобретают составляющие скоростей, которые перпендикулярны течению, и они могут двигаться из одного слоя в другой. Так как частицы жидкости могут перейти из одного слоя в другой, то при этом у поверхности трубы обычно происходит образование вихрей.  Если кран отвернуть до конца, давление в системе повысится и течение приобретет хаотичный характер, это турбулентное течение жидкости.

  Движение жидкости называют течением, а совокупность частиц движущейся жидкости потоком. Если в каждой точке пространства, заполненного движущейся жидкостью, скорость не изменяется со временем, то такое движение называется стационарным.

   Неподвижная жидкость в сосуде, согласно закону Паскаля, передает внешнее давление ко всем точкам жидкости без изменения. Но когда жидкость течет без трения по трубе переменного поперечного сечения, давление в разных местах трубы неодинаково.
Оценить распределение давлений в трубе, по которой течет жидкость, можно с помощью установки. (Приложение 3) При стационарном течении через любое поперечное сечение трубы за равные промежутки времени переносятся одинаковые объемы жидкости. Пусть  — скорость жидкости через сечение ,  — скорость жидкости через сечение . За время  объемы жидкостей, протекающих через эти сечения, будут равны:

. ,  Это уравнением неразрывности.

, т.е. скорости жидкости в двух любых сечениях обратно пропорциональны площадям сечений. При стационарном течении жидкости давление меньше в тех местах, где больше скорость течения, и, наоборот, больше в тех местах, где скорость течения меньше. Данный закон называют законом Бернулли. — уравнение Бернулли для горизонтальной трубки. Вода по трубам движется по закону Бернулли. [4]

Где можно сэкономить в быту?

   В ванной комнате: При чистке зубов нужно стараться включать воду в начале и конце процедуры.  На странах, жители которых уже давно пользуются счетчиками воды, принято умываться, набрав воды в раковину и добавив в воду средства по уходу за кожей. Чтобы помыться, достаточно принять душ. На душ расходуется в среднем в 5–7 раз меньше воды, чем на ванну. Если человек все-таки решил принять ванну, для экономии нужно набрать  наполовину.  Для стирки белья экономичнее пользоваться стиральными машинами, чем стирать вручную. На кухне: Мыть посуду под проточной водой вдвойне расточительно: кроме воды увеличивается расход моющих средств. Использование посудомоечных машин – эффективный способ экономии воды. Используйте посудомоечную машину только при полной загрузке.  Экономично мыть овощи и фрукты в наполненной водой раковине при выключенном кране. Нельзя  пользоваться водой для размораживания мясных продуктов. В туалете: Необходимо  проверить, есть ли утечка воды из сливного бачка.  При необходимости  сменить старый унитаз на современный, который оснащен комбинированным сливом – на 6 л и 3 л. Нельзя использовать унитаз как мусорное ведро – это позволит реже нажимать на слив. [5]

  Согласно санитарным нормам, для того, чтобы обеспечить нормальные условия жизни, для одного человека на хозяйственно-бытовые нужды требуется примерно 75 литров в сутки. Это является минимальной нормой. По подсчетам специалистов для того, чтобы обеспечить средний комфорт, каждому человеку необходимо в сутки около 111 литров воды. Но при расчете тарифов на воду, коммунальные службы используют абсолютно другие нормы, которые в зависимости от региона составляют от 180 до 450 литров в сутки на одного человека, что в месяц составляет от 5,5 до 12,7 м3. Для того, чтобы  экономить воду необходимо установить водяной счетчик, который будет гарантией того, что вы будете платить только за то, что израсходовали. [5]  Стоимость воды увеличивается с каждым годом и поэтому небольшие расходы на установку счетчика способны будут окупиться всего за несколько месяцев. Окупаемость зависит от того, сколько стоит вода и какие нормы потребления определены местными коммунальщиками. 

Описание работы водяного счетчика.

    Счетчики с диаметрами условного прохода 15, 20 мм предназначены для измерения объема питьевой воды по СанПиН 2.1.4.1074-2001 протекающей по трубопроводу при температуре от плюс 5 до плюс 40̊ С для счетчиков холодной воды (СХВ) и от плюс 5 до плюс 90̊ С для счетчиков горячей воды (СГВ) при давлении не более 1,0 МПа (10 кгс/см²).   Счетчики СГВ являются универсальными и могут быть использованы для измерения объема, как холодной, так и горячей воды; СХВ – только холодной. [6] (Приложение 4).

Таблица 1.Технические характеристики счетчика.

На счетчике цифры на красном фоне показывают литры, на черном фоне кубические метры (м3), еще есть отдельно шкала показывающая миллилитры. Чтобы определить какой объем  воды израсходован, нужно записать показания холодной и горячей воды в начале и в конце. Вычесть из конечного показания начальное показание, потом сложить показания счетчиков (холодной +горячей воды) и получить  расход воды V (м3 или в литрах).

Практическая часть.

  Исследование проводилось в 2 этапа в квартире девятиэтажного дома на пятом этаже.

На первом этапе было изучено описание устройства водяного счетчика и принцип работы.  Далее было рассмотрено движение воды через кран двух  режимов (тонкой струйки воды диаметром 5-6 мм, толстой струйки воды диаметром 10-11 мм (кран включен на всю)). Рассматривалось  необходимое время и расход воды для мытья рук.[7]

С помощью миллиметровой  линейки был измерен диаметр d струйки воды.

По формуле S=Пd2/4 подсчитаем площадь струйки воды, считаем ее круглой формы.  Определяем по счетчикам расход воды  V cp., л.

По формуле определили среднее значение диаметра струйки:

d ср= (d1+ d2+… d10)/10

По формуле определили среднее значение времени tср:

 tср= (t1+ t2+… t10)/10

   По результатам измерения и вычисления величин построили таблицу 2,3  двух режимов использования воды.

Таблица 2. Расход воды  маленькой струйки при мытье рук.

Таблица 3. Расход воды большой струйки при мытье рук.

  Затем было исследовано, как зависит расход воды от различных диаметров струек воды. Таблица 4.

Таблица 4.  Зависимость расхода воды от диаметра d струйки за 60 секунд.

По результатам таблицы 4 построили  диаграмму зависимости расхода воды от диаметра d струйки за 60 секунд. (Приложение 5).

 Из этой диаграммы видно, что  чем больше диаметр струйки воды, тем больший объем воды расходуется.

   На втором  этапе было исследовано зависимость расхода воды от характера течения воды из крана. Используя данные таблиц 2,3, в которых были измерены средние  диаметры воды при двух различных режимах течения,  включали   водяной кран  для различных видов  деятельности  семьи при каждом режиме,  фиксировали  время течения воды, объем воды по показаниям счетчиков. По  данным исследования  построили таблицу 5 и диаграмму «Расхода и экономии воды в квартире».

Таблица 5.  Расхода и экономии воды в квартире.

 Сравнивая результаты исследования таблицы 5 в диаграмме «Расход воды при  разных режимах течения воды  в домашних условиях», видно, что при меньшем диаметре струйки воды расходуется  меньше воды, и можно при этом сэкономить воду. (Приложение 6) Для расчета экономии воды в день для различных видов деятельности моей семьи возьмем данные таблицы 5.  В день моей семье необходимо 3 раза помыть посуду, 4 раза принять душ, 4 раза умыться, 5 раз в день  одному  человеку помыть  руки.

В день можно сэкономить:  1) Мытье посуды 3раза *11,5л=34,5л – 13 %

2) Вместо ванны использовать душ 4 раза *52л=208л -81 %

3) Умывание, выключая воду 4 раза*0,9л=3,6л -1%

4) Мытье рук 4(человек)*5раз*0,55л=11л-4%

Итого экономия воды  в день: 257,1 л - 100 %. Итого экономия воды в месяц: 30 дней *257,1л=7713л=7,7 м³. Итого экономия воды в год: 12 месяцев*7,7 м³=92,4 м³

Стоимость:  горячая вода 195 руб. за 1 м³, холодная  вода 56 руб. за 1 м³.

Экономия в рублях в месяц: холодная вода 4,7*56руб.=263руб; горячая вода 3*195руб.=585руб. Итого экономия в месяц: 848 рублей.

Итого экономия в год: 12 месяцев *848 рублей= 10176 рублей.  По этим результатам построили диаграмму «Расход и экономия воды в квартире». (Приложение 7). Один человек, используя маленькую струйку воды, сэкономит в день воду 64 л, в месяц 1,9 м³,   в год 22,8 м³, экономия в месяц 212 рублей, в год 2544 рублей. В поселке Солнечном 11 тыс. человек,  в ХМАО-Югре 1 625 501 человек, В России 146 519 759 человек. По этим данным построим таблицу 6 «Экономия воды». (Приложение 8) По данным таблицы мы видим, сколько сэкономит воды в день, месяц, год - один человек, семья,    поселок Солнечный, в  Ханты-мансийском округе, в России ;  и соответственно сколько можно сэкономить в рублях.

По результатам исследований составили памятку   «Правила экономии воды». (Приложение 9)

Заключение.

  В наше время  необходимо научиться  экономить воду, ведь ее запасы не безграничны.  Экономия воды напрямую зависит от того, как мы пользуемся водой, как открываем кран, включаем  на всю или делаем небольшую струйку, выключаем  кран  при чистке зубов или умывании.  В работе проводились исследования зависимости расхода воды от характера течения воды из крана.  Вода течет по трубам  разного сечения, давление меньше в тех местах, где площадь сечения меньше,  а скорость течения больше, и, наоборот, давление больше в тех местах, где площадь сечения больше, а   скорость течения меньше. Выводы, сделанные по результатам исследования, подтвердили нашу гипотезу о том, что расход воды зависит от характера течения воды из крана, чем больше диаметр струи, тем больше расход воды. Сделанные расчеты и выводы говорят о том, что каждый человек, практически не затрачивая никаких усилий, может экономить водные ресурсы нашей страны и нашей планеты в целом, если будет бережно относиться к расходу воды.

   В дальнейшем я собираюсь продолжить свои исследования. Их целью будет более подробный расчет экономии воды в быту.

    Список использованной литературы и источников:

1.Энциклопедия школьника. «Наука и техника». Москва. «Росмэн». 1999 г

2.Энциклопедия эрудита. Москва. «Махаон». 2012 г.

3. «Большая иллюстрированная энциклопедия школьника». Москва. «Махаон». 2014 г

4.Учебник по физике за 9 класс. Авторы: Кикоин И.К. Кикоин А.К. Издание: 2-е изд. - М.: Просвещение, 1992.

5. Исследовано в России [Электронный ресурс] Центр водосбережения.ru/ Режим доступа: http:// www.vodosberezhenie.ru 

6.Паспорт Счетчика

7. Экспериментальные исследовательские задания по физике. Москва. «Вако».2015. В. А. Саранин,  Ю. В. Иванов.

8. Исследовано в России [Электронный ресурс] Гринпис России / Режим доступа:  http://www.greenpeace.org/russia/Global/russia/report/green-office/Water_instruction.pdf

Приложение 1. «Запасы воды на Земле»

Приложение 2.  «Потребление воды одним человеком в день в разных странах»

Приложение 3. Движение жидкости по трубам.

Приложение 4. Фото счетчиков холодной и горячей воды.

Приложение 5.

Приложение 6.

Приложение 7.

Приложение 8.

Таблица 6. «Экономия воды».

Приложение 9.

Памятка «Правила экономии воды».

Каждый человек безболезненно может сократить потребление воды примерно на треть. Экономия воды не требует больших усилий. Достаточно соблюдать несложные правила и приучить себя к мелким ограничениям:

1. Нужно починить или заменить дома все протекающие краны и проверить, не течет ли вода из сливного бачка в унитаз. Через неисправный кран и из-за протечек воды в унитаз за сутки может утечь от 30 до 200 литров воды!
2. Нужно включать водопроводный кран только тогда, когда требуется, используя малый или средний режим напора воды. При этом уменьшается расход воды.
3. При мытье посуды не держать кран постоянно открытым. Использование посудомоечных машин - эффективный способ экономии воды на мытье посуды. Потребление воды по сравнению с обычным ее мытьем существенно ниже. Желательно загружать посудомоечную машину  полностью.
4. Прежде чем ополаскивать овощи или фрукты под струей воды, можно вымыть их в тазу.
5. При стирке белья в стиральных машинах по возможности нужно полностью загружать машину бельем, если есть функция экономии воды, желательно ее использовать.
6. Принимая душ,  в 5-7 раз снижается потребление воды по сравнению с приемом ванны. Воды тратится меньше, если использовать в душе специальную насадку с меньшим диаметром отверстий.
7. Установка насадки-распылителя на краны тоже поможет сократить потребление воды.

Некоторые из предложенных способов не требуют никаких затрат, за некоторые придется заплатить какую-то сумму денег,  но деньги не пропадут зря. Давайте сделаем все от нас зависящее, чтобы сберечь бесценную воду! [8]