XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Фрондибола: мост между средневековьем и физикой (Исследование законов механики через самодельную метательную машину)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Подопригин И.В. 1

---

1МОУ «СОШ №2 г. Зеленокумска»

Соломонова Р.Н. 1

---

1МОУ «СОШ №2 г. Зеленокумска»

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность. На школьных уроках физики учащиеся часто сталкиваются с теоретическими формулировками без возможности увидеть их действие в реальности. Наглядная демонстрация законов механики с помощью самодельных моделей повышает интерес к предмету и способствует глубокому усвоению материала. Фрондибола (средневековый требушет) – метательная машина гравитационного типа, принцип работы которой полностью основан на фундаментальных законах физики: законе сохранения энергии, законе сохранения импульса и кинематике движения тела, брошенного под углом к горизонту.

Проблема исследования. Отсутствие в школьной практике доступных, безопасных и наглядных демонстрационных установок для экспериментальной проверки законов механики.

Цель работы. Изучить основные законы механики с помощью самостоятельно изготовленной модели фрондиболы.

Гипотеза. Действующая модель фрондиболы, сконструированная из доступных материалов, позволит экспериментально проверить и наглядно продемонстрировать законы сохранения энергии и кинематики полёта снаряда.

1. Задачи:

2. Изучить историю создания и физический принцип действия фрондиболы.

3. Разработать чертежи и собрать рабочую модель метательной машины.

4. Провести серию экспериментов по исследованию влияния длины спускового шнура и массы снаряда на дальность полёта.

5. Определить параметры движения снаряда (скорость вылета, угол, время полёта) методом видеоанализа.

6. Проверить выполнение закона сохранения механической энергии на примере работы фрондиболы.

Объект исследования: Фрондибола как физическая система.
Предмет исследования: Взаимосвязь параметров установки и снаряда с законами классической механики.

Методы исследования: Теоретический анализ литературы, конструирование и моделирование, натурный эксперимент, видеофиксация и покадровый анализ траектории, расчётно-аналитический метод.

Практическая значимость: Созданная модель может использоваться учителем физики на уроках и в рамках кружковой деятельности для наглядной демонстрации законов механики, а также как пособие для самостоятельных экспериментов учащихся.

Основная часть

1. История фрондиболы.[1]

Фрондибола или требушет, - средневековая машина гравитационного действия для осады городов. Представляет собой длинный рычаг, вращающийся между двумя стойками. На одном конце рычага помещался груз, а на другом — снаряд или праща.

Первые сведения о метательной машине, похожей по принципу действия на фрондиболу, встречаются в Китае в V веке до н.э. в трудах древнекитайского философа Мо Ди. Первое известное упоминание о прототипе фрондиболы в Европе содержит сочинение архиепископа фессалоникийского Иоанна «Чудеса святого Димитрия», составленное в 610—620 годах. Мощные фрондиболы, способные разбивать стены городов, появились впервые в Византии. В них стал использоваться многотонный груз-противовес, что позволило очень сильно увеличить дальнобойность и массу метаемых снарядов. С XII века тяжёлые фрондиболы широко используются в феодальных войнах, и до конца XIII века остаются эффективным стенобитным средством. А более легкие фрондиболы использовались в качестве противопехотных или для разрушения неукреплённых зданий и сооружений. На Руси подобные камнемёты вместе с катапультами и баллистами назывались по́роками (рис.1).

Рисунок 1.

Одно из последних применений порока на Руси - это военные действия Русского царства против Казанского ханства проводившиеся с1545 года по 1552 год.

2.Конструирование фрондиболы [2]

При выполнении работы мы использовали следующие материалы:

• Фанера (25 * 60 см) – платформа

• Две деревянные рейки (2,5 * 10 * 45 см) – распорки

• Четыре деревянные рейки (2,5 * 5 * 38 см) – подпорки

• Две деревянные рейки (2,5 * 5 * 34 см) – стойки

• Деревянная рейка (0,5 * 3 * 67 см) – катапульта

• Металлическая ось (0,8 * 34 см)

• Полоска ткани (7 * 11 см) – праща (рис. 8)

• Веревка длиной 85 см (рис. 5, 6 и 8)

• Медный штифт

• Две гири для противовеса (рис.7)

• Четыре ролика с шурупами

• 4-сантиметровый шуруп

• 3-сантиметровый шуруп

• Три шурупа с кольцом диаметров 8 мм

• Два 1,8 см гвоздя для линолеума

• Две 8-миллиметровые шайбы

• Дрель со сверлами 8, 4 и 2 мм

• Пила

• Отвертка

• Кусачки

• Плоскогубцы

• Нож для рукоделия

Рисунок 1а. Рисунок 1 б.

В результате сборки фрондиболы она имеет следующий вид (рис. 2а, 2б)

Рисунок 2 а. Внешний вид. Рисунок 2 б. Внешний вид.

В качестве противовеса, в результате сборки и проверки ее работы были выбраны два диска от штанги. Масса противовеса составляет 2 кг (рис. 3)

Рисунок 3. Противовес.

3. Исследование работы фрондиболы

3.1. Зависимость дальности полета груза от длины спускового шнура

( Опыт № 1)

Для качественной работы фрондиболы необходимо было подобрать длину спускового шнура, т.к. фрондибола в некоторые моменты времени метала груз в противоположную сторону. Было сделано предположение, что на это влияет длина спускового шнура.

Для определения оптимальной длины спускового шнура была проведена серия запусков с фиксированной массой снаряда (железный брусок,

m = 45,73 г) и массой противовеса (M = 2 кг).

Рисунок 4. Шнур.

Таблица 1. Результаты измерений дальности полёта в зависимости от длины шнура

Длина шнура l, см	L₁, см	L₂, см	L₃, см	Lср, см	ΔL, см
1,5	0	0	0	0	0
3,0	0	0	0	0	0
5,0	185	205	195	195	±10
6,0	170	190	180	180	±10
9,0	450	470	460	460	±10
11,5	0	0	0	0	0

Диаграмма 1 «Результаты проверки зависимости дальности полета от длины спускового шнура»:

Вывод: В ходе работы было установлено: при длине спускового шнура 9 см дальность полета максимальная, равна 460 см.

3.2. Зависимость дальности полета груза от его массы (Опыт № 2)

Эксперимент проводился при оптимальной длине шнура (l = 9 см). Использовались снаряды различной массы и формы. Масса грузов была измерена на электронных весах.

Таблица 2. Параметры снарядов и результаты измерений

Вывод: Экспериментально показано - явно выраженной зависимости от массы груза не наблюдается.

3.3.Определение параметров движения снаряда (Опыт № 3)

Движение снаряда описывается системой уравнений кинематики тела, брошенного под углом α к горизонту [4]:

Рисунок 9 [4]

y = y₀ + _* t +

x = x₀ + _* t + – уравнение движения снаряда

из этой формулы следует формула, по которой мы найдём скорость:

, где l – расстояние от начала полёта до места, на котором приземлился груз. Его измерили с помощью рулетки (2,65 м).

α– угол, под которым полетел груз.

Угол был рассчитан, когда сделали несколько видео и, разделив по кадрам, выделили те, при которых груз начинал лететь. Получилось два кадра. На первом кадре (рис. 10) угол равен 37°, на втором (рис. 11) равен 77°.

После рассчитали среднее число, ровняющееся 57°, и посмотрели в таблице значение = 0,5446, sin 57⁰ = 0,4362

Рисунок 10 Рисунок 11

= = = 7,47 м/с

= 0,652 с

=

=

3.4. Изучение закона сохранения энергии (Опыт № 4)

Для изучения закона сохранения энергии выберем две точки: первая точка начало координат, вторая точка максимальная высота подъема груза.

- закон сохранения энергии для наших расчетов

E_k1 = = 1,67 Дж

E_п2 = mgh_max = 1,31 Дж

Вывод: Закон сохранения энергии выполняется. Значения немного разнятся из-за погрешности в измерении и сопротивлении воздуха.

Заключение

В ходе выполнения работы была достигнута поставленная цель: с помощью самостоятельно изготовленной модели фрондиболы экспериментально изучены основные законы классической механики. Выдвинутая гипотеза подтвердилась: действующая модель метательной машины позволила наглядно продемонстрировать кинематику движения тела, брошенного под углом к горизонту, и проверить закон сохранения механической энергии в условиях школьного эксперимента.

В результате проведённых исследований установлено, что дальность полёта снаряда существенно зависит от длины спускового шнура. Оптимальное значение составило 9 см, при котором максимальная дальность достигла 460 см. Влияние массы снаряда на дальность полёта не выявило чёткой линейной зависимости, что объясняется сложным характером передачи энергии в системе «противовес–рычаг–праща», инерционными эффектами и аэродинамическим сопротивлением. Методом видеоанализа были определены начальные параметры движения: скорость вылета составила ≈7,47 м/с, средний угол вылета – 57°, время полёта – 0,65 с.

Проверка закона сохранения механической энергии показала близость значений кинетической энергии снаряда в момент отрыва от пращи (1,67 Дж) и потенциальной энергии в верхней точке траектории (1,31 Дж). Расхождение значений обусловлено погрешностями видеокадрирования, трением в оси рычага, деформацией ткани пращи и сопротивлением воздуха. Тем не менее, сохранение общей тенденции подтверждает работоспособность модели и корректность применённого методического подхода.

Созданная установка обладает высокой наглядностью, безопасностью и низкой себестоимостью. Она может быть рекомендована для использования учителями физики на уроках и в рамках проектной деятельности учащихся 8–9 классов как демонстрационный комплекс для изучения законов кинематики и динамики. В перспективе планируется усовершенствовать конструкцию (уменьшить трение в узлах, добавить калиброванные датчики), провести серию опытов с варьированием массы противовеса и внедрить автоматическую обработку видео для повышения точности измерений.

Список литературы

1. Перышкин, А.В. Физика. 9 класс: учебник для общеобразовательных организаций / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 12-е изд., стереотип. – Москва: Дрофа, 2020. – 320 с.

2. Касьянов, В.А. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных организаций : базовый и углублённый уровни / В.А. Касьянов. – 6-е изд., перераб. – Москва : Дрофа, 2019. – 271 с.

3. Веккионе, Г. Занимательные опыты: 100 интересных экспериментов, которые помогут понять законы окружающего мира / Г. Веккионе ; пер. с итал. А.С. Егоровой. – Москва : АСТ : Астрель, 2008. – 287 с. : ил.

4. Требушет [Электронный ресурс] // Большая российская энциклопедия: портал. – Режим доступа: https://bigenc.ru/c/trebushet-6a3f3e (дата обращения: 04.03.2026). (если доступна)

5. Закон сохранения механической энергии // Физика : учеб. пособие для 7–9 кл. / под ред. А.В. Перышкина. – М. : Просвещение, 2021. – С. 112–115.

Приложение