XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение

Характерной приметой нашего времени является взаимопроникновение отдельных наук. Физика оказала огромное влияние на ряд смежных наук и производство. Произошла научно-техническая революция.

Тема работы выбрана мной не случайно. Однажды, бродя по просторам Интернета, я прочитала статью о биофизике. Эта информация очень заинтересовала меня. К тому времени я уже знала, что все естественные науки используют законы физики. Я задумалась: "А насколько физические факторы влияют на живые организмы?". Захотелось углубить свои знания о связи физики и биологии и объяснить её другим.

Актуальность темы: полученные биофизические сведения за счёт собственных наблюдений за представителем животного мира являются перспективным материалом.

Была поставлена следующая цель - показать единство законов природы, применяемость законов физики и к живым организмам.

Объект исследования: кошка Боня британской породы.

Предмет исследования: биомеханические процессы в организме кошки.

Из цели вытекают следующие задачи:

1. Собрать теоретический материал о биофизике.

2. Изучить справочную литературу.

3. Рассмотреть жизнедеятельность кота, используя физические закономерности и аналогии.

4. Провести опыты, которые будут подтверждать теории.

Гипотеза: благодаря исследованиям видов механического движения и характеристики кошки, можно выяснить, какие законы физики проявляются в ее жизни.

Этапы исследовательской работы

1. Сбор информации, изучение литературы по теме

2. Исследование механических характеристик кошки

3. Анкетирование школьников

4. Обработка материала

5. Выбор дизайна, оформление работы и презентации

6. Защита

Практическая значимость исследовательской работы заключается в том, что углубление в биофизику полезно и интересно. Также это познавательно, ведь в данном случае мы исследуем, какие физические законы объясняют процессы, протекающие в организме кошки.

Для реализации проекта была изучена сопутствующая литература, материалы сети Интернет, проведены консультации с учителями физики и биологии и разнообразные опыты, а так же были получены расчеты.

1. Научные и исторические факты

Физика - основа техники; с другой стороны, физика широко применяется для исследований в биологии и помогает понять особенности строения жизнедеятельности биологических объектов.

Биофизика - наука, изучающая действие физических факторов на живые организмы.

Целый ряд биофизических сведений мы получаем на уроках природоведения, биологии, географии, за счет собственных наблюдение за растительным и животным миром. Так изучение строения тела крота помогло инженерам создать землеройную машину, а наблюдения за дельфинами и рыбами помогают совершенствовать подводные лодки. Известны классические наблюдения Леонардо да Винчи за полетом птиц и строением их крыльев и использование этих идей современными инженерами при конструировании самолетов и ракет. Полетом птиц интересовался и Н. Е. Жуковский, разработавший основы аэродинамики.

Все знают, что стрекоза способна зависать в воздухе, передвигаться в боковом направлении или резко подаваться назад. Причем все маневры она проделывает на большой скорости. Однако мало кому известно, что подъемная сила стрекозы втрое больше, чем у современного самолета. Используя особенности аэродинамики стрекозы, ученые полагают, что можно значительно повысить эффективность и безопасность летательных аппаратов. Самолеты, разработанные с учетом способностей стрекоз, смогут совершать более крутые развороты и будут менее восприимчивы к порывам ветра, которые, к сожалению, еще бывают причиной аварий.

При изучении тканей животных, Л. Михаэлис открыл, что окислительно-восстановительные процессы в них идут с образованием и участием свободнорадикальных форм дыхательных ферментов. Этот тезис формулируется как открытие одноэлектронного переноса в электротранспортных цепях дыхательных ферментов. Открытие Михаэлиса послужило началом изучения новой области биофизики и биохимии, свободнорадикальных регулируемых и регуляторных ферментативных процессов.

Физика - ключ к пониманию явлений неживой и живой природы.

2. Общие сведения

Тела кошек являются гибкими, а их зубы могут приспособиться к охоте на мелких животных, таких как крысы и мыши.

Кошки спят в течение тринадцати – четырнадцати часов в день, что составляет в среднем около 30% суток, для экономии энергии. Они могут издавать около ста различных звуков.

Самая тяжелая домашняя кошка весит 21,297 кг. Обычный вес домашней кошки – от 4 кг до 5 кг.

Ночью кошки видят в шесть раз лучше людей. Их зрение может различить даже неяркий свет, абсолютно невидимый людьми. У большинства кошек нет ресниц.

Кошка не в состоянии видеть непосредственно под носом, поэтому кажется, что они не могут найти кусочки на полу. Обоняние кошек в четырнадцать раз сильнее, чем у людей.

Дикие кошки, как правило, рассматриваются как вредители, а также как угроза для домашних животных.

Описание кошки

 

Имя: Боня

Возраст: 7 лет

Окрас: серо-голубой

Порода: британская короткошерстная

Масса: 2,7 кг

Вес: 27 Н

Рост на четырех лапах: 26 см

Рост на двух лапах: 33 см

Длина тела: 65 см (от кончика хвоста до носа)

Цвет глаз: янтарный

Любимая еда: кошачий корм с курицей и рыбой, молоко

Любимое занятие: бегать на улице, лежать на подоконнике, играть с игрушками

Привычки: путаться под ногами, шипение, массаж передними лапками, любовь к домашним растениям.

(Рис.1-4)

3. Механика в жизни кошки

Средняя скорость передвижения Бони

При беге кошка может развивать скорость до 50 км/ч ≈ 14 м/с. При помощи рулетки я замерила дистанцию, а с помощью секундомера измерила время движения. (Рис.6)

Проделав данные вычисления, можно сравнить среднюю скорость Бони с максимальной скоростью кошек. Средняя скорость Бони составляет 23% от максимально возможной скорости кошки.

Сила тяжести. Вес Бони

Галилео Галилей писал: «Кто не знает, что лошадь, упав с высоты трех-четырех локтей, ломает себе ноги, тогда как собака при этом не страдает, а кошка остается невредимой, будучи брошена с восьми - десяти локтей, точно так же как сверчок, упавший с верхушки башни, или муравей, упавший на землю хотя бы из лунной сферы».

Почему насекомые, падая на землю с большой высоты, остаются невредимыми, а крупные животные гибнут?

Прочность костей и тканей животного пропорциональна площади их сечения. Сила трения о воздух при падении также пропорциональна этой площади. Масса же животного (и его вес) пропорциональна его объему. С уменьшением размеров тела его объем убывает значительно быстрее, чем поверхность. Таким образом, при уменьшении размеров падающего животного увеличивается сила торможения его о воздух (на единицу массы) по сравнению с силой торможения более крупного животного. С другой стороны для более мелкого животного возрастают прочность костей и сила мышц (также на единицу массы).

Сравнивать прочность костей лошади и кошки при их падении не совсем верно, так как у них разное строение тела, в частности различны амортизирующие приспособления, смягчающие толчки при ударах. Более правильно было бы сравнить тигра, рысь и кошку. Самой "прочной" среди них оказалась бы кошка.

Средняя плотность тела Бони

Чтобы определить объем кошки, я подобрала коробку, в которой Боня полностью умешается. Измерила длину, ширину и высоту коробки, тем самым высчитав ее объем.

V= V коробки

V =2500 = 0,0025  

Сравнивая плотность кошки с плотностью человека и воды, можно заметить, что плотность человека равна плотности воды, так как человек в основном состоит из воды, а плотность кошки незначительно больше.

Сила трения

Известно, что жидкости, применяющиеся для уменьшения трения (масло, дёготь и т.д.), всегда обладают значительной вязкостью. Также и в организме кошек, жидкости, служащие для уменьшения трения, в то же время очень вязкие.

Кровь более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением. Малое трение в суставах объясняется их гладкой поверхностью, наличием синовиальной жидкости, играющей роль своеобразной смазки. Такую же роль при проглатывании пищи играет слюна.

Трение мышц и сухожилий о кость уменьшается благодаря выделению специальной жидкости сумками, в которых они расположены.

Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Важным условием перемещения является надежное сцепление между движущимся телом и опорой. Сцепление достигается за счёт когтей, шерсти и бугорков. Необходимо значительное трение и для лап кошек. Мягкая поверхность лап и бугорки способствует сцеплению с шероховатостями предметов. Шерсть кота расположена наклонно к поверхности, благодаря которой трение получается малым при движении в одном направлении и большим - при движении в противоположном направлении.

Давление, производимое Боней на опору

Зная массу и площадь лапки Бони, я вычислила, какое давление производится при ходьбе, и какое, стоя на месте.

Площадь опоры лапы я определила следующим образом: поставила лапу Бони на лист клетчатой бумаге и обвела контур той части, на которую опирается лапа. Сосчитала число полных квадратиков, попавших внутрь контура, и прибавила к нему половину числа неполных квадратиков, через которые прошла линия контура. Полученное число умножила на площадь одного квадратика, она равна и нашла площадь лапки. (Рис.7)

= 0,0012 м²

= 0,0048 м²

P = 5625 Па - на 4х лапах

P = 11250 Па - на 2х лапах

Давление, производимое кошкой на опору, отличается, так как давление зависит от площади поверхности. Чем меньше площадь опоры, тем большее давление будет оказывать кошка на нее. Значит, меньшее давление будет в положении лежа, большее – в положении стоя.

А за счёт атмосферного давления работают органы. Мышечным усилением (сокращением мышц языка, неба и др.) создается отрицательное давление (разрежение) в ротовой полости, и атмосферное давление вталкивает туда порцию пищи.

Влияние атмосферного давления сказывается при ходьбе по вязкой почве (засасывающее действие болота). При поднятии лапы под ней образуется разреженное пространство; избыток внешнего давления препятствует поднятию ноги.

Простые механизмы

В скелете Бони все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Рычагами являются подвижные когти, конечности, череп. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при проигрыше в силе. Короткие лапы моей кошки будут способствовать развитию больших сил при малой скорости. А короткие челюсти Бони смыкаются медленно, но сильно держат (жевательная мышца прикреплена очень близко к клыкам, и сила мышц передается на клыки почти без ослабления).

Гибкость хвоста обусловлена сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг.

А кости и зубы по форме напоминают клин (видоизмененная наклонная плоскость). Они имеют очень гладкие твердые поверхности (минимум трения), чем и достигается их большая острота.

Мощность

Рассчитаем, какую мощность может развить кошка при прыжке в высоту (Рис.5):

Рассчитаем, какую мощность развивает кошка за 1 минуту, если затраченная ею работа будет равна энергетической ценности корма (Рис.8):

Энергетическая ценность корма на 100 г = 340 ккал,

На 85 г = 289 ккал

289 ккал = 1020 кДж

17000Вт= 17 кВт

Считается, что человек при нормальных условиях работы может развивать мощность около 70-80 Вт. По данным вычислениям можно сделать вывод о том, что мощность кошки гораздо больше мощности человека.

Энергия

По закону сохранения механической энергии:

скорость в начале прыжка

4. Анкетирование учащихся

Было проведено анкетирование среди учащихся 7-9 классов МОУ СОШ №1 г. Белинского Пензенской области им. В. Г. Белинского. Было опрошено 60 человек.

По результатам анкетирования можно сделать вывод о том, что 65% учащихся интересуется физикой и знает, в каких сферах нашей жизни она участвует. Надеюсь, что эта исследовательская работа привлечет внимание участников к дальнейшему углубленному изучению этого предмета. (Приложение 2)

Заключение

Работа посвящена изучению биомеханики кошки. Я выяснила, как законы механики проявляются в жизни моей кошки. Этим и объясняется новизна моей работы.

Практически исследованы механические характеристики кошки Бони (масса, объём, плотность тела кошки, давление кошки на опору, средняя скорость, механическая работа и мощность кошки, развиваемая при прыжке). На основании экспериментов сделаны выводы.

Выбранная мной тема оказалась очень увлекательной. Хотелось бы продолжить исследования кошки. Особый интерес представляет способность кошек видеть в темноте, слышать звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, электризация кота, оказывающая лечебное и успокаивающее действие, приземление кошек на четыре лапы при падении. В дальнейшем хотелось бы найти ответы на волнующие вопросы.

Написав эту работу, я расширила и углубила свои знания. Использовала различные источники информации: чтение литературы, консультирование учителя, Интернет. Работу можно использовать на уроках физики, биологии, окружающего мира в начальной школе, внеурочной деятельности.

Цель работы, которая была поставлена, достигнута, задачи выполнены.

Список использованной литературы

http://class-fizika.narod.ru/vu7.htm

http://experiment.edu.ru

http://fcior.edu.ru/catalog/osnovnoe_obshee

http://www.fizika.ru

http://www.icb.psn.ru/

http://www.maik.ru/ru/journal/biofiz/

http://www.physics.ru

https://obuchalka.org/20191207116108/kvantovaya-biofizika-jivotnih-i-cheloveka-juravlev-a-i-2015.

zakony-i-kategorii-v-fizike-zhivogo-organizma

Антошина, Л.Г. Общая физика: Сборник задач: Учебное пособие / Л.Г. Антошина, С.В. Павлов, Л.А. Скипетрова; Под ред. Б.А. Струкова. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2016.-336 c.

Безденежный З.А., Овчинников Ю.Д., Пигида К.С. БИОМЕХАНИКА СПОРТИВНОЙ БОРЬБЫ В УЧЕБНО-ТРЕНИРОВОЧНОМ ПРОЦЕССЕ ВАЖНЫЙ ФАКТОР РАЗВИТИЯ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ БИОМЕХАНИКИ // The Scientific Heritage. 2021. №59-3.

Бурьян Ю. А., Чернявская Д. Д, Чернявский Д. И. Закон сохранения энергии при центральном ударе двух тел // ОНВ. 2016. №2 (146). https://cyberleninka.ru/article/n/zakon-sohraneniya-energii-pri-tsentralnom-udare-dvuh-tel

Гартман, З. Занимательная физика, или Физика во время прогулки / З. Гартман. - М.: ЛИБРОКОМ, 2017. - 120 c.

Журавлев А. И. Квантовая биофизика животных и человека

Курс общей физики, т.т. 1-2. Механика / под ред. Гершензон.- М.: Академия, 2018. - 123 с.

Орлов О. Ю. Биофизика и биоинформатика // Известия ЮФУ. Технические науки. 2000. №2.

Свириденок А.И., Белоенко Е.Д. БИОМЕХАНИКА И БИОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ // Журнал ГрГМУ. 2005. №4 (12).

Хайкин С.Э. Физические основы механики. - М.: Наука, 2003.

Шевченко Е. В., Коржуев А. В. Диалектические законы и категории в физике живого организма // Сиб. мед. журн. (Иркутск). 2005. №6.

Приложение

Рис.1. Боня

Рис.2. Боня

Рис.3. Боня

Рис.4. Паспорта для животных

Рис.5. Кошка в прыжке

Рис.6. Кошка в беге

Рис.7.Как рассчитать площадь лапки

Рис.8. Кошачий корм для определения мощности

Приложение №2

https://forms.yandex.ru/cloud/63cfbc776938721af4dc1148/

Ссылка на анкету

Текст анкеты

Здравствуй, дорогой участник. Сейчас у тебя появилась возможность поучаствовать в анкетировании по твоим знаниям физики. Далее ты можешь ознакомиться с вопросами, на них можно отвечать кратко, но можно и подробно, если тебе этого захочется. Спасибо, что принял участие в моей анкете.

Вопрос №1. Нравится ли тебе изучать физику?

Вопрос №2. Сколько лет ты изучаешь физику?

Вопрос №3. Планируешь ли ты дальнейшее изучение этого предмета?

Вопрос №4. Как ты думаешь, нужна ли физика в реальной жизни?

Вопрос №5. Как ты считаешь, играет ли физика какую-либо роль в жизни живых организмов?

Вопрос №6. Знаешь ли ты ученых-физиков, например Ньютона, Галилио и т.д.

Вопрос №7. Можешь ли ты назвать еще несколько известных ученых в области физики?

Вопрос №8. Попадал ли ты в неприятные бытовые ситуации?

Вопрос №9. Могли ли тебе помочь знания по физике избежать трудных ситуаций?

Вопрос №10. Знаешь ли ты, что многие физические открытия были сделаны только благодаря наблюдениям и исследованиям животных?

Вопрос №11. Можешь ли ты назвать каких-нибудь из них?