XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Архимедова сила и ее роль в жизни человека

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Янаков С.Я. 1

---

1Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 459 Пушкинского района Санкт-Петербурга

Мутаева Н.Д. 1

---

1Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 459 Пушкинского района Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

3.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы заключается в том, что Архимедова сила прочно вошла в жизнь человека и способы ее применения продолжают активно внедряться в разработки современных технических устройств. Но проблема в том, что не все понимают важность практического применения этой силы для пользы человечества. При изучении закона Архимеда на уроках физики в 7 классе, мы знакомимся только с небольшой областью применения выталкивающей силы (плавание судов и воздухоплавание) и теоретическое изучение силы не находит в нашем понимании широкого практического значения. Работа направлена на то, чтобы показать, что знание силы Архимеда и ее применение в различных ситуациях позволяет людям облегчить жизнь, тем самым мотивировать учащихся на глубокое изучение закона Архимеда. Было проведено анкетирование одноклассников и выяснено, что, к сожалению, малый процент опрошенных знает как, и в каких ситуациях используется знание закона Архимеда. И этот результат подтвердил правильность выбора темы проекта (Прилож.1). Продуктом проекта является иллюстрированная книга, где в доступной форме систематизированы по областям примеры применения силы Архимеда с кратким объяснением ее принципа действия.

Цель моего проекта: привлечь внимание обучающихся на практическое применение Архимедовой силы в различных областях жизнедеятельности человека.

Задачи:

1) Исследовать и проанализировать источники информации теоретического обоснования Архимедовой силы и ее применения;

2) Систематизировать информацию для создания текстового содержания книги;

3) Изыскать формы и методы для создания иллюстрированной книги;

4) Распечатать книгу.

Методы, используемые в работе: информационный поиск, анализ, синтез, моделирование, анкетирование, графический метод.

Область применения продукта: на уроках физики, биологии, ОБЖ и внеурочных занятиях в школах и колледжах.

Практическая значимость: иллюстрированная книга поможет мотивировать интерес обучающихся к закону Архимеда, к его значимости в нашей жизни, а также станет методическим помощником учителям при проведении занятий.

Новизна работы заключается в том, что в одной книге изложено множество примеров применения Архимедовой силы, в том числе в инновационных технологиях, не используемых в учебниках физики.

ГЛАВА 1. ЗАКОН АРХИМЕДА

1.1 Теоретическое обоснование закона Архимеда.

Закон греческого ученого Архимеда, жившего в III веке до нашей эры, один из главных законов гидростатики и статики газов. Открытие этого закона - крупнейшее завоевание античной науки. Легенда гласит, что свой закон ученый открыл, выполняя приказ царя Герона: определить, из чистого ли золота сделана корона? Закон Архимеда гласит: на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме погруженной части тела [5].

,

где ρ — плотность тела [кг/м³], V - объем погруженной части тела [м³], g - ускорение свободного падения [м/с ²]. Какова же причина возникновения выталкивающей силы? Она заключается в особенности существования давления внутри текучих субстанций. Такими субстанциями считаются газы и жидкости, поскольку любая минимальная сила, приложенная к ним, приводит к смещению в них одних слоев относительно других, то есть появляется течение [6]. Если жидкость находится в поле гравитационных сил (например, в поле земного тяготения), то верхние слои начинают своим весом давить на нижние. Оказываемое ими давление получило название гидростатического:

p= ρgh,

где ρ - плотность жидкости, h - расстояние от поверхности жидкости, то есть глубина [3]. С глубиной давление увеличивается. Это приводит к тому, что на

любое погруженное тело давление, оказываемое жидкостью на верхнюю часть тела, всегда будет меньше давления, которое приложено к его нижней части.

Разница между ними, умноженная на площадь воздействия, является выталкивающей силой:

F_А= (p₂ – p₁₎ S, где S-площадь поверхности.

Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться с поверхностью жидкости). Так, например, закон Архимеда нельзя применить к телу, которое герметично касается дна. Так же закон Архимеда не действует в космосе, так как там отсутствует гравитационное поле [7].

1.2 Условие плавания твердых тел в текучих субстанциях

Будет ли тонуть тело в жидкости, или же оно будет в ней плавать, это зависит от соотношения между двумя силами - силой тяжести и Архимедовой силой [3]. Возможны три случая: 1) Если сила тяжести больше Архимедовой силы, то тело опускается вниз, то есть тонет.2) Если модуль силы тяжести равен модулю Архимедовой силы, то тело может находиться в равновесии внутри жидкости на любой глубине, то есть тело плавает.3) Если Архимедова сила больше силы тяжести, то тело будет подниматься из жидкости – всплывать.

Можно рассчитать, как поведёт себя тело в определённой жидкости или газе. При условии плавания полностью груженного тела массой m:

mg = ρ_жgV,

так как m= ρ_тV, то приходим к следующему равенству:

ρ _тVg = ρ _жgV

Отсюда следует, если плотности тела и жидкости или газа равны -тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа. Тело будет всегда находиться на поверхности текучей субстанции, если его плотность ниже, чем плотность жидкости. При обратном соотношении между этими плотностями тело будет тонуть.

1.3 Практическое применение силы Архимеда

Военная техника. В военной технике существует способ эвакуации ракеты-носителя с корабля в воду (Прилож.2). Чтобы платформа 4 с ракетой 1, разогнавшись, не ударилась об упор в нижнем погружаемом положении с недопустимой

для прочности ракеты перегрузкой, скорость погружения регулируют силой Архимеда путем изменения плавучести платформы, которая имеет балластную емкость с системой продувки и дренажа. Объем емкости подобран таким образом, что сила Архимеда становится равной весу платформы с ракетой до погружения платформы в крайнее нижнее положение. При выравнивании силы Архимеда и веса платформы с ракетой открывают дренажный клапан, воздух из емкости стравливается, и платформа продолжает погружение до упора в нижнем положении. Скорость погружения регулируют изменением плавучести платформы [8].

Безопасность. Знания о существовании выталкивающей силы могут помочь человеку в экстремальных ситуациях. Например, способность бутылки плавать издавна использовали мореплаватели для передачи посланий о крушениях на землю. В пустую бутылку вкладывали свиток с текстом, бутылку закупоривали и бросали за борт. Стекло с плотностью 2600 кг/м³ тонет в воде, а закупоренная стеклянная бутылка плавает, потому что весь объем закрытой бутылки занимает воздух с небольшой плотностью. Это был один из способов передачи информации о нахождении людей. Знания закона Архимеда помогают людям и во время пожара. Во время пожара необходимо как можно ниже наклониться к полу, так как плотность угарного газа меньше плотности воздуха и его концентрация будет больше в верхней части комнаты. Точно также нужно вести себя, если произошла утечка газа в квартире. А вот если человек оказался в аварийной ситуации при утечке хлора, то все действия, наоборот, так как плотность хлора намного больше плотности воздуха. При тушении горящего бензина, керосина, нефти нельзя пользоваться водой. Эти нефтепродукты всегда будут находиться на поверхности воды, так как они легче воды.

Плавание судов. Без мореплавания было бы невозможно существование современной цивилизации. С помощью мореплавания, начиная с XV века были открыты новые земли. Благодаря судоходству ведутся научные открытия, рыболовство, торговля. Ключевым моментом в проектировании кораблей выступает закон Архимеда. До открытия закона, методом проб и ошибок, строители кораблей для каждого нового судна подбирали оптимальные параметры. Но когда судостроителям был изложен закон Архимеда, плавание тел превратилось из практики в науку. Тяжело гружёный корабль, корпус которого сделан из металла, не тонет. Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Закон Архимеда объяснял и перегруз корабля. Вес корабля с максимально взятым грузом называется водоизмещением. Глубину погружения судна моряки называют осадкой. На судне проводится красная линия, которую называют ватерлинией, ниже ее корабль оседать не должен, иначе корабль может затонуть. Искусно используют закон Архимеда и подводники. Конструкция лодки двухкорпусная: внутренний и внешний корпусы (Прилож.3). Внутренний корпус предназначен для технических устройств, оборудования, людей. Между внешним и внутренним корпусами находятся балластные цистерны. Когда лодке требуется погружение, открываются кингстоны – отверстия, через которые забортная вода поступает между внутренним и внешним отсеками, заполняя балластные цистерны. Сила тяжести возрастает и становится больше Архимедовой. Лодка погружается. Чтобы прекратить погружение или всплыть, цистерны под большим давлением продуваются компрессорами, вода вытесняется в океан, ее место занимает воздух, сила тяжести уменьшается [11].

Подъем затонувших кораблей. К сожалению, корабли могут затонуть. Вновь приходит на помощь закон Архимеда. Как мы знаем, на тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу. Со спасательного судна на прочных стропах опускают полые цилиндры большого объема. Чтобы они затонули, их заполняют водой. Водолазы закрепляют эти цилиндры на корпусе корабля. Сжатым воздухом под большим давлением, подаваемым по шлангам, вода из цилиндров вытесняется, заменяется воздухом. Вес цилиндров резко уменьшается. Они начинают выталкиваться из воды и вместе с кораблем всплывают на поверхность (Прилож.4).

Возрождение дирижаблей. Человек издавна мечтал освоить воздушный океан. Мечта стала явью благодаря открытой Архимедом силе, действующей в газах. Разница между Архимедовой силой и силой тяжести является подъемной силой. В аэростатах - воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом, чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. Если к гондоле шара пристроить двигатель, то получится управляемый человеком аэростат, называемый дирижаблем. Иногда на гондолу (устройство, где находятся люди и приборы для работы) крепится дополнительный груз. Сбрасывая балласт, можно подниматься выше. Аэростаты, поднимающиеся до стратосферы, называют стратостатами. Дирижабли были основным видом воздушного транспорта впервой половине XX века. Первая мировая война превратила их в поистине страшное оружие. Во время Великой Отечественной войны аэростаты наблюдения вели артиллерийскую разведку, использовались в системе ПВО городов и промышленных объектов. С течением времени их стали вытеснять самолёты. Но сейчас идет возрождение дирижаблей. Сфера их применения расширилась: это может быть аэрофотосъёмка, мониторинг с воздуха, обеспечение безопасности на мероприятиях. Аэростаты, к примеру, охраняли воздушное пространство на Олимпийских играх в Сочи. Могут они применяться и для оперативного определения лесных пожаров. Американская компания JP Aerosapce разрабатывает стратосферный дирижабль Ascender, предназначенный для запуска космических ракет-носителей, с высоты порядка 50- 60 километров. Также дирижабли и аэростаты сейчас используют как средство обеспечения зенитно-ракетных комплексов (ЗРК) с возможностью поражения низколетящих целей на большом удалении, без привлечения самолётов военно-воздушных сил (ВВС). Отдельным направлением развития дирижаблей может стать создание дирижаблей-носителей БПЛА для применения в локальных конфликтах против противника, не оснащённого современными средствами ПВО [10].

Подводный мир. Используя закон гидростатики, человек все глубже познает условия жизни в водной среде. Плотность живых организмов, населяющих водную среду, очень мало отличается от плотности воды. Благодаря этому водные животные не нуждаются в столь массивных скелетах, как наземные. Например, средняя плотность тела рыб, медуз близки к плотности воды, их вес уравновешивается выталкивающей силой по закону Архимеда. Интересна роль плавательного пузыря у рыб. Это часть тела рыбы, которая позволяет им оставаться на определенной глубине. Работая плавниками, рыба может подниматься ниже или выше уровня этой глубины, при этом сжимается или расширяется пузырь [4]. Кит дышит лёгкими и регулирует глубину своего погружения за счёт уменьшения и увеличения объёма лёгких. Важным фактором в жизни водоплавающих птиц является наличие толстого слоя перьев и пуха, не пропускающего воды, в котором содержится значительное количество воздуха. Благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему все тело птицы, ее средняя плотность оказывается очень малой. Паук-серебрянка устраивает свое жилище - подводный колокол - из крепкой паутины. Сюда паук приносит с поверхности пузырьки воздуха, задерживающиеся между тонкими волосками брюшка. В колоколе он собирает запас воздуха, благодаря этому паук может долго находиться под водой. А воздушная оболочка помогает ему вернуться на поверхность. Когда водное растение чилим отцветает, под водой начинают образовываться тяжелые плоды. Они могли бы потопить растение, но как раз в это время на черешках листьев образуются вздутия — своего рода «спасательные пояса». Тем самым увеличивается объем подводной части растений, возрастает выталкивающая сила [2].

Добывающая промышленность. Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике бурения. Буровая колонна для бурения глубоких скважин уже на глубине 5 км в воздухе имела бы вес 226 тонн. Однако, в промывочной жидкости плотностью 2 г/см³, в соответствии с законом Архимеда, вес буровой колонны будет сильно уменьшен. Алюминиевые трубы «теряют» в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочной жидкости можно намного уменьшить вес буровой колонны. Это в огромной степени способствует успеху бурения [10].

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ КНИГИ

2.1 Практическое применение Архимедовой силы в быту

Вряд ли вы задумывались над тем, как выталкивающую силу используете в быту. В книге приведены примеры из личного опыта (Прилож.5). Рыболовные снасти (поплавок и грузило) подчиняются закону Архимеда. На леску надевается поплавок. Он удерживает крючок с насадкой на нужной глубине. Поплавок делают из пластмассы или пенополистирола и обычно полым внутри. Именно поэтому поплавок (плотность воздуха1,29 кг/м³) плавает на воде (плотность воды 1000 кг/м³). При вертикальном погружении и клеве изменяется надводная часть поплавка, тем самым мы замечаем, что рыба клюнула. Грузило, наоборот, должно затонуть и опустить крючки на глубину, где плавает рыба, поэтому его делают из металла, обычно свинца (плотность свинца 11 300 кг/м³).

Как определить свежесть куриного яйца? Применим следующий способ. Опустим яйцо в стакан с водой. Через мелкие поры в тонкой скорлупе часть жидкости сырого яйца испаряется, замещаясь воздухом. Плотность такого яйца уменьшается, следовательно Архимедова сила увеличивается. Замечаем, свежее, более плотное яйцо, в чистой воде тонет, несвежее – всплывет.

Для того чтобы человек не утонул в воде, ему необходимо при помощи усилий рук и ног развить небольшую мощность, чтобы скомпенсировать силу тяжести в полном объеме. В этом и будет умение управлять своим телом. При плавании мы можем заметить, что при выдохе глубже погружаемся в воду, а при глубоком вдохе- всплываем. Следовательно, при вдохе сила Архимеда увеличивается и почти полностью компенсирует действие силы тяжести. Это связано с тем, что при вдохе наши легкие расширятся и заполняются воздухом, следовательно средняя плотность тела уменьшается и Архимедова сила увеличивается. При плавании можно заметить:1) если стараться барахтаться и пытаться выскочить из воды, Архимедова сила уменьшается, и тело погружается в воду; 2) если вытянутся вдоль поверхности воды и расслабиться, то можно удерживаться на воде без движения; 3) если сгруппироваться, опустившись на дно —вы обязательно всплывете.

С помощью прибора «ареометр» в домашних условиях можно проверить, не разбавлено ли водой молоко. Ареометр погружается в жидкость до тех пор, пока вес вытесненной жидкости не уравняется с его весом. Он плавает вертикально, потому что его стеклянная колба нагружена свинцовой дробью. В жидкостях с различной плотностью ареометр плавает на разных уровнях. На шкале определяется плотность в г/cм³[1].

Чтобы продлить срок службы аккумулятора машины, мы проверяем его кислотность. Для этого есть ареометр, позволяющий замерять уровень закисленности электролита. Электролит— это смесь кислоты и воды. Патрубок ареометра опускаем в жидкость, зажимаем грушу, при этом давление внутри сосуда уменьшается. Когда грушу отпускаем, атмосферное давление заставляет кислоту подняться в сосуд, снимаем показание прибора. Показания ареометра для электролита должны находиться в пределах1.26-1.28г/cм³.Показания нашего ареометра оказались равными1,26 г/cм³. Значит, с нашим аккумулятором все в порядке.

2.2 Разработка макета книги

Для разработки макета книги использована сайт типографий [12]. Книга определяется как вид документа, который характеризуется тем, что содержит информацию и информирует пользователя о чем-либо. Основная функция создаваемой книги –передать информацию пользователям, мотивировать учащихся на изучение Архимедовой силы. Содержание книги должно быть понятным, доступным и снабженной картинками и формулами. Для создания текста книги весь материал был систематизирован по областям применения силы, как изложено в предыдущей главе. Такая систематизация поможет легче усвоить материал. Книга, согласно правилам оформления, состоит из следующих разделов: оглавление, предисловие, основная часть, список использованной литературы. Подобран эпиграф, содержащий себе проблемный вопрос, который должен мотивировать обучающихся на прочтение книги.

2.2. Подготовка книги к печати

Как правило, подготовка книги к печати включает в себя создание и правильное оформление следующих элементов макета: разнообразных по шрифтовому форматированию текстовых блоков, тем, определений, формул, иллюстраций. Немаловажную роль играет выбор шрифта. Поскольку информация не всегда легка для восприятия, шрифты должны быть четкими и крупными, так будет легче усваивать и запоминать материал. Оптимальным считается 9-16-ый кегль в Times New Roman [12]. Шрифт был выбран 16 кегель. Книга иллюстрирована, так как картинки помогают легкому восприятию материала. Все иллюстрации должны быть четкими, понятными и правильно оформлены. Для создания книги можно было использовать две программы: фотошоп и «Power Point». Предпочтение было отдано программе «Power Point» –она более простая, интуитивно понятная и рассчитана на людей без навыков в дизайне. Картинки для иллюстрации взяты с бесплатных фотостоков. Издательства предлагают как цифровую печать, так и офсетную. Офсетный вид печати – достаточно трудоемкий процесс, на который затрачивается много сил и времени. Сначала страницы из макета книги размещаются на специальном печатном листе и для каждого печатного листа создается отдельный печатный штамп. Технология же цифровой печати очень проста по сравнению с офсетной, быстро выполнима и напоминает обычную печать документов на принтере, только в типографиях используются принтеры специальные. Выбор был остановлен на цифровой печати. В «Фотосфере» есть готовые программы создания фотокниг. Дизайн книги был создан самостоятельно, далее заказана фотопечать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В повседневной жизни мы часто встречаем явления, которые подчиняются определенным законам физики, с помощью которых можно создать много благ для человечества. Одним из таких законов является закон Архимеда. Люди применяли выталкивающую силу с давних времен и она помогла человечеству построит цивилизованный мир. Но применение этой силы продолжается в новых аспектах в современной технологии: как в мирных, так и военных целях. Использование Архимедовой силы позволяет человечеству понять поведение жителей подводного мира, конструировать суда, создавать летательные аппараты, уметь поднимать со дна затонувшие корабли.

Результатом проекта является книга, которую можно использовать на уроках физики и дополнительных занятиях в школах, колледжах и так же, как книгу для чтения широкого кругу читателей (Прилож.6). В книге акцентировано внимание на современные технологии применения силы в современном мире и в будущем. Книга поможет вызвать интерес к закону Архимеда, его значимости в нашей жизни, покажет, как теоретические знания можно применять на практике.

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Боднер В. А., Алферов А. В. Измерительные приборы,1том. – М.: Издательство стандартов, 2001

2. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике.-М.: Просвещение, 1986,c.180

3. Перышкин А.В. Физика.7 кл. – М.: Дрофа. 2017.-с151

4. Перельман Я. И. Занимательная физика. - книга 2. - Екатеринбург.: Тезис, 1994. С.127. .

5.https://ru.wikipedia.org/wiki./-Википедия.

6. https://www.navolne.life/post/arhimedova-sila-prichina-vozniknoveniya / -На волне. Архимедова сила.

7. https://externat.foxford.ru/polezno-znat/wiki-fizika-sila-arhimeda. /-Образовательная платформа «Фоксфорд».

8. https://findpatent.ru/patent/ Способ эвакуации ракеты.

9. https://uspet-vse.ru/ -Устройство подводной лодки.

10.https://topwar.ru/157696-vozrozhdenie-dirizhablej.-Эл. Журнал. Военное обозрение ,2019.

11. https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2021/03/10/zakon-arhimeda/- Образовательная социальная сеть

12. https://www.triumph.ru/oformlenie-knig.html/- Триумф.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

АНКЕТИРОВАНИЕ

1.От чего зависит Архимедова сила?

2.При каких условиях тело плавает, тонет, всплывает?

3.Приведите примеры применения Архимедовой силы в технике?

4.Применяли вы силу Архимеда в быту?

Гистограмма-Количество верных и неверных ответов

(анкету прошли 25 обучающихся «9Б» класса)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

СПОСОБ ЭВАКУАЦИИ РАКЕТЫ НА ВОДУ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

УСТРОЙСТВО ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИМЕНЕНИЕ АРХИМЕДОВОЙ СИЛЫ В БЫТУ

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

КНИГА

Паспорт проекта