Физика человека

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Физика человека

Богачев В.А. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа № 33" города Калуги
Семешина М.В. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа № 33" города Калуги
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Физика – одна из основных наук о природе.

На уроках физики мы часто рассматриваем физические явления и законы, в основном связанные с неживой природой, а о живой говорим мало. Но живая природа тоже уникальна, и здесь действуют все законы физики.

Насекомые передвигаются, скользя по глади воды, и не тонут, так как их вес не преодолевает силу поверхностного натяжения воды. Многие перелетные птицы во время длительных путешествий выстраиваются в клин, чтобы уменьшить силу трения о воздух и силу сопротивления.

А что уж говорить о самом человеке? Он – часть природы. В нем самом и в его действиях много физический явлений.

Я решил проверить сколько сил действует на организм человека, как внешних, так и внутренних.

Цель работы: научиться применять законы физики для объяснения законов и процессов, протекающих в организме человека, и исследовать свои физические характеристики.

Задачи работы:

- осуществить подбор и анализ материала, отвечающего на вопрос: какие физические явления и процессы играют важную роль в жизни человека;

- опираясь на знания, полученные в этом учебном году, провести ряд опытов, раскрывающих физические характеристики моего организма;

- сделать выводы по полученным результатам.

Методы исследования:

- теоретический (сбор и изучение материала в различных источниках: литература, Интернет-ресурс);

- эмпирический (опыты, измерения, расчет физических данных).

Предмет исследования: физические характеристики организма человека.

Объект исследования: мой организм и организм моей сестры.

Практическая значимость работы заключается в том, что знание личных физических характеристик имеет значение для определения резерва физического здоровья человека. Также не менее важно знать, какие физические законы объясняют процессы, протекающие в организме.

Результаты моей работы актуальны и представляют интерес для людей, которые интересуются физикой, стремятся познать себя, свой организм, своё тело с точки зрения физики.

1. ФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА

Рассмотрим основные процессы жизнедеятельности человека и попробуем объяснить их с точки зрения физики.

1.1. Силы, действующие на человека

Если рассматривать человека как объект изучения физики, то можно увидеть, что многие привычные нам действия подчиняются ее законам.

Любое движение, упражнение, положение тела осуществляется при взаимодействии сил, оказывающих действие на тело человека. Эти силы подразделяют на внешние и внутренние.

Внешние – это силы, действующие на человека извне, при взаимодействии его с внешними телами (земля, гимнастические снаряды, любые предметы). Наибольшее значение для движений человека имеют сила тяжести, сила реакции опоры и сила сопротивления среды. Спортсмены, выполняя упражнения со штангой, учитывают силу тяжести, направленную вниз. Если бы не существовало трения, человек не мог бы ходить и бегать: нога, которой производится отталкивание, скользила бы назад, и перемещение тела было бы невозможно (нечто подобное наблюдается при ходьбе по скользкому льду). Сила сопротивления среды действует на тело человека при его движениях в воздушной или водной среде. Уменьшают тормозящее влияние среды принимая наиболее выгодную (обтекаемую) форму тела. Например, стартовая плавательная шапочка сокращает время при заплыве на целые секунды.

Внутренние силы возникают внутри тела человека при взаимодействии частей тела. Основная активная внутренняя сила — сила сокращения мышц.

Если силы, действующие на тело, уравновешены, то оно находится в покое; если же их равнодействующая не равна нулю, то тело перемещается в направлении этой равнодействующей.

Каждая из сил может быть движущей или тормозящей. Например, сила тяжести при движении вниз является движущей силой, а при движении вверх — тормозящей. Сила попутного ветра, например, при ходьбе — движущая сила, а сила встречного ветра — тормозящая.

Для человека также характерна инерция. Ее типичным случаем являются прыжки. В начале прыжка тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног. Пока они не отрываются от поверхности земли. После этого никакого двигательного усилия уже не нужно. Тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и силу тяжести, исключительно вследствие инерции.

Человек может развивать большую силу, если будет двигаться с ускорением. Следовательно, чем лучше разогнаться, тем дальше будет прыжок.

1.2. Деформация

На примере человека можно проследить все виды деформации.

Деформацию сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности, покровы ступней; растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия; изгиба – позвоночник, кости таза; кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и др. (Приложение 1).

Позвоночный столб, как правило, подвергается сжатию, как под воздействием веса тела, так и натяжения различных мышц и сухожилий. Для их удержания и обеспечения подвижности он имеет сложную S-образную форму. Позвоночник – наиболее рано стареющий орган, поэтому его изменения начинаются уже с 18-летнего возраста.

Деформация характерна и для мышц человека. Мышечная ткань обладает свойством растягиваться и сокращаться, ей присущи эластичность и упругость. В теле человека насчитывается около 600 мышц.

1.3. Равновесие

Центр тяжести существует у любого тела (Приложение 2).

Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед? Груз изменяет положение центра тяжести, и человек, находящийся в неустойчивом положении наклоняется, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через центр опоры.

Почему трудно стоять на одной ноге? Площадь опоры мала. Поэтому человеку, стоящему на одной ноге, трудно удержать равновесие.

Почему при ходьбе люди размахивают руками? Когда человек перемещает ногу вперед, вперед смещается и центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад, такое чередование повторяется при каждом шаге.

1.4. Рычаги в теле человека

В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев.

Рука представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе (Приложение 3). Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чтобы удержать груз, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груза.

Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики мы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не легче, чем поднять её вверх, хотя работа равна нулю. Это объясняется тем, что мышцы, приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время. Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется до получения следующего сигнала. В результате груз, который мы держим, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении. При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда мы поднимаем груз, но и когда держим его на весу.

Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700 H. Согласно исследованиям у плачущего человека, задействованы 43 мышцы лица, в то время как у смеющегося всего 17. Таким образом смеяться энергетически выгодно.

Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сил отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее, например, икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг.

Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН.

1.5. Движение крови

Сосуды пронизывают все участки нашего тела (Приложение 4). Кровь течет по ветвям артерий до капилляров. Их общая длина около 100 тыс. км.

Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Оно работает в импульсном режиме. Во время каждого импульса, длящегося примерно 0,25 с, сердце выталкивает в аорту около 0,1 л крови. Удивительный двигатель в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови. Вследствие насосной функции сердца в сосудах создается постоянное давление крови. Кровь течет по ним из области высокого давления в область низкого.

1.6. Питание

Пища, находясь в полости рта человека, проталкивается в глотку, а затем к пищеводу мышечными сокращениями языка. Затем происходит сокращение мышц пищевода, и пища проходит в желудок. Роль смазки в данном процессе играет слюна. Она обволакивает пищу, тем самым уменьшая силу трения, возникающую при ее движении по пищеводу.

А как мы пьем? При питье мы расширяем грудную клетку, под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот. Итак, строго говоря, мы пьем не только ртом, но и легкими.

1.7. Диффузия в организме человека. Дыхание

В процессе всасывания пищи большую роль играет диффузия - взаимное проникновение молекул одного вещества в другое.

Наибольшее всасывание происходит в тонких кишках, стенки которых приспособлены для этого. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м2. Она покрыта ворсинками - микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2 – 1 мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4 – 5 м2, то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела.

Дыхание – это перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы, тоже является примером диффузии. В дыхании у человека принимает участие вся поверхность тела. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе.

Однако, во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, при этом в них понижается давление, и воздух через нос и горло входит в легочные пузырьки. При выдохе объем грудной клетки и легких уменьшается. Давление в легочных пузырьках увеличивается, и воздух с избыточным содержанием углекислого газа выходит из легких наружу.

Сколько воздуха мы вдыхаем?

При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около полулитра воздуха. В минуту мы делаем в среднем 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 9 литров воздуха. Это составляет в час 540 л. За сутки человек вдыхает около 12 кубометров воздуха. Но, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на 4/5 из бесполезного для дыхания азота (Приложение 5), то оказывается, что наше тело потребляет кислорода около 8 кг, то есть примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Для участия в экспериментах я пригласил мою сестру, которая старше меня на два года. С помощью напольных весов и ростомера я измерил наши рост и массу тела:

- мой рост – 182 см

- масса моего тела – 63,5 кг.

- рост сестры – 168 см

- масса тела сестры – 56,5 кг.

2.1. Определение объема тела

Для определения объема моего тела и тела моей сестры я измерил обхват головы lГ, длину туловища lT, ширину туловища bT, толщину туловища hT, длину руки LР, обхват предплечья lР, длину ноги LH, обхват ноги в районе бедра lH.

Полный объем тела определял по формуле:

Vобщ = VГ + VТ + 2VР + 2VН ,

где объем головы R3 = (объем шара),

объем тела (объем параллелепипеда),

объем руки (объем конуса),

объем ноги (объем конуса).

Получены результаты моих показателей:

обхват головы lГ, м

0,58

 

 

 

 

объем головы VГ, м

0,0033

длина туловища lT, м

0,46

ширина туловища bT, м

0,40

толщину туловища hT, м

0,22

объем туловища VТ, м

0,0405

длина руки LР, м

0,75

обхват предплечья lР, м

0,29

   

объем руки VР, м

0,0017

длина ноги LH, м

1,10

обхват ноги в районе бедра lH, м

0,50

   

объем ноги VН, м

0,0073

общий объем Vобщ, м3

0,0613

Таким образом, объем моего тела равен 0,0613 м3.

Результаты показателей моей сестры:

обхват головы lГ, м

0,56

 

 

 

 

объем головы VГ, м

0,0030

длина туловища lT, м

0,40

ширина туловища bT, м

0,35

толщину туловища hT, м

0,21

объем туловища VТ, м

0,0294

длина руки LР, м

0,72

обхват предплечья lР, м

0,26

   

объем руки VР, м

0,0013

длина ноги LH, м

1,06

обхват ноги в районе бедра lH, м

0,59

   

объем ноги VН, м

0,0098

общий объем Vобщ, м3

0,0546

Итак, объем тела сестры равен 0,0546 м3.

2.2. Определение плотности тела

Плотность тела рассчитывалась по формуле:

, где m – масса тел, V – объем тела.

Плотность моего тела: ρ = 63,5/ 0,0613= 1035,89 кг/м³,

а плотность тела моей сестры: ρ = 56,5/ 0,0546= 1034,80 кг/м³

Средняя плотность человека равна 1036 кг/м³. Таким образом, рассчитанная мной плотность близка по значению к данному показателю.

2.3. Определение давления, оказываемого на плоскую поверхность

Моя сестра занимается хореографией и часто танцует на пуантах, сравним давление, оказываемое на пол в пуантах и босиком. Для этого я на тетрадном листе обвел опору (в пуанте и босиком) (Приложение 6 А). По числу клеток я определил площадь опоры s (1 клетка = 0,25 см2), перевел полученную величину в м2.

Давление, оказываемое на плоскую поверхность, рассчитывается по формуле:

, где F – сила тяжести (F = mg), S – площадь поверхности (S=2s)

Получены результаты:

 

Масса тела, кг

Ускорение свободного падения, м/с²

Сила тяжести, H

Площадь поверхности, м2

Давление, кПа

Босиком

56,5

9,8

553,7

0,015x2=0,03

16,6

В пуантах

0,0015x2=0,003

166,1

Давление на плоскую поверхность, оказываемое стоя босиком, оказалось в 10 раз меньше, чем стоя в пуантах, так как площадь опоры босиком в 10 раз большое, чем на пуантах.

Я решил сравнить давление, которое оказывает мое тело, босиком и стоя на руках (вниз головой), причем пальцы рук находятся в двух положениях: плотно прижаты друг к другу и максимально разведены. Для этого я нашел площадь опоры, используя миллиметровую бумагу, s (1 маленькая клетка = 0,01 см2) (ладонь и стопа) (Приложение 6 Б) и перевел полученные значения в м2:

 

Масса тела, кг

Ускорение свободного падения, м/с²

Сила тяжести, H

Площадь поверхности, м2

Давление,

 кПа

Босиком

63,5

9,8

622,3

0,0176x2=0,0352

17,7

На руках (пальцы вместе)

0,0147х2=0,0294

21,2

На руках (пальцы врозь)

0,0224x2=0,0448

13,9

По результатам видно, что давление, оказываемое моим телом на ладони стоя вниз головой, если пальцы плотно прижаты друг к другу, большое, чем давление, стоя босиком, потому что площадь опоры стоп больше, чем площадь опоры ладоней. При этом, стойку на руках с плотно прижатыми друг к другу пальцами сделать очень сложно. Для лучшей устойчивости в стойке на руках я увеличил площадь опоры – ладони, максимально разведя пальцы рук. В таком положении стойку сделать легче и давление, оказываемое на пол, значительно уменьшилось.

2.4. Определение средней скорости движения

Средняя скорость движения рассчитывалась на дистанции 30 м с трех попыток. Для сравнения в эксперименте участвовала моя сестра (Приложение 7). Скорость нашел по формуле: , где S – расстояние, t- время прохождения дистанции

Рассчитав среднюю скорость при беге на дистанцию 30 м, получены результаты:

 

Расстояние, м

Время, с

Среднее время, с

Средняя скорость движения

м/с

км/ч

Софья

30

5,8

5,89

5

18

5,87

6,3

Владимир

4,43

5,14

5,84

21

5,25

5,73

Моя скорость движения и скорость моей сестры соответствует нормальной скорости движения человека при беге.

2.5. Определение работы по преодолению силы тяжести

Для определения работы по преодолению силы тяжести я выполнил прыжок вверх на месте.

Работа рассчитывалась по формуле:

A = mgh, где m- масса тела, g – ускорение свободного падения, h – высота прыжка.

 

Масса тела, кг

Ускорение свободного падения, м/с²

Высота прыжка, м

Работа, Дж

1

63,5

9,8

0,33

205,4

2

0,40

248,9

При неизменном значении массы тела совершенная работа во втором случае больше, чем в первом и зависит от высоты прыжка: чем выше прыжок, тем больше совершенная работа.

2.6. Определение силы рук при висе на перекладине

Повиснув на перекладине, можно почувствовать напряжение мышц рук (Приложение 8). Сила рук в данном случае будет составлять разницу между силой тяжести, действующей на тело, и выталкивающей силы, действующей на тело со стороны воздуха:

F = Fтяж – Fвыт, где Fтяж = mg, m – масса тела, g - ускорение свободного падения,

Fвыт = ρgV, ρ – плотность воздуха, V – объем тела.

В результате проведенных измерений и вычислений получены следующие значения:

 

Масса тела

m, кг

Ускорение свободного падения, g, м/с²

Сила тяжести Fтяж, Н

Плотность воздуха

ρ, кг/м3

Объем тела

V, м³

Выталкивающая сила

Fвыт, Н

Сила рук F, Н

Софья

56,5

9,8

553,7

1,29

0,0546

0,69

553,01

Владимир

63,5

622,3

1,29

0,0613

0,77

621,53

Таким образом, сила рук при висе на перекладине у меня составляет 621,53 Н, а у моей сестры – 553,01 Н, так как масса моего тела большое, массы тела сестры.

2.7. Определение емкости легких

Я занимаюсь плаванием, поэтому легкие у меня достаточно развиты. Для сравнения в эксперименте сестра снова принимала участие. Емкость легких мы определяли с помощью воздушных шариков.

Вдохнув воздух, мы максимально выдохнули его в шарик. Измерив обхват шарика, я вычислил его диаметр по формуле: , где l – длина окружности.

Тогда емкость легких будет равна емкости наполненного воздухом шарика (его объему), которая вычисляется по формуле: , где d – диаметр шарика.

Опыт повторялся пять раз и высчитывался средний показатель.

Получены результаты:

 

Обхват шарика l, м

Среднее значение обхвата шарика l, м

Средний диаметр шарика d, м

Объем V, м3

Софья

0,63

0,59

0,58

0,59

0,61

0,6

0,19

0,0036

Владимир

0,64

0,66

0,68

0,66

0,67

0,662

0,21

0,0048

Итак, средний объем моих легких равен 0,0048 м3 или 4,8 л, а у моей сестры – 0,0036 м3 или 3,6 л, объем моих легких на 1,2 л больше, чем у сестры, хотя она старше меня на два года.

Заключение

Организм человека – единая система.

На организм человека действует большое количество сил, как внешних, так и внутренних. Опорно-двигательная система выдерживает огромные нагрузки. Все виды деформаций можно пронаблюдать на человеке. Но самой очаровательной деформацией на его теле является улыбка. В процессе дыхания участвуют не только легкие, но и кожа. Центральным органом системы кровообращения является сердце.

Используя знания, полученные на уроках физики, я провел несколько опытов, ориентируясь на свои физические характеристики, и лучше узнал свой организм. Знания, полученные в ходе исследования, надеюсь, будут интересны не только мне. Проведенные опыты просты, но они доказывают, что и к человеку применимы законы физики.

Человеческий организм - сложная машина, которая может беспрерывно работать долгие годы, если к нему бережно относиться и вести здоровый образ жизни.

Литература

1.Енохович А. С. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990.

2.Перышкин А. В. Физика. 7 класс. – М.: Дрофа, 2017.

3.Перельман Я. И. Занимательная физика. В двух книгах. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.

4.Перельман Я. И. Физика на каждом шагу. – М.: АСТ: Астрель: Полиграфиздат, 2010.

5.Физика. Справочник школьника и студента/ под ред. проф. Рудольфа Гёбеля.- Москва, 2000.

6.http://www.medicinform.net/human/fisiology5_1.htm

7.http://znaiu.ru/art

8.https://fkis.ru/page/1/192.html

9.http://wiki.iteach.ru/index.php/=Загадочность_строения_человеческого_организма=

Приложения

Позвоночник. Деформация

Равновесие. Центр тяжести

 

Рычаги в теле человека

Кровеносная система

Дыхание. Состав воздуха

6. Определение давления, оказываемого на пол

А).

Б).

7. Определение скорости движения

8. Определение силы рук при висе на перекладине

Просмотров работы: 72