Почему скользят коньки?

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

Почему скользят коньки?

Романцева Н.А. 1Червакова А.В. 1
1Муниципальное общеобразовательное учреждение Сосново-Борская средняя общеобразовательная школа
Перминова С.А. 1
1Муниципальное общеобразовательное учреждение Сосново-Борская средняя общеобразовательная школа
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Паспорт исследовательской работы

Компоненты паспорта

Описание исследования

1.

ФИ участников

Червакова Анастасия Вячеславовна,

Романцева Нина Андреевна.

2.

Название:

«Тайны льда или почему скользят коньки?»

3.

Актуальность исследования

Для спортсменов в фигурном катании, важно плавное скольжение для правильного выполнения определенных фигур, а для обычных людей, важно знать, как обезопасить себя в зимнее время на дорогах, где скользкая поверхность.

4

Проблема

От чего зависит скольжение на льду.

5

Гипотеза

Мы предполагаем, что коньки скользят по льду потому, что он очень гладкий.

6

Объект исследования

Процесс скольжения по льду

7

Предмет исследования

Лед и его свойства.

8

Цель

Выяснить, от чего зависит скольжение коньков по льду и как оно происходит.

9

Задачи

  1. 1. Узнать историю возникновения коньков, типы коньков и лезвий.

  2. 2. Выяснить свойства льда.

  3. 3. Найти научное объяснение явлению скольжения.

  4. 4. Подготовить практические советы одноклассникам по поведению в гололед.

10

Методы

Поиск информации, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ и интерпретация результатов.

11

Тип проекта

Исследовательский

Краткосрочный

12

Этапы реализации

Организационный (постановка цели, планирование)

Исследовательский (проведение исследования, фиксация результатов)

Заключительный (подведение итогов, выводы)

13

Практический выход

Памятка «Советы безопасности»

Введение.

Мы очень любим кататься на коньках, занятие этим видом спорта способствует закаливанию организма и поддержанию хорошей физической формы. Нина уже несколько лет занимается фигурным катанием. Тренироваться приходилось на разных катках. Зимой во дворе мы вместе катались и много раз обращали внимание, что лед везде разный. Нас заинтересовал вопрос: что такое лед, почему он бывает разный и как скользят коньки? Все вышеизложенное определило выбор нашей темы исследования: «Тайны льда» и формулировку проблемы: «почему скользят коньки?».

Мы считаем, что тема нашего исследования очень актуальна, не только одноклассников спортсменов, занимающихся фигурным катанием или конькобежным спортом на специальных аренах и катках, но и всем обычным людям. Эти знания помогут нам понять и обосновать правила поведения, которые необходимо соблюдать зимой на улице в гололед.

Цель нашей работы: выяснить, от чего зависит скольжение коньков по льду и как оно происходит.

Объект исследования: процесс скольжения по льду

Предмет исследования: лед и его свойства

Гипотеза: Мы предполагаем, что коньки скользят по льду потому, что он очень гладкий.

Задачи нашего исследования:

1. Узнать историю возникновения коньков, типы коньков и лезвий.

2. Выяснить свойства льда.

3. Найти научное объяснение явлению скольжения.

4. Подготовить практические советы одноклассникам по поведению в гололед. Методы исследования: поиск информации, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ и интерпретация результатов.

Глава 1. Что такое коньки

    1. Что такое коньки?

Мы узнали, что существует следующее определение понятия «коньки».

В Толковом словаре современного русского языка Д.Н. Ушакова даётся толкование этого слова:

Коньки — это спортивный или прогулочный инвентарь, который представляет собой совокупность специализированных ботинок и прикрепляемой к ним системе подвижных или неподвижных лезвий. Используются для передвижения по льду. Ботинки изготавливаются из композитных материалов, кожи или пластика, лезвие — металлическое. У большинства спортивных коньков лезвие является съёмным и заменяемым, в то время как у детских и прогулочных коньков лезвие прикрепляется к ботинку фабричным методом и является несъёмным элементом.

Катание на коньках — перемещение по льду (или другой сходной поверхности) с помощью коньков. Катание на коньках может быть спортом и отдыхом, а также путешествием с различными целями. В качестве поверхности используются специально подготовленные дорожки, как из льда, так и из полимеров, в крытых помещениях или на открытых пространствах, а также замерзшая поверхность природных водоёмов, таких как озёра, и реки.

    1. История появления коньков

Принято считать, судя по свидетельствам античных историков, что самыми древними конькобежцами были киммерийцы, катавшиеся на костяных коньках по поверхности замерзшего Днепровского лимана. Движение конька при этом было не только прямым, но и боковым, с проскальзыванием. Костяные коньки использовались несколько веков. (Приложение Рис.1)

В технологии изготовления коньков в XIII веке в Голландии и Исландии на смену костям животных пришли деревянные бруски, в которые вставляли металлические заточенные полоски, что можно считать прообразом современных коньков. С начала XVIII века деревянные бруски стали заменять на стальные трубки, позже лезвиями. Только тогда стала доступна современная техника катания. (Приложение Рис.2)

Одной из проблем было крепление конька к обуви. В исторических хрониках рассказывается о царе Петре I, который поразил голландцев своим неординарным решением: он привинтил коньки прямо к сапогам и лихо заскользил к верфи, где проходил стажировку. По возвращении в Россию, он приказал наладить производство коньков в Туле.

Сейчас существуют разные типы коньков. Схема (Приложение рис 3) Фигурные, конькобежные, для шорт-трека, прогулочные, для туризма, хоккейные. От типа коньков зависит способ их заточки и особенностей лезвия.

Вывод. Таким образом, мы выяснили, что коньки — это специальная спортивная обувь для скольжения по льду. Нам стало известно, что в зависимости от типа коньков их изготавливают и затачивают особым образом, для улучшения скольжения (сцепления со льдом)

Глава 2. Скольжение по льду с точки зрения науки

2.1 Лёд и его свойства

Мы предположили, что коньки скользят по льду потому, что он гладкий.

Мы провели анкетирование. Наши одноклассники отвечали на вопрос:

Можно ли скользить на твёрдой гладкой поверхности? Да-17ч, нет – 13ч

Мнения разделились. (Диаграмма. Приложение Рис. 4)

Опыт 1

Для опыта мы взяли коньки и обычную обувь. Проверили, как они будут скользить по различным гладким поверхностям. (Стекло, линолеум, плитка, лёд) В ходе эксперимента выяснили, что поверхности гладкие, но коньки и другая обувь плохо скользят по стеклу и линолеуму, чуть лучше по плитке и очень хорошо по льду. Наиболее скользким стал лёд.

Вывод. Сила трения препятствует скольжению. Не все гладкие поверхности могут быть скользкими. В то же время, если поверхности намочить водой, то они становятся очень скользкими. А мы знаем из курса окружающий мир, что лёд — это замёрзшая вода. Значит наша гипотеза не подтвердилась.

2.2 Научные споры и доказательства.

Мы решили продолжить исследование и выяснить, какие есть гипотезы учёных, отвечающих на наш вопрос с точки зрения науки.

Гипотеза 1: давление заставляет лед таять

С 19-го века наиболее распространенным ответом на вопрос «почему лед скользкий» было «потому что лед тает под давлением».

Эта идея взята из работы Джеймса Томпсона, который в 1850-х годах разработал формулу, которая описывает очень странное свойство льда: то есть под высоким давлением лед превращается в воду. Это связано с тем фактом, что твердый лед менее плотный, чем вода. Если вы сжимаете лед, он становится менее устойчивым и тает.

Мы провели опыт.

Из холодильной камеры набрали снег и слепили из него снежок. Ещё можно два снежка соединить между собой если плотно прижать и подержать. Под давлением снег тает и соединяет два снежка. Так зимой мы лепим снеговика и крепости.

Можно предположить, что именно так работают коньки – что давление, оказываемое тонким лезвием на лед, позволяет ему немного подтаивать, чтобы уменьшить трение и сделать скольжение лучше.

Но есть учёный, который доказал, что фигуристы не могут оказать достаточного давления, чтобы растопить лед.

Таким образом, давление лезвия на лед не может объяснить, почему коньки скользят. Но как насчет трения?

Гипотеза 2: трение растапливает лед

Разве скользящее движение коньков на поверхности не может выработать достаточно тепла, чтобы растопить лед?

Опыт. Если потереть 1 минуту лезвия коньков они станут теплыми, но на это надо время и усилия. «Трение помогает нам понять, почему коньки могут скользить быстрее и быстрее при движении, но не то, почему они могут это с самого начала». Такой ответ даёт ученый Лиммер.

Гипотеза 3: поверх льда лежит очень маленький слой жидкой воды.

За несколько лет до того, как Джеймс Томпсон объяснил, почему давление растапливает лед, физик Майкл Фарадей обнаружил еще одно удивительное свойство льда: тонкий жидкий слой на его поверхности.

Фарадей догадался, что кубики льда слипаются из-за окружающего их слоя жидкости. Когда эти слои жидкости встречаются, затем замерзают вместе.

Этот очень тонкий слой жидкости также делает лед более гладким. Но Фарадей не мог доказать свою гипотезу в то время. Наука об атомах и молекулах еще не была доступна, чтобы помочь ему в объяснении.

В 1987 году ученые подтвердили существование этого «жидкостного» слоя с помощью рентгенографии. И это очень, очень тонкий слой. Оценки показывают, что его толщина примерно в 1000 раз меньше, чем бактерия.

Теперь между полозьями коньков и льдом находится тонкий слой воды, — неудивительно, что конькобежец скользит. И как только он переместит ноги в другое место, там произойдет то же самое. Всюду под ногами конькобежца лед превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лед; один советский физик назвал его “единственным скользким телом в природе”.

Интересно то, что очень сложно кататься при температуре ниже -30 °C. Даже если на льду все еще будет крошечный слой жидкости, потребуется слишком много трения, чтобы произвести достаточно тепла, чтобы растопить что-либо еще. Это было бы похоже на катание на гравии.

Какой же должна быть температура льда?

Мы задали свой вопрос работникам, которые на спортивной арене заливают каток и готовят лёд к соревнованиям. Оказалось, что фигуристам необходим лёд -3 °C, а конькобежцам -1 °C. Для комфортного катания на улице от - 5 °C до -10 °C.

2.3. Безопасный лёд.

Изучая свойства льда, мы заметили один интересный факт, ровный гладкий лёд (как на катке) не такой скользкий как бугристый, шероховатый на дороге, когда мы идём в школу. Почему? Мы знаем, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается. Когда же человек сильнее давит на поверхность? Зеркально чистый и гладкий лёд или бугорки и выступы на ледяной дороге? Именно поэтому, если на улице гололёд, необходимо соблюдать особые правила безопасного поведения. Мы составили памятку одноклассникам «Осторожно! Скользкий лёд!

Вывод. Вот уже более 200 лет учёные разных стран пытались ответить на этот вопрос. «Почему коньки скользят по льду». Но до сих пор нет единственно правильного ответа. Наиболее часто встречается версия, что скольжению способствует одно удивительное свойство льда: тонкий жидкий слой на его поверхности. В холодное время года, в гололёд, нужно соблюдать правила безопасности.

Заключение.

В ходе исследования мы узнали много нового о коньках, истории их появления, провели опыты и установили, что наша гипотеза не подтвердилась.

Проводя своё исследование, мы столкнулись с тем, что есть серьёзные работы учёных, которые проводят сложные вычисления по этой теме. Нам пока сложно понять их рассуждения и поэтому нам необходимо много читать и заниматься, возможно позже мы вернёмся этому вопросу ещё раз.

Практическая значимость:

Мы подготовили для одноклассников сообщение по проведённому исследованию и памятку «Осторожно! Скользкий лёд!» (приложение 2)

Для защиты проекта и представления результатов составлена презентация (Приложение 3).

Список литературы

Ушаков, Д. Н. (2022). Толковый словарь Ушакова онлайн.

Я.И.Перельман «Занимательная физика». Книга 1. Изд-во Либрусск. 1992г.

Я.И.Перельман «Занимательные задачи и опыты». Изд-во Либрусск. 1992г.

Богданов К.Ю. Прогулки с физикой. Библиотечка Квант, выпуск 98, - М.: Бюро Квантум, 2006. Непомнящий Н.Н. 100 великих загадок природы. - М.: Вече, 2007.

Лукьянова А. Настоящая физика для современных малышей и их родителей.

Пять тысяч - где, семь тысяч - как, сто тысяч - почему. Опыты и эксперименты для детей от 5 до 9 лет / Автор-составитель: Зубкова Н.М. -СПб.: Речь, 2008.

Сайт "Сила Знаний" https://sila-znanii.ru/zanimatel-naya-fizika/8266

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис 1

Рис 2

Хоккейные коньки — коньки для игры в хоккей с шайбой или в хоккей с мячом. Разделяются на коньки со съёмным лезвием, и литым лезвием. Съёмное лезвие предполагает возможность его замены или соответствующей настройки. Лезвия изготавливаются, как правило, из никелированной или хромированной стали. По длине они совпадают с ботинком. Также разделяются по степени защиты и манёвренности конька по предназначению для игроков или вратарей.

Так называемые, «фигурные коньки» —— используются в фигурном катании. Отличительная особенность— выпуклая форма лезвия и специальные зубцы на переднем конце, которые помогают фигуристам при выполнении сложных элементов.

хема. Рис 3

Прогулочные коньки — коньки, которые напоминают фигурные или хоккейные модели. Отличие таких коньков заключается в том, что они более комфортные. Мужские прогулочные коньки похожи на хоккейные, а женские — на фигурные модели. Используются для любительской игры или простого катания.

Конькобежные коньки —, «клапы» — представляют из себя низкий ботинок из многослойного углеволокна (карбон) или стекловолокна, отделанный тонкой кожей, к которому крепится съёмная система лезвий с шарниром в передней части и свободной подпружиненной задней частью. Отличаются от остальных видов коньков большей длиной лезвия, большим радиусом скругления лезвия, а самое главное тем, что это единственные коньки с подвижным лезвием

ТИПЫ КОНЬКОВ

Коньки для шорт-трека — коньки для участия в соревнованиях по шорт-треку, спортивной дисциплине, родственной конькобежному спорту. В отличие от конькобежных коньков «клапов» эти коньки имеют неподвижное, жёстко зафиксированное более короткое лезвие, установленное на ботинок с некоторым смещением в сторону, для более быстрого прохождения поворотов на маленьком круге. Материал самого ботинка у шорт-трековых коньков зачастую идентичен «клапам», но форма сильно отличается и рассчитана на более агрессивное прохождение поворотов. В шорт-треке величина овала лезвия конька составляет около 11 метров, помимо этого у коньков для шорт-трека есть боковая кривизна.

Прогулочные коньки для туризма — своеобразный гибридный спортивный инвентарь. Представляют из себя широкое сменное лезвие без ботинка с интегрированным в верхнюю часть лезвия креплением под обычный лыжный ботинок (чаще всего стандартный для лыж «SNS Profil»). Таким образом, турист может спокойно путешествовать на лыжах, а при желании снять лыжи и установить на эти же ботинки лезвия коньков и двигаться дальше уже по замёрзшему руслу канала или озеру.

Рис 4 Диаграмма.

Просмотров работы: 44