Загадка каменных конструкций

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

Личный портфель

Загадка каменных конструкций

Дедилов М.В. 1
1ОГБОУ "Лицей №9 г.Белгорода"
Пепенина Л.Г. 1
1ОГБОУ "Лицей №9 г.Белгорода"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

О днажды, прогуливаясь по Кисловодскому парку, мы наблюдали удивительное зрелище. Стоя в мелководной горной речке Ольховке, человек выбирал камни со дна и, устанавливая их один на другой, выстраивал разные конструкции.

Я был удивлен, каким образом камни удерживаются и не падают?

- Что влияет на их устойчивость?

- Могу ли я сам сделать такие конструкции?

Объектом исследованияявляется центр тяжести предметов.

Предмет исследования – условия сохраненияравновесия предметами.

Цель исследования: выяснить причину устойчивости предметов в неустойчивом положении.

Задачи:

  • Собрать и изучить информацию по теме исследования

  • Изучить понятия равновесие тел, центр тяжести тела.

  • Познакомиться с видами равновесия.

  • Экспериментальным путём научиться находить центр тяжести у различных предметов.

  • Рассмотреть практическое применение и учет равновесия тел в жизни человека.

  • Изготовить самому конструкцию, обладающую равновесием.

Гипотеза: Думаю, что причиной устойчивости предметов является способность сохранять равновесие

Методы исследования:

  • Изучение источников информации

  • Наблюдение

  • Беседа

  • Проведение эксперимента

  • Анализ полученных результатов

  1. Основная часть

2.1 Теоретические сведения

Из беседы с учителем физики Поленовой Юлией Евгеньевной, я узнал,

  • что, если тело в покое, значит, оно находится в состоянии равновесия.

  • Удержаться в равновесии – значит бросить вызов силе тяготения, найти для этого наилучшее решение.

  • Даже деревья растут по законам статики

  • Что в природе всё существует в равновесии, у всех предметов есть центр тяжести. Важно уметь находить его. В этом актуальность нашей работы.

В энциклопедическом словаре сказано:

ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ - точка, в которой сконцентрирован вес тела и вокруг которой его вес распределен и уравновешен.

Из «Большой книги экспериментов» я узнал, что центр тяжести человека расположен внизу живота. Вес ног составляет около половины веса его тела. По закону всемирного тяготения, сила тяжести устремляется вниз и может заставить человека упасть. Но, если он стоит ровно на двух ногах, то его центр тяжести находится между двумя точками опоры. В результате человек находится в равновесии.

Большинство тел покоится на опорах, в том числе и человек. Стоящий предмет (тело на опоре) не падает, если отвесная линия, проведенная из центра тяжести, не выходит за пределы его основания

Но стоит человеку наклониться в сторону, центр тяжести окажется в стороне от точек опоры и он потеряет равновесие и может упасть.

Попробуйте сесть на стул глубоко, к самой спинке, т.е. держа туловище отвесно и не пододвигая ног под сиденье стула. А теперь попробуйте встать, не меняя положения ног и не нагибая корпуса вперед.

Никаким усилием мускулов не удастся вам встать со стула, пока вы не пододвинете ног под сиденье или не подадитесь корпусом вперед. (приложение №1)

Существует три вида равновесия:

Б езразличное равновесие – центр тяжести на одном уровне.

Н еустойчивое равновесие – это такое равновесие, при котором если тело вывести из этого равновесия, то назад оно уже не вернется, а упадет или укатится прочь.

У стойчивое равновесие – это такое равновесие, что если из него тело немного отклонить, то оно назад вернется.

2.2.Экспериментальная часть

В журнале «Галилео» я прочел, что в зависимости от типа объекта центр тяжести может оставаться на одном месте, а может сдвигаться. Например, центр тяжести сваренного вкрутую яйца всегда остается в одном и том же месте, в то время как у сырого яйца он смещается.

Проведем эксперимент 1 по уравновешиванию твердого тела. Возьмем длинную линейку, отметим на ней точку равновесия. Затем утяжелим один из концов линейки и снова найдем положение равновесия. (приложение №2)

ВЫВОД: Чем тяжелее край линейки, тем ближе к утяжелению будет центр тяжести.

Этот вывод позволил мне решить задачу из инженерной олимпиады центра СНЕЙЛ.

Н а какую отметку (1-8) справа надо поставить груз указанного веса, чтобы рычаг уравновесился?

Вывод:груз одинакового веса будет находиться на рычаге симметрично. Если груз в 2 раза тяжелее, то он будет находиться в 2 раза ближе к центру рычага.

Нахождение центра тяжести плоских предметов

У каждого предмета есть центр тяжести. У предмета правильной формы (круг, квадрат, прямоугольник) центр тяжести будет находиться в центре. Попробуем определить центр тяжести у фигуры неправильной формы.

Точка пересечений линий укажет положение центра тяжести. Положим фигуру центром тяжести на острие карандаша, фигура будет держаться, она находится в равновесии.

Эксперимент 2: (приложение №3)

Попробую найти центр тяжести плоской фигуры

Мне потребуется:

1. Узкая лента с отвесом

2. Вертикальная поверхность

3. Карандаш

4. Линейка

5. Картон

6. Ножницы

Картонная фигурка стоит на острие карандаша и висит на бечевке горизонтально, не наклоняясь!

Это происходит потому, что фигура подвешена в точке центра масс, то есть в точке их равновесия.

Вывод: Фигура уравновешена в точке центра масс.

Определение центра России (приложение №4)

Попробую воспользоваться способом нахождения центра тяжести плоских фигур для определения центра России на карте.

М ой дедушка родом из Новосибирска. Он рассказал мне, что в центре города была сооружена православная часовня Святого Николая, которую торжественно объявили центром Российской империи еще в 1913 году. Но с этого времени территория России неоднократно изменялась. Поэтому в 1992г. Ученый Петр Бакут рассчитал по оригинальной формуле координаты центра России. Знак географического центра России установлен в Красноярском крае на территории Эвенкийского района, на юго-восточном берегу озера Виви.

Я скопировал из Интернета карту России с новыми территориями, распечатал на принтере и вырезал по контуру материковой части России. Затем применил способ определения центра тяжести плоских фигур и установил, что центр России действительно находится в Красноярском крае, но у меня получилось несколько южнее озера Виви. Поскольку мною учтены новые южные территории России, а северные острова, наоборот, не были учтены.

Таким образом, способ определения центра тяжести плоских фигур может быть использован для определения географического центра территорий.

Эксперименты с объемными телами (приложение №5)

А теперь пронаблюдаем, как ведут себя объемные тела при неустойчивом равновесии. Есть ли для них «рецепт» определения центра тяжести? Возможно, именно этим секретом пользовался мастер каменных конструкций?

В семье мы часто играем в игру под названием «Дженга». Она заключается в том, что необходимо вытаскивать из конструкции по одному элементу до тех пор, пока она не останется в своем самом крайнем равновесном состоянии.

Исход игры зависит от осторожности игроков, их терпения и тренированности. Равновесие сохраняется, пока центр тяжести конструкции находится над опорой.

По этой же причине всем известная падающая Пизанская башня до сих пор находится в устойчивом положении. Равновесие нарушится и башня упадет, когда отклонение ее вершины от вертикали достигнет 14 м. По-видимому, это произойдет очень нескоро.

Балансировка мячей

Удивительно, но мне удалось создать неустойчивую конструкцию из двух разных по размеру мячей. Просто пришлось проявить терпение и аккуратность.

А клювик птички-игрушки является центром тяжести относительно широких крыльев, что позволяет ей удержаться на любой поверхности!

Эксперимент с камешками

Отдыхая у моря, я привез домой много разных морских камешков. Из них я попробовал составить конструкции. Это было непросто. Удалось установить конструкции только из 4-х камней, стоящих друг на друге.

Учитель физики сказала, что действительно формулы для определения центра тяжести у объемных тел есть, но они очень сложные и мне пока недоступны для понимания. Да и для уравновешивания природных конструкций вряд кто-то станет делать сложные вычисления.

2.3. Выводы по экспериментам

  • Найти устойчивое положение объемных тел можно только путем проб и ошибок. Скорее, это приходит с опытом и постоянными многочасовыми тренировками. Также происходит у спортсменов и артистов цирка, даже животных, которыеудерживают шар на кончике своего носа.

  • Весь секрет заключается в том, чтобы точка опоры все время находилась под центром тяжести.

  • Вопросы равновесия интересуют строителей, машиностроителей, альпинистов, артистов цирка и многих-многих других.

3.Заключение

Балансировка камней – искусство поиска центра тяжести. Центр масс высоко, площадь опоры минимальна. Из телепередачи 1-го канала я узнал, что мастера балансировки камней в Кисловодске зовут Виталий Сапожников. Никакими расчетами и формулами он не пользуется, а только многочасовыми тренировками и интуицией, чувством центра тяжести камней. (приложение №6)

Интересно, что индонезиец, живущий в Сан-Франциско, по имени Билл Дан - мэтр балансировки с мировым признанием и стажем более чем 15 лет. Говорят, что этот гуру может собрать смастерить достаточно сложный каменный арт за 15 минут.

ВЫВОДЫ:

Моя гипотеза подтвердилась!

  • Предметы устойчивы, благодаря способности сохранять равновесие.

  • У каждого предмета есть свой центр масс, вокруг которого равномерно распределен вес данного предмета.

  • Чтобы предмет сохранял равновесие, его центр масс должен находиться над опорной поверхностью.

  • Чем выше тренированность, тем легче человек приспосабливает свои движения и положение тел к изменяющимся условиям.

  • В ходе исследования я узнал много интересного и могу поделиться этими открытиями с друзьями.

Источники информации:

  1. Балансировка камней. https://world-japan.livejournal.com/312891.html

  2. Большая книга экспериментов для школьников/Под ред. Антонеллы Мейяни; Пер. с ит. Э.И.Мотылевой. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2008

  3. Журнал «Галилео» №51, 2013г.

  4. Мир вокруг нас. Центр тяжести. https://www.youtube.com/watch

  5. Понятие центра тяжести https://www.yandex.ru/video/preview/

  6. Словари и энциклопедии на Академике https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/148617/

  7. Тит, Том.Т Научные забавы / Том Тит; пер. с фр. – М: Изд. дом Мещерякова, 2016

  8. Центр тяжести https://xn----7sbbzn3afjs.xn--p1ai/zolotoe-pravilo/11800-tsentr-tyazhesti

Приложения:

№ 1 наблюдение

№ 2 эксперимент по уравновешиванию твердого тела

№3 нахождение центра тяжести плоских фигур

№4 Определение центра России

№ 5 Конструкции из объемных тел

№6 Балансировка камней

Просмотров работы: 17