Вследствие итогового индивидуального проекта по физике на тему "Капельный полив" учащийся 10 класса провел подробное изучение систем капельного полива, физических явлений, лежащих в основе капельной системы полив, а также провел и описал экспериментальное исследование применения капельной системы полива на практике.

Подробнее о работе:

Обучающийся 10 класса в процессе проведения работы над научно-исследовательской работой по физике на тему «Капельный полив» провел подробный анализ и сделал описание результатов своего исследования, а также сделал оценку преимущества капельной системы полива в сравнении с ручным поливом.

В индивидуальном исследовательском проекте о системах капельного полива учеником 10 класса отражены выводы о том, что при капельном поливе вода медленно подается прямо к корням растений. Тем самым, почва остается равномерно влажной, растения избавлены от стресса пересыхания грядок, а также таким образом снижается расход воды.

Оглавление

Введение
Глава 1. Теоретическая часть
1.1. Оценка ручного полива
1.2. Закон Д. Бернулли в основе капельного полива
1.3. Физическое обоснование капиллярного полива с точки зрения молекулярной физики
Глава 2. Практическая часть
2.1. Устройство капельного полива
2.2. Определение пропускной способности системы капельного полива
2.3. Расчет расхода воды и давление в системе
2.4. Состав устройства для организации капельного полива
Заключение
Приложение № 1
Приложение № 2
Приложение № 3
Список литературы

Цель работы: проверить эффективность капельной системы в сравнении с традиционным ручным поливом.

Задачи:

1. Изучить физические явления, лежащие в основе капельной системы полива.
2. Провести экспериментальное исследование применения капельной системы полива на практике.
3. Проанализировать полученные результаты исследования.
4. Оценить преимущества капельной системы полива в сравнении с ручным поливом.

Методы:

• сравнение;
• изучение;

Система капельного полива – идеальный способ обеспечить эффективный и экономичный полив растений на дачном участке. Она позволяет точно доставлять воду и удобрения к корням растений, экономя ресурсы и время, которое ранее требовалось на ежедневный уход за посадками.

Оптимизация процесса полива через капельное орошение приводит к уменьшению физических усилий дачника, уменьшению объема использованной воды, контролю над уровнем увлажнения почвы и борьбе с сорняками. Использование этой технологии позволяет сравнить ее эффективность в сравнении с использованием ручного полива и сэкономить значительное количество времени и усилий, что делает данную тему важной для нашего исследования.

Капельный полив – это метод орошения или полива, при котором вода доставляется к растениям через систему трубок с отверстиями, из которых вытекают небольшие капли воды непосредственно к корневой зоне растений.
В этом методе вода подается точечно или линиями рядом с растениями, минимизируя потери воды из-за испарения или слива в неиспользуемые места.

Эффективность такого способа полива была обнаружена совершенно случайно. В 1955 году израильский гидротехник Симха Бласс прогуливался мимо зеленой изгороди и заметил, что один куст более развит и высок, чем все прочие. Видимых причин этому не было – ежедневный полив осуществлялся системой дождевания, проложенной вдоль зеленых насаждений, а между поливами грунт выглядел одинаково сухим. Гидротехник решил проверить состояние грунта около ствола куста и, копнув на длину лопаты, выяснил причину – капли воды из протекающего соединения трубы увлажняли верхний слой грунта лишь слегка, но в глубине грунт был увлажнен куда больше. Именно Симха Бласс в ходе дальнейших экспериментов создал первую систему капельного полива.

Тема капельного полива является актуальной и востребованной на дачных участках, в этом я убедился на собственном опыте.

На нашем участке построена теплица, в которой выращивают томаты. На некотором расстоянии от теплицы расположена бочка. Полив растений обычным способом заключается в наполнении двух ведер водой из бочки, перемещение их на расстояние S и непосредственном поливе. На выполнение этой работы затрачивается большое количество времени и воды. После завершения работы чувствовалась физическая усталость.

Выполняя такой полив каждый раз по приезду на дачу, я решил, что это не рационально и можно сделать так, чтобы полив растений проводился более эффективно. Ручной полив был рассмотрен мной с точки зрения физических законов. С точки зрения физики при поливе растений дачником совершается механическая работа, которая определяется вторым законом Ньютона (приложение № 3) по формуле:
F = ma

Соответственно механическая работа, выполняемая при движении тела, (перенос ведра) равна
А = FS
А — механическая работа [Дж]
F — приложенная сила [Н]
S — путь [м]

Если под действием силы в 1 ньютон, тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа в 1 джоуль.
Поскольку сила и путь — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает вид.

Механическая работа
А = FScosa
a — угол между векторами силы и перемещения [°]

Под действием силы тело приобретает такое ускорение, что его произведение на массу тела равно действующей силе.
Соответственно, совершая работу по перемещению тела, затрачивается энергия. Существует два вида энергии: потенциальная и кинетическая.
При заполнении ведер водой из бочки, опускании их на определенное расстояние над землей, мы совершаем работу, равную работе силе тяжести при подъеме, падении тела, связанной с изменением потенциальной энергии тела.

Потенциальной энергией называют энергию взаимодействия тел или частей тела, зависящую от их взаимного положения.

Выясним, чему равна потенциальная энергия тела, поднятого над землей. Для этого найдём связь между работой силы тяжести и изменением потенциальной энергии тела. Если тело массой m падает с высоты h1 до высоты h2 (Рис.1), то при этом перемещение тела равно h = h1 - h2. Работа силы тяжести на этом участке при перемещении тела будет равна:
А = Fтяжh = mgh = mg(h1 - h2), или А = mgh1 - mgh2.

При прямолинейном движении тела работа силы тяжести в каждом случае равна разности двух значений величины, зависящей от положений тела в начальный и конечный моменты времени. Эти положения определяются высотами h1, и h2, тела над поверхностью Земли.
Более того, работа силы тяжести при перемещении тела массой m из одного положения в другое не зависит от формы траектории, по которой движется тело.

Величина mgh1 = Eп1 представляет собой потенциальную энергию тела в начальном положении, mgh2 = Еп2 — потенциальная энергия тела в конечном положении следовательно:
А = - (Еп2 - Еп1) = Eп1 – Eп2
При изменении положения тела изменяется его потенциальная энергия. Таким образом, работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

Рис. 1

Знак «минус» означает, что изменение потенциальной энергии и работа сил в системе всегда имеют противоположные знаки. При падении тела сила тяжести совершает положительную работу, а потенциальная энергия тела уменьшается. Если тело движется вверх, то сила тяжести совершает отрицательную работу, а потенциальная энергия тела при этом увеличивается.
При определении потенциальной энергии тела необходимо указывать уровень, относительно которого она отсчитывается, называемый нулевым уровнем.

Разность потенциальных энергий тела в двух точках не зависит от выбранного нулевого уровня.
Часто за нулевой уровень при определении потенциальной энергии принимают поверхность Земли. Если тело падает с некоторой высоты на поверхность Земли, то работа силы тяжести равна потенциальной энергии: А = mgh.

Следовательно, потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту над нулевым уровнем, равна работе силы тяжести при падении тела с этой высоты до нулевого уровня.
В тоже время дачник совершает механическую работу по перемещению тела (ведро с водой) на некоторое расстояние S, следовательно вся работа – Аоб будет равна сумме работы силы тяжести по подъему или опусканию груза – А1 и механической работы по его перемещению – А2
Аоб = А1 + А2
Именно такую работу совершает дачник, проводя ручной полив растений на своем участке.

Даниил Бернулли (29.1.1700- 17.3.1782), сын Иоганна Бернулли (брат - Якоб Бернулли). Занимался физиологией и МЕДИЦИНОЙ, но больше всего математикой и механикой. В 1725-33 он работал в Петербургской академии наук сначала на кафедре физиологии, а затем механики, впоследствии он состоял почётным членом Петербургской академии наук, опубликовал (с 1728-78) в её изданиях 47 работ. В работах, завершенных описанным в Петербурге трудом "Гидродинамика" (1738), вывел основное уравнение стационарного движения идеальной жидкости, носящее его имя.

Из емкости через систему трубопроводов вода попадает на грядку, где производится полив и через капельницы попадает под растение, которое необходимо полить. При таком орошении возможен одновременный полив нескольких растений. Преимущество такой системы полива в том, что есть возможность одновременной подачи с водой в почву раствора удобрений. Проведем исследование процесса движения жидкости по трубе разного сечения с точки зрения молекулярной физики.
Капельный полив с точки зрения законов молекулярной физики можно объяснить, используя закон Бернулли (уравнение Бернулли).

Швейцарский ученый Даниил Бернулли длительное время жил в России, именно к этому времени относится создание его главного научного труда - теории гидромеханики (приложение №1). Основная теорема гидродинамики связывает давление жидкости с ее скоростью. В моем проекте емкость и соединенный с ней трубопровод - это фактически труба с разным сечением.
Уравнение Бернулли показывает, что давление жидкости (или газа) больше там, где скорость её течения меньше и наоборот.

Пусть жидкость течет без трения по трубе переменного сечения. Через все сечения трубы проходят одинаковые объемы жидкости, иначе жидкости пришлось бы либо разорваться где-нибудь, либо сжаться, что невозможно. За время t через сечение S со скоростью v пройдет объем
V1=S1l1= S1v1t,
а через сечение S2 – объем V2=S2l2=S2v2t
так как V1=V2 то S1/S2=v2/v1.

Делаем вывод: скорость течения жидкости в трубе переменного сечения обратно пропорциональна площади поперечного сечения.
Если площадь поперечного сечения увеличилась в несколько раз, то скорость уменьшилась во столько же раз, и наоборот, во сколько раз уменьшилось сечение трубы, во столько же раз увеличилась скорость течения жидкости или газа. Такое движение (воды) жидкости из емкости (бочки) по трубам происходит при капельном поливе.

Делаем вывод: скорость течения жидкости в трубе переменного сечения обратно пропорциональна площади поперечного сечения.
Итак, выяснили, что при течении жидкости из широкой части в узкую или
наоборот, скорость изменяется, следовательно, жидкость движется с ускорением. Причиной возникновения ускорения является сила (второй закон Ньютона). Какая сила сообщает жидкости ускорение? Этой силой может быть только разность сил давления жидкости в широкой и узкой частях трубы.

К этому выводу впервые пришел академик Петербургской академии наук Даниил Бернулли в 1726 году, и закон теперь носит его имя. Принцип, впервые высказанный Д. Бернулли в 1726 г., гласит: в струе воды или воздуха давление велико, если скорость мала, и давление мало, если скорость велика.

Используя учебник молекулярной физики за 10 класс, обоснуем проникновение жидкости (воды) и питательных веществ в почву, движение жидкости и непосредственное поступление в само растение. Сама почва и структура растений представляют собой капиллярную систему, по которой поступают питательные вещества и влага к плодам и листьям растений для их развития.

Жидкость на границе двух сред.
На границе жидкость — твердое тело (почва) уже нельзя не счи¬таться с силами притяжения между молекулами жидкости и молекулами твердого тела (почвы). Более того, в ряде случаев сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказывается больше силы притяжения между молекулами са¬мой жидкости. В этом случае про жидкость говорят, что она смачивает твердое тело. Если силы притяжения между молекулами жидкости больше сил притяжения молекул твер¬дого тела и молекул жидкости, то такая жидкость называется несмачивающей.

Почва (источник питания для корня) может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым в зависимости от структуры и обработки быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворёнными в ней веществами. Высота подъема жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр. Отсюда ясно, что для сохранения влаги надо почву перекапывать, а для осушения - утрамбовывать.

При рассмотрении молекулярной картины поверх¬ностного слоя жидкости мы заметили, что молекулы жидкости (воды), расположенные на поверхности, разделяющей жидкость и твердое тело (земля), притягиваются молекулами твердого тела, так как концентрация молекул твердого тела велика.

Отличить смачивающую жидкость от несмачивающей очень просто. Для этого достаточно нанести каплю жидкости на поверхность твердого тела. Если жидкость смачивает тело, то капля растекается по поверхности, несмачивающая жидкость не растекается.

Мениск - форма поверхности жидкости в том месте, где она соприка¬сается с твердой поверхностью, в капиллярных сосудах почвы и корней растений, зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда. Если жидкость яв¬ляется смачивающей, то угол ꝋ между касательной к поверхности жидкости и твердым телом на общей границе трех сред, отсчитываемый внутрь жидкости (краевой угол), острый (рис. а). В том случае, когда жидкость не смачивает твердое тело, краевой угол ꝋ тупой. В случае пол¬ного смачивания ꝋ = 0°, а полного несмачивания — ꝋ = 180° (рис. б).

Только удаленная от стенок сосуда часть поверхности жидкости горизонтальна.
Сближая противоположные стенки (беря более узкий сосуд), мы будем сокращать горизонтальную часть свободной поверхности жидкости (рис. в), пока нако¬нец она не исчезнет совсем. Поверхность жидкости становится изогнутой. Изогнутая поверхность жидкости называется мениском (от греческого слова menisos — лунный серп).
В узких трубках смачивающие жидкости имеют вогнутый мениск, несмачивающие — выпуклый.

Рис.в

Явления смачивания и несмачивания отчетливо проявляются в узких трубках (капиллярах).
Капиллярные явления.
Под капиллярными явлениями понимают подъем или опускание жидкости в узких трубках — капиллярах — по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.
Смачивающая жидкость (вода в стеклянной трубке) поднимается по капилляру. При этом чем меньше ра¬диус трубки, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость (рис. г). Жидкость, не смачивающая стенки капил¬ляра, опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде (рис. д).

Рис. г Рис. д

В случае полного смачивания и полного несмачивания мениск жидкости в узких трубках представляет собой полусферу, радиус которой равен радиусу канала трубки. Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в узкой трубке (капилляре) поднимается до тех пор, пока гидростати¬ческое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, и это ведет к опусканию несмачивающей жидкости в узких трубках.

Подъем смачивающей жидкости по капилляру можно объяснить по-другому — непосредственным действием сил поверхностного натяжения. Вдоль границы поверхностного слоя жидкости, имеющей форму окружности, на стенки трубки действует сила поверхностного натяжения, направленная вниз (для смачивающей жидкости). Такая же по модулю сила действует на жидкость со стороны стенок трубки вверх (третий закон Ньютона)

(приложение № 3). Эта сила и заставляет жидкость подниматься в узкой трубке. Подъем смачивающей жидкости по капилляру прекратится тогда, когда сила, заставляющая жидкость подниматься вверх, уравновесится силой тяжести, действующей на поднятую жидкость.
Высота поднятия жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению ее и обратно пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости.

Рис. е

Чрезвычайно важно для растений движение и сохранение воды в почве. Почва имеет рыхлое строение, и между отдельными частицами ее находятся промежутки. Узкие промежутки представляют собой капилляры. По капиллярным ходам вода поднимается к корневой системе растений и снабжает их необходимой влагой и питательными веществами.

По капиллярам находящаяся в почве вода поднимается вверх и интенсивно испаряется. Чтобы уменьшить испарение, нужно разрушить капилляры. Это достигается разрыхлением почвы.
Иногда требуется, наоборот, усилить приток влаги по капиллярам. Тогда почву укатывают, увеличивая этим количество капиллярных каналов.

Вода в капиллярах находится в растянутом состоянии, но не разрывается из-за притяжения ее молекул. По мере испарения воды с листьев сила притяжения поднимает ее вверх.

Роль капилляров в природе.
В деревьях по капиллярам влaгa из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые чем уже, тем плотнее почва (рис. ж). Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя вспашка земли разрушает капилляры, т.е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.

рис. ж

Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма. Стволы деревьев, ветви и стебли растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система растений оканчивается тончайшими нитями-капиллярами. И сама почва, источник питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым в зависимости от структуры и обработки быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворёнными в ней веществами. Высота подъема жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр. Для сохранения влаги надо почву перекапывать а для осушения – утрамбовывать.

Система капельного полива устроена так: вода из емкости (бочки) по шлангам подается к необходимому месту на грядке и через капельницы попадает под каждое растение.
Важно, что при таком способе поливаются только посаженные растения, сорнякам влаги не достается. Одновременно с капельным поливом можно проводить подкормки: растворенные в воде удобрения лучше усваиваются растениями, так утверждают «огородники».

Для того, чтобы правильно собрать систему капельного полива я решил посчитать: пропускную способность системы и определить примерный расход воды.
Рассмотрев физический смысл капельного полива для определения необходимой емкости и производительности системы капельного полива мной были проведены расчеты для определения пропускной способности и расхода водя в системе.

Определим пропускную способность системы капельного полива. У вас есть 2 грядки томатов, по 6 м в длину каждая на них уложим поливочную ленту Расстояние между кустами томатов — 40 см.
Если расстояние между капельницами 40 см, на капельной ленте умещается 15 капельница на двух — 30 капельниц. Общее количество капельниц умножим на 1,6 л количество воды, которое в среднем проходит через одно капельное отверстие, и получим пропускную способность капельной системы 30*1,6 = 48л/ч.

Чтобы не ошибиться с подбором емкости для воды, сделан расчет расхода воды с таким расчетом, чтобы она вместила в себя количество воды, нужное для разового полива. При подаче воды из бочки важно, чтобы жидкость отстоялась и была требуемой температуры.

Чтобы рассчитать расход воды, нужно узнать норму полива растений. В нашем случае это 6 л — среднесуточная норма воды на один куст томатов в умеренном климате. Количество капельниц (оно равно количеству кустов томатов) умножаем на норму полива: 30 * 6 = 180 л — столько воды нужно, чтобы один раз полить все растения. Это число может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от фазы роста растения, погодных условий и влажности почвы.

После того, как рассчитали расход воды, установили, что нам необходима емкость не менее 200 л. Время заполнения емкости будет зависеть от производительности насоса, который используется для набора воды из скважины.

Производительность зависит от давления, которое создает насос, и глубины источника. На нашем участке используется погружной насос, создающий давление примерно 0,3–5 бар. 1 бар равен 10 м высоты, на которую насос способен поднять воду. Давление в 0,3–5 бар обеспечивает достаточную для приусадебного участка производительность воды для заполнения емкости V=200 л. Производительность погружного насоса — 1 000–2 000 л/ч. При производительности источника около 1 000 л/час емкость объемом 200 л, нужно подключить к ней магистраль и питать от нее водой две капельных ленты.
Давление в системе.

Для подачи нужного количества воды в системе должно быть рабочее давление от 1 до 1,5 атм. Если давление ниже 1,5 атм, ленты могут работать не по всей длине. Опытные огородники определяют нормальное давление в системе визуально: при нем вода из капельниц поступает частыми каплями по всей длине ленты, а не льется струйкой.

Если давление в системе недостаточное, его можно увеличить, подняв резервуар с водой (бочку) на высоту 0,5–1м. Чем выше установим емкость, тем больше будет давление воды. В нашем случае экспериментально было установлено, что на высоте подставки в 50 см давление на выходе воды из бочки составит примерно 0,5 – 07 атм. Оптимально, если высота емкости будет больше, чем ее ширина: так давление на выходе будет больше, а скорость полива — выше (закон Д. Бернули). Чем выше бочка с водой — тем лучше давление.

После проведения исследования ручного полива растений было принято решение: обследовать применение системы капельного полива. Для этих целей был создан макет, состоящий из сосуда (пластиковой бутылки), к которому в нижней части были присоединены две пластиковые трубки, с проделанными в них отверстиями и краном. Концы трубок были закупорены пластилином, а сосуд установлен на подставку и залит подкрашенной водой. Трубки были аккуратно разложены на ровной поверхности на бумажные салфетки. При открытии крана, через некоторое время, бумажные салфетки в районе отверстий стали мокрыми. Система работает. Было принято решение: собрать систему капельного полива для огородной теплицы на нашем участке.

В результате проведенных мной исследований, расчетов была сделана и внедрена в эксплуатацию модель элементарного капельного полива на нашем приусадебном участке.
Через специальные устройства (капельницы) вода попадает под растения, которое необходимо полить. Также следует отметить достоинство такой системы орошения, как возможность одновременной подачи с водой в почву раствора удобрений. Это несомненный плюс капельного способа орошения.

1. Емкость (бочка);
2. Шланг;
3. Кран, фильтр, переходники, заглушки;
4. Поливочная лента

Положительные моменты реализации и исследования моего действующего проекта капельного полива:

1. Главное, что при капельном поливе вода медленно, капля за каплей, подается прямо к корням растений. Таким образом, почва в течение всего роста растения остается равномерно влажной, растения избавлены от стресса, который возникает во время пересыхания грядок.
2. Позволяет существенно снизить расход воды на орошение по сравнению с ручным методом полива, что особенно важно в условиях недостатка водных ресурсов.
3. Экономить на расходе воды и удобрений за счет точного распределения.
4. Обеспечивает равномерное и точное распределение воды и удобрений к корням растений, что способствует повышению урожайности.
5. Полностью исключает работу, затрачиваемую при ручном поливе. Облегчает уход за посадками и позволяет сосредоточить усилия на выполнение других работ на дачном участке.

Недостатки капельного полива может включать в себя следующие моменты:

1. Неправильная установка капельного полива может привести к неравномерному распределению воды, утечкам или засорению элементов системы.
2. Если давление в системе недостаточно, капельные ленты могут работать неэффективно, что приведет к недостаточному поливу растений.
3. Поврежденные капельные ленты, могут вызвать утечку воды и неравномерный полив.
4. На зимний период систему необходимо разбирать, сушить, убирать в помещение капельную ленту и емкость (бочку).

Даниил Бернулли
(29.1.1700- 17.3.1782)

Капельный полив участка

1. Мякишев Г.Я. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл. ; учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Сиияков. - 7-е изд., стереотип. - М. : Дрофа, 2005. – 349, (3)е :ил.
2. Голованов А.И. Основы капельного орошения. Краснодар: КГАУ, 1996.
3. Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации». 2024
4. Интернет сайт www.Википедия.