Знания физики на службе у Древнего Рима. Водоснабжение

Разделы: Физика, Внеклассная работа, Конкурс «Презентация к уроку», Руководство учебным проектом

Классы: 5, 6, 7

Ключевые слова: физика, водоснабжение


Презентация к уроку

Загрузить презентацию (84,8 МБ)

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.


Подготовила:
Хохлова Ксения,
ученица 11 класс

Руководитель проекта:
Рябушкина Валентина Михайловна
учитель физики

Слайд 2. Водоснабжение занимает в нашей жизни одну из главных ролей. Вода - ценнейшее природное богатство человека. Сейчас нас обеспечивают водой сотни водопроводов, которые доставляют воду прямо в наши квартиры.

Слайд 3. Но что же было раньше? Ведь ранее у людей не было таких знаний в физике, механике, которыми мы владеем сейчас. Но водоснабжение было. Что ж давайте перевернем страничку истории и перенесемся на несколько веков назад.

Слайд 5. Водоснабжение занимает особое место в жизни любого города. Сохранившиеся до наших дней остатки древнеримских водопроводов свидетельствуют о высочайшем уровне развития инженерной мысли для античного мира.

Древний Рим-крупнейший город древности, расположенный на холмах, не мог не иметь развитой системы водоснабжения. В нем функционировали 11 водопроводов. Общая протяженность римских водопроводов составляла 436 км, из них 55 км – мостовые сооружения. В городе существовали красивые фонтаны и бани. Древние римляне не знали запорной арматуры поэтому вода в системе текла непрерывно, обеспечивалась промывка канализационных стоков.

Слайд 6. Большое количество воды не могли обеспечить никакие известные в то время водоподъемные сооружения, поэтому вода в древнеримские водопроводы поступала самотеком из естественных источников, которые приходилось искать в горах для обеспечения перепада высот, достаточный для подачи воды в город, расположенный на холмах, иногда за десятки километров от города. В те времена были известны гончарные и свинцовые трубы, иногда использовали просверленные каменные блоки, но это не могло, обеспечить большие потребности в трубах. Поэтому для доставки воды строили каналы и лотки, демонстрируя свои знания механики и гидравлики.

Слайд 7. Через глубокую долину реки Гар на юге современной Франции, строили акведуки-каменные мосты, используемые для пропуска канала с водой над долинами и оврагами.

Слайд 8.Самым высоким стал акведук Пон-дю-Гар, который до сих пор может функционировать.

Это функциональное инженерно-техническое сооружение являлось частью системы водоснабжения города Нима (римского Немауса).

Долина, которую пересекает мост, известна своими ураганными ветрами (до 150 км/ч), а река под ним весной сильно разливается. Римляне знали, как рассчитывать вес каменной кладки, но не умели точно определять нагрузки, вызываемые ветром.

Расчет опрокидывающих нагрузок под действием ветра и паводков даже в наше время является сложной задачей. Ну а римляне этого точно не знали.

Ученые Дж.Хок и Р.Новак в своих исследованиях показали, что растягивающее напряжение в основании опор нижнего и среднего яруса моста, вызывающее образование трещин, может возникнуть при ураганном ветре, скорость которого у поверхности земли составляет примерно 215 км/ч. Однако нагрузки под действием ветра в этом районе в редких случаях достигают половины данной расчетной скорости. Т.е. мост имеет примерно двукратный запас устойчивости к нагрузкам, которые приводят к появлению трещин. Такой запас прочности соответствует принятому в современном строительстве.

 Слайд 9. Пон-дю-Гар – одно из заметных звеньев системы водоснабжения Нима. Для полной оценки совершенства проектных и технических решений древнеримских инженеров, нужно рассмотреть всю систему.

Слайд 10. Источник существовал у небольшого селения Уцеция (ныне Юзес) а водосборный бассейн («кастеллум») находился у склона холма в Немаусе, От бассейна вода подавалась ниже по десяти распределительным трубопроводам.

Слайд 11. По прямой от Уцеции до Немауса был бы 20 км. Но тогда трасса водовода проходила бы через холмы и узкие ущелья. Для этого потребовалось бы построить почти 8-километровый туннель, который строить тогда не могли. Холмы не давали обойти эту местность и с запада, поэтому необходимо делать обход по дуге с востока.

Надо было соорудить канал длиной 50 км, который должен был пересечь глубокую долину реки Гардон и нагромождения выходящих на поверхность каменных пород и болота. Над уровнем водосборного бассейна источники находились низко – всего 17 м. Строителям, в распоряжении которых находились лишь примитивные ватерпасы, абаки и восковые таблички, приходилось заботиться о сохранении ничтожно малого среднего уклона по трассе канала, не превышающего 0, 34 м на 1 км (эта величина получается делением 17-метрового перепада высот между Уцецией и Немаусом на 50 км, т.е. длину самого канала). Такой уклон незаметен на глаз, поэтому даже небольшая ошибка могла привести к выходу на плоские участки, на которых застаивалась бы вода.

Чтобы максимально уменьшить высоту Пон-дю-Гара, строители увеличили уклон канала выше него до 0, 67 м/км. Однако из-за этого пришлось делать более пологим тот участок, который начинался от Пон-дю-Гара – уклон на нем составляет 0, 07-0, 30 м/км.

Расчеты глубины воды в канале на участке от Пон-дю-Гара до Немауса, выполненные Дж.Хоком и Р.Новаком, показали, что римским строителям удалось обеспечить эффективное, с минимальным сопротивлением движение воды по нему. Это было поистине замечательным достижением: математические формулы, которыми в наши дни пользуются строители при проектировании водопроводов с подачей воды самотеком, были выведены лишь в XIX в.

Эти же расчеты показали, что в период сезонных паводков опасность переполнения канала отсутствовала. Трудно представить, чтобы столь экономично построенный и эксплуатируемый канал мог быть более совершенным по своей конструкции.

Мост Пон-дю-Гар и водосборный бассейн пережили тысячелетия. Но здание, в котором находился водосборный бассейн, не уцелело, Сам бассейн хорошо сохранился: его диаметр около 6 м, а глубина 1, 4 м. Пазы в нижней и боковых сторонах квадратного ввода, через который вода из канала поступала в облицованный смальтой бассейн, а также отверстия в каменных плитах над этим вводом свидетельствуют о том, что ввод заканчивался затворами, с помощью которых, как полагали, регулировалось поступление воды в бассейн.

Вода из бассейна должна была вытекать через десять распределительных труб. Их местонахождение и диаметр можно установить по сквозным отверстиям в стенках бассейна. Трубы были изготовлены из свинца. О его опасности для организма человека, было уже известно. Из-за повышенной жесткости воды стенки труб быстро покрывались защитным слоем карбоната кальция, поэтому с опасностью свинца мерились. Для слива воды из бассейна при его чистке использовались три донных отверстия, оснащенных клапанами, которые в нормальном рабочем режиме были закрыты. Диаметр этих отверстий также равнялся примерно 0,3 м.

Как удалось установить, при максимальном поступлении воды в бассейн распределительные трубы были заполнены наполовину, что является оптимальным для безнапорного водопровода круглого сечения и обеспечивает его максимальный КПД.

Долго не могли понять назначения затворов на входе в бассейн, а также причины, по которой строители использовали три больших сливных отверстия. Приведем несколько предположений по этому вопросу

1) Затворы не могли выполнять роль клапанов для регулирования потока воды, поступающей в бассейн – тогда канал переполнялся бы, что могло привести к его разрушению. Наверное, затворы служили для измерения расхода воды. Римляне были специалистами в области водоснабжения и вряд ли они пренебрегли необходимостью измерения ее расхода. Скорее всего, они применяли шлюз-регулятор. Если известен размер находящегося под водой отверстия, через который вода из канала поступает в бассейн, а также напор, т.е. разница между уровнем воды в бассейне и в канале, то можно определить расход воды. Эта система, в которой вода протекала под затвором, была простой и в то же время чувствительной к изменению потока.

2) Затворы можно было использовать и в качестве элементов системы водоспуска с помощью донных отверстий.

3) Количество и размеры этих отверстий можно объяснить достаточно просто. Для очистки бассейна или проведения ремонтных работ его приходилось освобождать от воды. Если поступление воды в бассейн нельзя было прекращать на долгое время, а так, видимо, и обстояло дело, то одного небольшого отверстия оказывалось недостаточно. Несколько больших сливных отверстий позволяли при непрерывном поступлении воды в бассейн осушать его почти до дна, а при кратковременном прекращении притока освобождать от воды полностью.

Каждая конструкция акведука заслуживает высокой оценки. Это говорит о том, что римские инженеры были более искусными специалистами, чем обычно принято думать о них.

 После четырехсот летнего правления римской империи канал пришел в запустение. На его стенках появился толстый карбонатный слой. К VIII в. н.э. он уже практически вышел из строя. Были разрушены многие части водопровода, выламывались камни. 

Слайд 12. При прокладке водопроводов через ущелья древними римлянами использовались сифонные сооружения. Для глубоких ущелий сооружались системы труб, которые круто спускались по одному склону ущелья и поднимались по другому, т.к. римляне знали, что вода в трубе должна всегда возвращаться к своему первоначальному уровню.

Сифон – это труба, по которой жидкость переливается с одного уровня на другой через промежуточное возвышение, и по форме это сооружение напоминает букву «П». в Древнем Риме применялся обратный сифон, или дюкер. В нем жидкость движется по U-образной траектории. Римские сифоны имели значительную длину, поэтому гидравлические потери в них становились заметными, и приемный конец приходилось устраивать на уровне несколько ниже подающего конца.

Во время правления Римской империи было известно около двадцати сифонных сооружений. В отличие от впечатляющих развалин древних мостов до нас сохранилось очень мало остатков сифонов. Их прокладывали по поверхности земли, поэтому они могли быть легко разрушены. Они играли лишь второстепенную роль в тех системах римских водопроводов, которые современные ученые изучили наиболее тщательно.

Слайд 13. Бытует мнение, что римляне не строили сифоны из-за того, что не умели изготавливать трубы, способные выдерживать высокое давление воды. Копии римских труб в 1875 году изготовил французский инженер Эжен Бельгран и подверг их гидравлическим испытаниям. Трубы разрушались при, давлении 18 атм. Такие трубы могли успешно работать в сифоне, опускающемся на 180 м ниже исходного уровня.

Для пересечения ущелья строили напорный резервуар, выложенный из кирпича. В современной гидротехнике сифон состоит из одной, но римский состоял из нескольких труб, уложенных параллельно друг другу. Их входные концы располагались в ряд в нижней части резервуара.

Для изготовления труб брали свинцовые листы, изгибали их на деревянном сердечнике и спаивали или начеканивали края. Т.е формы трубы получалась овального или грушевидного поперечного сечения с продольным швом. Известный нам инженер Э. Бельгран выяснил, что, разрушение трубы происходило не по шву, а по боковой стенке. Трубы имели наружный диаметр 25-27 см, толщину стенки от 3 до 5 см и длину около 3 м.

От напорного резервуара эти трубы спускались по склону ущелья на небольшой глубине под землей. И это предотвращало их случайные повреждения и чрезмерное температурное расширение в жаркие дни.

Слайд 14. На дне ущелья часто строился невысокий мост для труб («вентер» – лат. venter). Вентер создавал два резких перегиба («геникулус» – лат.geniculus) на концах моста, из-за чего могли возникать напряжения в стыках труб при ударе водяной струи. Однако он уменьшал статическое давление, т.к. перепад высот в сифоне был очень мал.

После второго перегиба трубы поднимались по противоположному склону ущелья, поднимая воду в приемный резервуар, из которого вода поступала в водопровод. Можно догадаться, что приемный резервуар был ниже напорного резервуара. Разность их уровней составляла так называемый гидравлический градиент. Гидравлический градиент сифона был примерно в 10 раз больше нормального уклона моста – акведука.

Слайд 15. О разнообразии топографического характера местности, при котором римляне прибегали к устройству сифонов, можно судить по четырем сохранившимся водопроводам, снабжавшим водой город Лион: это Монт-д’Ор, Жье, Крапонн и Бревенн.

Слайд 16. Из-за перепада высот потребовалось сооружения нескольких сифонов. Водопровод Монт-д’Ор при перепаде высот 90 м имел два сифона. Водопровод Жье имел равномерный и небольшой уклон, но при общем перепаде высот 110 м потребовал устройства 4 сифонов. Водопровод Крапонн имел крутой перепад в 420 м и всего лишь два сифона, причем один из них – гигантских размеров. Водопровод Бревенн проходил по ступенчатому профилю перемежающихся обрывов и плато. При общем перепаде высот в 350 м для него потребовалось соорудить лишь один сифон.

Водопровод Жье имел два больших сифона – близ Сусье и Бонана. Первый имел длину 1,2 км и глубину 93 м, второй – длину 2, 6 км и глубину 123 м. По случайному совпадению перепад высот в каждом из них был 9 м. Это означает, что сифон у Сусье, как более короткий, имел больший гидравлический градиент. Водопровод Крапонн служит свидетельством когда-то существовавшего воистину огромного сифона длиной около 6 км, который опускался почти на 100 м ниже гидравлического градиента. Остатков этого сифона почти не сохранилось, и свидетельство о нем является в большей мере чисто топографическим: известно, что водопровод пересекал широкое и глубокое ущелье, слишком большое для сооружения моста, и, следовательно, там был использован сифон.

Общая длина девяти сифонов в лионской водопроводной системе достигает 16,6 км. Если каждый сифон состоял из девяти труб, то общая длина труб должна быть около 150 км. Для изготовления такого количества труб требовалось 12-15 тысяч тонн свинца, и очевидно, что добыча и транспортировка такого огромного количества свинца требовала гигантских усилий. Трубы работали под давлением, которое могло иногда достигать 12 атм. Несомненно, что в системе были течи, но она работала и перекрывала ущелья значительно большего размера, чем самые большие римские мосты-акведуки.

Сравнивая высоту сифонов и мостов-акведуков, можно видеть, что они не перекрывают друг друга и граница проходит на уровне 50 м. При большей глубине ущелья римляне сооружали не мост, а сифон. Можно поэтому заключить, что они отдавали предпочтение мостам-акведукам и обращались к сифону как к вспомогательному средству в тех случаях, когда их инженеры не могли построить мост нужной высоты.

Слайд 17. Сифоны обходились римлянам дороже, чем мосты. Камень добывался на месте; к сооружения доставлялись кирпич и известковый раствор. Свинец получали в избытке как побочный продукт рафинирования серебра.

Но ведь существовали огромные затраты и тяжелый труд по доставке 15 тыс.т свинца в Лион.

А, как известно, именно инженерная составляющая является основой экономики государства. Таким образом, изучение инженерной составляющей в развитии экономики Древнего Рима в данной работе позволяет увидеть, какую роль играет инженерная наука в развитии такой мощной цивилизации и, несомненно, изучение достоинств и недостатков поможет лучше разобраться в экономике сегодняшнего дня

Презентация выполнена по работе, взятой с сайта https://istina.msu.ru/media/publications/article/017/604/721038/Akveduki_2004-5.pdf