XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физика и египетские пирамиды
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Египет – страна древней и таинственной культуры, всегда привлекавшей к себе внимание, вызывавшей удивление, восхищение, живой интерес. И, конечно же, величайшее достижение древности – пирамиды. Как могли древние построить такие высокие и величественные сооружения, не имея механизмов?! Немаловажным стали знания и умения древних египтян применить одну из важнейших в природе сил – силу трения.
В своей исследовательской работе я познакомлюсь с основными техническими приспособлениями египтян при строительстве пирамид – простыми механизмами, их свойствами и особенностями, а также с силой трения, которая существует всегда и везде! Для меня эта тема является актуальной, потому что физику мы еще не изучаем, и я, в какой-то мере, как и древние египтяне, стану исследователем основ научных открытий в строительстве с точки зрения физики.
При выполнении исследовательской работы мною была поставлена цель: исследовать, какие законы физики применяли древние египтяне в строительстве пирамид, и какие простейшие механизмы для этого они использовали.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить задачи:
1. изучить литературу по выбранной теме, расширить свой кругозор;
2. рассмотреть основные законы физики, которые использовали древние египтяне при строительстве пирамид:
3. изучить простые механизмы, с помощью которых египтяне строили пирамиды;
4. провести некоторые практические работы для лучшего понимания того, как с помощью простых механизмов были построены великие сооружения древнего Египта – пирамиды.
В проекте объектом исследования являются законы механики, на основе которых работают простые механизмы, а предметом исследования – простые механизмы, позволяющие преобразовывать силу человека при выполнении тяжелой работы.
При работе над проектом выдвинута гипотеза: если я изучу действие простых механизмов, то для меня откроется секрет строительства египетских пирамид – грандиозных сооружений прошлого.
Актуальность изучаемого вопроса заключается в том, что для исследования я выбрала сложный для меня вопрос, который мы еще не изучали на уроках, поэтому для понимания его мне нужно будет рассмотреть литературу по данной теме, а также обратить внимание на интернет-источники по изучаемому вопросу.
Проведя анализ литературы по изучаемому вопросу, я пришла к выводу о том, что для понимания работы простых механизмов достаточно с помощью подручных средств провести некоторые эксперименты. Аналогичные конструкции использовали древние египтяне, сооружая пирамиды.
В работе я использовала следующие методы исследования:
1. анализ литературных источников;
2. моделирование;
3. проектирование;
4. конструирование.
Проект выполнен по решению научного общества обучающихся «Горизонты открытий» БМАОУ «Лицей №7» имени А.А. Лагуткина. Практическая значимость работы заключается в том, что ее материалы можно использовать на уроках физики и учебного курса для начинающих «Моделирование физических процессов»
Таким образом, я считаю исследуемую мной тему интересной, потому что простые механизмы используются и по сей день в строительстве и выполнении трудоемких работ, а сила трения является одной из важнейших сил в природе, которая никогда не исчезает! И на примере строительства пирамид в Древнем Египте я рассматриваю и изучаю материал, а также в работе проведу некоторые интересные опыты.
Основная часть.
Теоретическая часть.
-
История и науки Древнего Египта.
История Древнего Египта начинается с 3100 года до н.э., в момент правления первого фараона Нармера, объединивший Верхний и Нижний Египет. Империя зародилась и занимала всю долину Нила, самой длиной реки в мире. Благодаря своим плодородным землям, активно развивалась сельскохозяйственная культура и внешняя торговля. Основным ремеслом египтян было земледелие, скотоводство, охота и рыболовство. Из-за насыщенности ресурсов, в Египте развивались торговые и дипломатические отношения с Передней Азией.
История архитектуры начинается в Древнем Египте. Египтяне строили удивительные дворцы и города, сохранивший свой внешний вид и по сей день. В качестве строительного материала использовали камень, гранит и песчаник. Неудивительно, что Египет считают самой развитой цивилизацией, так как медицина была на высшем уровне. По сей день, в музеях сохранились медицинские записи, а в современном обществе до сих пор применяют лекарственные препараты. В древней цивилизации существовали специализированные школы. В этих школах находились священные книги, в которых содержались правила для лекарей. Лекарь не нес ответственность за жизнь пациента, если он придерживался правил. В противном случае, его ожидала смертная казнь.
Египтяне верили в жизнь после смерти. Они с ответственностью относились к своему переходу. Для этого они строили пирамиды, куда помещали тело умершего человека и его вещи, которые были важны в земной жизни. Здесь важным аспектом является захоронение. Это египтяне придумали процесс мумификации. Для этого они извлекали внутренние органы и помещали в специальные сосуды. Для того чтобы тело не разлагалось, его обрабатывали содой. После просыхания, полости наполняли льном, пропитанным особым бальзамом. В конце, тело умершего человека забинтовывали и закрывали в саркофаг. В Древнем Египте, каждый египтянин верил, что их ожидает суд Осириса, который использует специальные весы для взвешивания хороших и плохих дел. Именно поэтому для египтян было важно прожить правильную жизнь и вести себя подобающе.
Во времена правления фараонов, Древний Египет достиг грандиозных достижений:
-
Возникновение математики;
-
Возникновение судебной системы;
-
Развитие медицины;
-
Изобретение иероглифов;
-
Открытия и практическое применение физических явлений;
-
Создание системы управления.
История существования Древнего Египта закончилась с момента завоевания государства императором Рима Августом. Египет был освобожден от гнета персов. Время фараонов закончилось. Началась новая эпоха.
-
Использование оптических законов физики в Древнем Египте.
Анализируя некоторые источники литературы, я выяснила, что первые оптические технологии появились в Египте, использовались не только при изготовлении миниатюрных изображений и в повседневной жизни, но и при строительстве и ориентации зданий в Древнем царстве, а также для производства разных световых эффектов в храмах посредством отполированных дисков и при исчислении времени. На фото 1 и 2 представлены фрески с вставными глазами из стекла.
Фото 1,2. Вставные глаза у статуй IV, V и III династий египетских царей
Вставные глаза у статуй IV, V и даже III династий египетских фараонов были «выпуклыми кристаллическими линзами, совершенно обработанными и отполированными», они увеличивали размер зрачков и придавали статуям оживший вид. В данном случае линзы делались из кварца, а доказательства изобилия его в Древнем Египте в большом количестве можно найти в музеях и книгах по египтологии. Таким образом, получается, что «Око Гора» было еще одним типом оптического прибора.
Если поближе рассмотреть статую фараона Хора (это 8-й фараон 13-й династии, правил в 1783-1633 гг. до н.э.), то можно заметить, что волосы у него были светлые, а глаза – голубые (хотя под разными углами обзора они меняют свой свет, вплоть до карего, как в фотографии 3 ниже). Свойства этих линз предельно близки к строению человеческого глаза.
Фото 3. Статуя фараона Хора
Таким образом, данные примеры свидетельствуют о том, что так называемое «оживленное зрение» у древних статуй придавалось за счет использования законов геометрической оптики. Что придавало таинственности умершим фараонам и заставляло простых египтян поклоняться им.
3. Использование законов гидродинамики в водяных часах Древнего Египта. Солнечные часы.
Древнейшим «инструментом» измерения времени было солнце. Проходя свой ежедневный путь по небу, солнце безошибочно указывало время суток. Но, с развитием общества потребовались более точные временные указатели. Египтяне разделили сутки на 2 периода (день, ночь), по 12 часов каждый. А вавилоняне применили свою шестидесятеричную систему счисления к отсчёту времени, разделив час на 60 минут. Отслеживать время по часам помогли солнечные часы, а затем и водяные часы – клепсидры. Клепсидра Ктесибия. Древнеегипетский обелиск середины XIII в до н. э. часто служили гномонами солнечных часов
Солнечные часы – первый прибор для измерения времени. Изобрели их, вероятно, египтяне в XV в. до н. э. Стрелка этих часов – тень от стержня (гномона), меняющая направление и длину в течение светового дня в зависимости от положения солнца на небе. Солнце встаёт в восточной части неба, а заходит – в западной, поэтому утром тени тянутся в западную сторону, днём (в северном полушарии) – на север, а вечером – в восточную. Тень от гномона скользит по циферблату с делениями, обозначающими часы, перекрывая деление текущего часа. В некоторых солнечных часах время отмечали по изменению длины тени – утром и вечером, когда солнце ещё близко к горизонту, тени длинные, а в полдень, когда солнце в зените, тени короткие. В разные месяцы года солнце встаёт и заходит в разное время – для сохранения точности солнечных часов, для каждого месяца на циферблате наносили свои деления.
Течение времени, течение воды.У солнечных часов есть большой недостаток – ими нельзя пользоваться ночью, в пасмурную погоду и в помещении. Универсальным прибором для отсчёта времени стали водяные часы. Считается, что древнейшие водяные часы появились в Египте в 1417-1379 гг. до н. э. Это была каменная чаша с отверстием внизу, из которого равномерно вытекала вода. Уровень воды в чаше понижался, и по меткам внутри её определяли, сколько времени прошло. Древние греки называли водяные часы клепсидрой – «воровкой воды» – и отмеряли ею время выступления ораторов в суде и на собраниях.
Недостаток клепсидр – неточность. Из полного сосуда вода течёт под давлением и вытекает быстрее, а по мере опустошения сосуда, давление падает, и ток воды замедляется. Чем крупнее сосуды в часах, тем сильнее эти часы «отстают».
Фото 4. Водяные часы в Древнем Египте
4. Сила трения и законы механики при строительстве пирамид в Древнем Египте.
Из расшифровки древних текстов: «Вначале древние египтяне осуществили отвод воды от реки Нил и проложили специальные каналы. Затем, используя канаты, они соединили деревянные лодки, которые использовались для перевозки огромных блоков камня практически до самого основания пирамиды».
Транспортировка блоков. Перемещать блоки по воде – гениально! Но вот как их тащить по земле? Если средний вес таких "кирпичей" составлял порядка 2,5 тонн. Ответ вас удивит: на суше египтянам помогала вода. Они смачивали песок перед полозьями, на которых тащили тяжести.
Ученые из Амстердамского университета построили точную копию подобных саней и провели эксперимент с сухим и мокрым песком. Оказалось, что влага на пути следования уменьшает необходимые прилагаемые усилия почти вдвое. Происходит это из-за коэффициента трения, который у влажного песка немного меньше. А именно он является одним из множителей в классической формуле силы трения, но об этом позже. Подтверждение использования "технологии" есть на одной из найденных фресок, где отражен процесс смачивания песка перед санями.
Фото 5. Фреска, на которой отражен процесс смачивания песка перед санями для уменьшения силы трения
В 2020 году археологи обнаружили остатки системы пандусов, которые использовали во время строительства египетских пирамид. Исследование позволило получить новые представления о способах, которыми древние египтяне строили свои пирамиды.
Для облегчения работы необходимо было уменьшить нагрузку на мышечную силу египтян. Для этого были придуманы простые механизмы – это рычаги, блоки, а также наклонная плоскость, которые давали выигрыш в силе в несколько раз. Следовательно, используя простые механизмы для поднятия груза на высоту, рабочие увеличивали поднимающий груз, а вот мышечная сила при этом уменьшалась. Приведем несколько примеров, позволяющих понять это.
Блок на блок. Как росли пирамиды. По мнению археологов, египтяне использовали именно систему подъемных пандусов для переноски тяжелых блоков во время строительства пирамид. Рабочие протягивали веревки через деревянные столбы и, вероятно, использовали их для перемещения грузов вверх по крутым склонам. Этот метод значительно облегчал задачу строителям.
Давайте прикинем. Поскольку вес блока 2,5 тонны, то сила трения, возникающая при волочении его по песку равна примерно: Fтр=μN=0,4*2,5*10^4=10000 (Н). Коэффициент трения (μ) усреднён для песка по открытым источникам. Один человек способен тянуть с силой порядка 60-ти килограмм. То есть 600 (Н). Получаем несложное вычисление 10000/600=16,6 - округлим. Получаем: 17 человек (лучше добить до 20) необходимо, чтобы сдвинуть такой блок с места. Не так уж много...
Ниже на фото 6 представлен принцип поднятия блоков на уровень пирамиды.
Фото 6. Принцип подъёма блоков (20 чел.)
Каждому известно, что тяжелый предмет (камень, шкаф, станок), который невозможно передвинуть непосредственно, сдвигают с места при помощи достаточно длинной палки – рычага. Рычаг представляет собой твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. С помощью рычагов в Древнем Египте передвигали и поднимали на большую высоту тяжелые каменные плиты.
Заключая вопрос о строительстве пирамид, отмечу: если кто-то все еще сомневается в том, что египетские пирамиды были созданы человеческими руками и предпочитает версию о вмешательстве инопланетных сил, то ученые из Института исследования Древнего Египта предлагают разочаровывающий факт. Оказывается, пирамида Хеопса далека от идеальной геометрической формы, как многие считают. Пирамида – самая устойчивая, неколебимая фигура в условиях земного притяжения.
В самом начале строительства были допущены ошибки, из-за которых основание не является идеальным квадратом. Таким образом, стороны пирамиды не имеют одинаковую длину: западная сторона на 14 см длиннее восточной. Интересно отметить: не все знают о том, что пирамиды в Древнем Египте изначально были облицованы белым известняком, придававшим им белоснежный вид.
Какая сила называется силой трения. Без силы трения невозможна работа почти всех машин и механизмов на Земле. Также и невозможно передвижение по ней всех живых существ. Попробуйте пройти по идеально гладкому льду в обуви на гладкой пластиковой подошве, или же забраться в этой обуви по ледяной горке? При отсутствии трения нет сцепления между двумя соприкасающимися поверхностями и движение каждой из них по отношению друг к другу и к Вам становится неуправляемым. Даже элементарное завязывание шнурков на обуви не получится. А как муравей будет взбираться на дерево?
В земных условиях трение всегда сопутствуют любому движению тел. При всех видах механического движения одни тела соприкасаются либо с другими телами, либо с окружающей их сплошной жидкой или газообразной средой. Такое соприкосновение всегда оказывает большое влияние на движение. Возникает сила трения, направленная противоположно движению. В месте соприкосновения двух тел всегда возникает взаимодействие, которое препятствует движению одного тела по поверхности другого. Его и называют трением. А величину этого взаимодействия – силой трения.
Итак, сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную движению или возможному движению. Сила трения возникает из-за того, что неровности одного тела цепляются за неровности другого тела и мешают их взаимному движению. Если увеличить силу, прижимающую тела друг к другу, то неровности сильнее цепляются, и сила трения увеличивается. Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел, а зависит от материала тел и их веса: чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше сила трения.
Второй причиной возникновения трения является притяжение молекул. Если тщательно отполировать поверхности соприкасающихся тел, то число точек касания при том же весе тела увеличивается, а, следовательно, увеличивается и сила трения.
Различают силу трения покоя, силу трения скольжения и силу трения качения. Сила трения покоя препятствует твердым телам приходить в движение, она всегда равна по величине внешней силе, действующей на тело, и направлена в противоположную сторону.
Сила трения скольжения – это сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении.
Сила трения качения – сила трения, возникающая при качении одного тела по поверхности другого тела.
Трение в природе и технике.
-
Роль трения в жизни растений и животных
Трение – удивительный феномен природы! Оно подарило человечеству тепло и огонь, возможность в короткое время остановить скоростной поезд и автомобиль, ускорить химическую реакцию в сто тысяч раз, записать человеческий голос на пластинку, услышать звуки скрипки и многое другое. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику. Без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле, так как при ходьбе мы отталкиваемся ногами от земли. Не будь трения, предметы выскальзывали бы из рук.
У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных). Все они имеют шероховатую поверхность для увеличения силы трения.
Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим – при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.
-
Трение в технике
Направления использования сил трения в технике: передача движений с помощью трения, обработка материалов с помощью трения и использовании трения в механических конструкциях и орудиях труда. Например, в древнем мире чтобы добыть огонь, люди брали два камня, один с острым концом, а другой округлой формы и стукали их друг о друга.
Трение – это главная причина изнашивания технических устройств, проблема, с которой человек столкнулся также на самой заре цивилизации. И в наше время борьба с изнашиванием технических устройств – важнейшая инженерная проблема, успешное решение которой позволило бы сэкономить десятки миллионов тонн стали, цветных металлов, резко сократить выпуск многих машин, запасных частей к ним. Чтобы уменьшить трение вращающихся валов машин и станков, их опирают на подшипники. Для уменьшения трения соприкасающихся поверхностей делают гладким, между ними вводят смазку.
-
Трение в нашей жизни
Итак, во-первых, именно благодаря трению мы можем ходить по земле. Человек, обитающий на суше и не умеющий летать, передвигается только благодаря наличию трения покоя в защищающей ступни обуви, конструкция которой при всем разнообразии становится постепенно все более совершенной. Увы, многие модели современной обуви, радующие глаз отделкой или модным фасоном, свидетельствуют, скорее, об обратном. Надев такую обувь, нередко чувствуешь себя беспомощным не только на обледеневшем тротуаре, но и на хорошо натертом паркете какого-нибудь фойе концертного зала. Похоже, обувщики и не подозревают, что полимерные материалы, из которых сейчас все чаще изготовляют обувь, имеют значительно более низкий коэффициент трения, чем натуральная кожа, не говоря уже о резине. Отсюда и скользкие башмаки – источники нешуточных неприятностей. Например, у зимних шин машин есть шипы или специальные липучки, это делается специально для того, чтобы, когда машина едет по льду, шипы встревали в лед и сила трения была больше, так неровности будут цепляться друг за друга. Зимняя подошва должна быть сделана из полиуретана, резины. Лучше, чтобы подошва была с рифлёным рисунком, тогда она не будет скользить.
Практическая часть.
ОПЫТ 1. Проведем эксперимент для обнаружения силы трения покоя
Цель: обнаружить на опыте действие силы трения покоя
Ход опыта: поместим брусок на наклонную доску. При не слишком большом угле наклона доски брусок может остаться на месте. Что удерживает этот брусок от соскальзывания вниз? Если бы брусок скользил вниз вдоль наклонной плоскости, сила трения была бы направлена против его движения. Если брусок не двигается, значит, его удерживает именно сила трения покоя, направленная против возможного движения бруска. Проявление в жизни: сила трения покоя удерживает гвоздь, вбитый в доску, не дает развязаться банту на ленте, удерживает все предметы на своих местах.
ОПЫТ 2. Трение скольжения.
Цель: обнаружить на опыте действие силы трения скольжения
Нам понадобится: брусок, динамометр, доска
Ход опыта: прикрепим динамометр к бруску и заставим его равномерно двигаться по доске. Заметим величину силы, которую показывает динамометр. Сила трения равна 0,2 Н. Увеличим силу, прижимающую брусок к поверхности доски. Для этого поместим грузы массой 50 г сверху бруска и повторим измерения. Вывод: чем больше вес, т.е. сила, прижимающая брусок к доске, тем больше сила трения.
При выполнении других опытов я выяснила, что сила трения не зависит от площади соприкосновения тел, но зависит от рода соприкасающихся поверхностей, то есть сила трения зависит от материала взаимодействующих (трущихся) тел. Эту зависимость выражает коэффициент трения. Его находят как отношение силы трения к весу тела. В задачниках величины разных коэффициентов трения даны в виде таблицы.
Выводы по практической и теоретической частям
Итак, исследование, проведенное в работе, позволяет сделать следующие выводы: 1. сила трения возникает при движении одного тела по поверхности другого и направлена в сторону, противоположную возможному движения или движению. 2. Силу трения можно измерить с помощью динамометра.
Существует несколько видов трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения. Самая маленькая сила трения – трение качения. Сила трения возникает из-за неровностей поверхностей или из-за притяжения молекул. Силу трения можно увеличить, если увеличить прижимающую силу (вес), увеличить количество неровностей на поверхности или совсем убрать неровности, при этом сила трения возрастет из-за притяжения молекул тел.
Сила трения сопровождает нас повсюду, принося ощутимый вред и… огромную пользу. Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.
И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение – качением, которое, значительно меньше трения скольжения. Никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинки, никогда не удержатся одно на другом: всё будет скользить, и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобный росинке. К этому можно прибавить, что при отсутствии трения гвозди и винты выскальзывали бы из стен, ни одной вещи нельзя было бы удержать в руках, никакой вихрь никогда бы не прекращался, никакой звук не умолкал бы, а звучал бы бесконечным эхом, неослабно отражаясь, например, от стен комнаты.
Итак, нельзя однозначно сказать, чем является сила трения – другом или врагом. Как и у любого явления у силы трения есть положительные проявления и отрицательные. Поэтому нужно знать о проявлениях силы трения и учитывать это в своей жизни. Например, сейчас зима, скользко, так как сила трения нашей обуви об лед очень мала и для того, чтобы ее увеличить нужно выбирать зимнюю обувь с ярко выраженным протектором, приклеить на подошву кусочки наждачной бумаги, это увеличит количество неровностей и приведет к увеличению силы трения и идти будет проще.
Заключение.
В заключение данного проекта, проведенных опытов-нам показывает, что Сила Трения играет огромную и важную роль в нашей жизни! На примере Египетских пирамид мы увидели, насколько наука является органичной частью любой культуры, без определенного набора научных знаний невозможно нормальное функционирование хозяйства, строительства, военное дело, управление страной.
Сколько открытий было сделано в Египте в области физики – для уменьшения силы трения рабы лили масло, воду под полозья тележек (строительство пирамид). В пору Древнего царства египтяне сделали открытие в области химии – изобретают цветные пасты, которыми покрывают крупный бисер или делают его из цветных смальт. Из этого бисера на протяжении всей истории Древнего Египта изготовляли много различных украшений. Периоду Среднего царства принадлежат первые математические и медицинские тексты, изобретены водяные часы (карманные, нашейные египетские часики). Очень много можно перечислять достижений Древнего Египта, по сей день они с нами и помогают нам жить комфортней и лучше.
Список информационных источников:
1. А.В. Перышкин Физика. 7кл.; Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.: Дрофа, 2006.
2. Наука. Энциклопедия. Москва «РОСМЭН», 1997.
3. В.А. Волков, С.Е. Полянский Поурочные разработки по физике к учебникам
4. А.В. Перышкина и С.В. Громова. Москва «ВАКО» 2005.
5. Сайт www.fizika.ru
6. Сайт https://naukatv.ru/- Головоломка для ученых-пирамиды