XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Секреты равновесия
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
У каждого ребенка наверняка была в детстве игрушка-неваляшка, во всяком случае каждый школьник имеет представление о том, что это такое. Однако, не все знают почему же эта игрушка в какое бы положение её не положили, поднимается и занимает вертикальное положение. Я спросила у папы, почему же так происходит. Папа ответил, что это зависит от центра тяжести и равновесия.
Меня заинтересовал его ответ, и я решила провести исследование.
Объект исследования: равновесие и центр тяжести.
Предмет исследования: игрушки и различные предметы, которые могут держать равновесие.
Цель работы: изучение роли центра тяжести для равновесия окружающих предметов.
Гипотеза: если знать, что такое центр тяжести, научиться его находить, понять какую роль он играет в равновесии, то можно самому изобретать игрушки, удерживающие равновесие.
Задачи:
1. Изучить литературу о равновесии и центре тяжести.
2. Экспериментальным путём научиться находить центр тяжести у различных предметов.
3. Изготовить самому занимательную игрушку, обладающую равновесием.
ГЛАВА 1. Теоретическая часть
-
Что такое равновесие
Что такое равновесие? Каков его смысл? Равный вес. То есть, какие - то части одного предмета, сделать одинаковыми. Нарушили равновесие — и предмет выйдет из равновесия. Изучив литературу по теме исследования, мне удалось выяснить, равновесием называется состояние неподвижности, покоя, в котором пребывает какое-либо тело под воздействием противоположно направленных сил. Ещё равновесием называют устойчивое положение человеческого тела. Равновесие – это такое состояние природы, организма, общества, которое характеризуется тем, что одни силы, факторы, компенсируются, уравновешиваются другими, и это приводит кого-либо или что-либо в состояние относительного покоя, позволяет нормально функционировать. Равновесие может быть различным в зависимости от расположения тела по отношению к окружающим телам.
Особым случаем является равновесие тела на опоре. В этом случае упругая сила опоры приложена не к одной точке, а распределена по основанию тела. Тело находится в равновесии, если вертикальная линия, проведенная через центр масс тела, проходит через площадь опоры, т. е. внутри контура, образованного линиями, соединяющими точки опоры. Если же эта линия не пересекает площадь опоры, то тело опрокидывается. Интересным примером равновесия тела на опоре является падающая башня в итальянском городе Пиза. Башня имеет форму цилиндра высотой 55 м и радиусом 7 м. Вершина башни отклонена от вертикали на 4,5 м.
2. Что такое центр тяжести?
Сила тяжести – это сила, с которой Земля притягивает к себе любое тело. Центр тяжести тела – точка приложения силы тяжести. В научной литературе мы нашли более полное определение. Точку приложения равнодействующей сил тяжести, действующих на отдельные части тела называют центром тяжести тела.
Как можно найти центр тяжести в различных телах? Если тело однородно и имеет правильную форму, то всё просто. У однородных тел правильной формы центр тяжести совпадает с его геометрическим центром. Так, например, центр тяжести шара лежит в его геометрическом центре, у прямоугольного параллелепипеда — в точке пересечения диагоналей, а у треугольника — на пересечении отрезков внутри фигуры, проведенных из вершин. А если тело имеет неправильную форму? В таком случае центр тяжести можно найти только опытным путём.
3. Равновесие в окружающем мире
Сохранение равновесия – это способность организма быстро приспособиться к изменениям положения тела относительно земли. У всех живых организмов есть специальный орган, который помогает держать равновесие. Это вестибулярный аппарат. Центр тяжести человека расположен в нижней части живота, т.к. вес ног составляет около половины веса тела. Устойчивость тела зависит от положения центра тяжести и от величины площади опоры: чем ниже центр тяжести и больше площадь опоры, тем тело устойчивее. Расположение центра тяжести относительно точек опоры влияет на равновесие тела. Человек не падает до тех пор, пока вертикальная линия из центра тяжести проходит через площадь, ограниченную его ступнями. Если встать на одну ногу, то площадь опоры уменьшится, и сохранять равновесие будет труднее. А ещё сложнее удерживать равновесие или, как говорят, балансировать на узком канате или проволоке артистам цирка. Ведь площадь опоры в этом случае ничтожно мала!
Братья наши меньшие в деле сохранения равновесия полагаются на те же самые органы, что и мы. Однако животные обычно намного более устойчивы по сравнению с человеком. Это вызвано тем, что их центр тяжести намного ниже, а площадь опоры намного больше, чем у человека, поскольку они стоят не на двух, а на четырёх ногах. К тому же, наличие хвоста позволяет некоторым животным стабилизировать центр тяжести, что позволяет им перемещаться по наиболее труднодоступным местам, таким как забор, ветки деревьев и т.д. Это похоже на то, как канатоходец использует шест для дополнительного баланса.
В процессе жизнедеятельности человек часто оказывается в условиях, при которых тело находится в неустойчивом положении. Потеря равновесия может привести к травмам и увечьям. Поэтому необходимо знать и соблюдать правила сохранения равновесия своего тела и тех предметов, которыми пользуешься. Во многих видах спорта важным слагаемым успеха является способность сохранять равновесие.
Вывод по 1 теоретической части.
Изучив литературу, узнали, что равновесие – это положение, в котором силы, действующие на тело, взаимно уравновешиваются. Равновесие предмета зависит от положения его центра тяжести. У каждого предмета есть центр тяжести.
Всё живое на Земле стремится к равновесию. Знание условий равновесия очень важно для человека. Зная и применяя правила сохранения равновесия, человек создаёт для себя безопасные условия жизнедеятельности.
ГЛАВА 2. Практическая часть
2.1. Определение условий равновесия для различных предметов.
У каждого предмета есть центр тяжести. У предмета правильной формы (треугольник, квадрат, прямоугольник) центр тяжести будет находиться в центре. Для проведения этого опыта мы взяли предметы, которые найдутся у каждого школьника – линейка, точилка, карандаш, ручки. Положу линейку центром тяжести на остриё карандаша, использую для баланса шариковые ручки. Линейка будет держаться, так как она находится в равновесии (Приложение 1-2).
В ходе данного опыта удалось доказать, что для удержания равновесия необходимо правильно определить центр тяжести. Тогда даже самая на первый взгляд неустойчивая конструкция будет в балансе.
В действительной жизни люди давно уже привыкли угадывать центр массы каждого предмета, как положить или поставить этот предмет, чтобы он не упал.
Занимательно будет пройти по прямой линии с предметом на голове. Если нарушить свой центр равновесия, то предмет упадёт с головы.
Используя полученные знания о секретах равновесия, можно самому изготовить игрушки, удерживающие баланс.
2.2. Изготовление игрушек
Ванька-Встанька
Этапы изготовления игрушки Ванька-Встанька:
-
проткнуть шилом яйцо;
-
удалить содержимое;
-
промыть и высушить;
-
набросать в яйцо мелкие металлические гайки;
-
натопить в него воск со свечи (воск застынет и слепит все между собой);
-
украсить яичного Ваньку – Встаньку (Приложения 3-6).
Как бы мы не ставили яйцо, оно всегда будет принимать вертикальное положение, так как центр тяжести смещен вниз.
Главный секрет в том, что у неваляшки центр тяжести смещен относительно точки опоры, что позволяет ей возвращаться в вертикальное положение после любого наклона. Когда неваляшку наклоняют, то ее точка опоры закономерным образом смещается в сторону наклона. Однако центр тяжести при этом не меняется и между реакцией опоры и вектором силы тяжести начинает действовать сила, которая стремится вернуть игрушку в начальное положение. Самое важное, что находится внутри неваляшки – это противовес, который тянет игрушку обратно (приложение 7).
Акробат
Для изготовления балансира «Акробат», нужно нарисовать из толстой бумаги клоуна, вырезать 2 фигуры. Склеить вместе, помещая в ладони маленькие монеты (приложение 8-11). Акробат будет балансировать везде: на руке, столе, нити. Монеты смещают центр тяжести в область головы, поэтому он находится в равновесии (приложение 12).
Заключение
В ходе проделанной работы по теме исследования мне удалось решить все поставленные задачи и сделать следующие выводы.
1. Изучив литературу, узнала, что равновесие – это положение, в котором силы, действующие на тело, взаимно уравновешиваются. Равновесие предмета зависит от положения его центра тяжести. У каждого предмета есть центр тяжести.
2. Всё живое на Земле стремится к равновесию. Знание условий равновесия очень важно для человека. Зная и применяя правила сохранения равновесия, человек создаёт для себя безопасные условия жизнедеятельности.
3. Экспериментальным путём научилась находить центр тяжести у различных предметов.
Было установлено, что:
- точка центра тяжести тела всегда стремится расположиться строго под точкой опоры;
- у предмета правильной формы (треугольник, квадрат, прямоугольник) центр тяжести будет находиться в центре.
- чем шире тело, тем оно более устойчиво;
- чем ниже было тело, тем оно более устойчиво;
4. После проведённых исследований я самостоятельно изготовила игрушки, обладающие равновесием с разными центрами тяжести.
Выяснила, что у неваляшки точка опоры в ней ниже центра тяжести. Это достигается благодаря круглой форме игрушки и правильной установки груза внутри нее. Когда неваляшку наклоняют, то ее точка опоры закономерным образом смещается в сторону наклона. На нее начинает действовать сила, которая стремится вернуть игрушку в начальное положение. Это противовес, который тянет игрушку обратно.
Таким образом, цель работы изучить роль центра тяжести для равновесия окружающих предметов достигнута. Гипотеза исследования о том, что, умея находить центр тяжести, можно самому изготовить интересные игрушки, которые держат равновесие, подтвердилась.
Считаю свою работу актуальной и практически значимой. Каждый человек должен иметь представление о физических явлениях и законах, с которыми непосредственно сталкивается в повседневной жизни с самого раннего детства.
Список использованных источников
1. Волкова Е. Играем в учёных. Проводим эксперименты с водой, магнитом,
движением, весом/ Е.В. Волкова, С.Л. Микерин – Новосибирск: Сибирское
университетское издательство, 2018.
2. Гальперштейн Л. Забавная физика/ Москва : «Детская литература», 2021 .
3. ПресГ.Дж. 300 опытов: увлекательных, познавательных и легко
выполнимых/Г. ДЖ. Прес – М.: АСТ: Астрель, 2019.
4. http://class-fizika.ru/op22-10.html
5. http://eksperimentiki.ru/publ/tomtit/tt1/tarelka_na_igolke/19-1-0-72
Приложения
Приложение 1, 2
Приложение 3-6
Приложение 7
Приложение 8-13
Приложение 14