III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
РЫЧАГИ В ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Организм человека – очень сложный «механизм». В нем можно найти, в том числе, и простые механизмы с точки зрения физики. Оказывается, все суставы в теле человека – это рычаги. Именно они помогают нам быть подвижными и выполнять огромное количество движений. А значит, чтобы мы долго могли оставаться физически молодыми, нужно знать, где они, как работают. И самое главное, как сделать так, чтобы они служили нам долго и хорошо. Давайте разберемся, что же такое рычаг, кто его изобрел, где они в теле человека и как работают.
Цель работы - исследование рычага как механизма в теле человека.
Задачи:
1. Найти и изучить информацию по теме проекта.
2. Изготовить продукт проекта – модель рычага, на нем изучить принцип действия сустава.
3. Найти и изучить рычаги в теле человека.
4. Создать презентацию по теме проекта и выступить на окружной конференции, а также перед одноклассниками при изучении этой темы на уроке физики.
5. Создать буклет с упражнениями для укрепления суставов и мышц.
Глава 1. История создания рычага.
Человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Такие инструменты, как мотыга или весло, применялись, чтобы уменьшить силу, которую необходимо было прикладывать человеку. В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия. Позже, в Греции, был изобретён безмен, позволивший изменять плечо приложения силы, что сделало использование весов более удобным. Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф (колодец с «журавлём»), прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой.
Неизвестно, пытались ли мыслители тех времён объяснить принцип работы рычага. Первое письменное объяснение дал в III веке до н. э. Архимед, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит так: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы — это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки — это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры». По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»
Рис. 1: Гравюра из «Журнала механики», изданного в Лондоне в 1842 году, изображающая Архимеда, переворачивающего Землю с помощью рычага.
Глава 2. Рычаги
2.1. Устройство и принцип действия рычага
Рычаг (рис.1) - твёрдое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры. На практике роль рычага могут играть палка, доска, лом и т.п. Любой рычаг имеет точку опоры и плечо. Плечо силы – кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует сила. Обозначается буквой l.
Условие равновесия рычага: рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.
Рис. 2Рис. 3
Именно это правило равновесия рычага и вывел Архимед (рис.3). Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече (или для получения большего перемещения на длинном плече с помощью меньшего перемещения на коротком плече). Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие. Прикладывая к длинному рычагу некоторую силу, можно другим концом рычага поднимать груз, вес которого намного превышает эту силу.
Это означает, что используя рычаг, можно получить выигрыш в силе.
2.2. Типы рычагов
По строению можно выделить рычаги трех типов:
-
В рычаге первого типа (рис.4) точки приложения сил лежат по разные стороны от точки опоры. Одна из сил пытается вернуть рычаг по часовой стрелке, другая - против часовой стрелки. Для того, чтобы получить выигрыш в силе, нужно, чтобы плечо, к которому приложена сила, было длиннее плечо нагрузки. Рис. 4
-
В рычаге второго типа (рис.5) обе точки приложения сил лежат по одну сторону от точки опоры и груз имеет меньше плечо. Чтобы поднять груз, необходимо направить силу вверх. Примеры таких рычагов - тачка, лом.
Рис. 5
-
В рычаге третьего типа (рис.6) обе точки приложения сил лежат по одну сторону от точки опоры, но тяжесть имеет большее плечо. При этом нужно прикладывать силу, превышающую груз. Пример такого рычага - ложка.
Рис. 6
Глава 3. Рычаги в теле человека
Но какую роль играет рычаг в теле человека? Разбиение тела человека на звенья позволяет представить их как механические рычаги, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать как точки. Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвонок), фаланги пальцев. Основными рабочими мышцами руки являются бицепс и трицепс. Когда человек поднимает одной рукой предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется.
3.1. Голова человека
Ось вращения черепа проходит через сочленение черепа с первым позвонком (рис.7). Спереди от точки опоры на коротком плече действует сила тяжести головы, позади – сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.
Рис. 7
3.2. Нога человека
Действие стопы при подъеме на полупальцы (рис.8). Опорой рычага в этом случае служит головка плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес тела, приложена к таранной кости. Мышечная сила, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пятки.
Рис. 8
3.3. Рука человека
Почему человеческая рука представляет собой столь совершенный рычаг? (рис. 9) На первый взгляд этот рычаг может показаться, напротив, весьма несовершенным. Под действием силы двуглавой мышцы рычаг-рука поднимает груз, находящийся на ладони. Точка приложения силы Fнаходится на расстоянии ОВ = 3 см от точки опоры (от локтевого сустава), а точка приложения силы тяжести Р — на расстоянии ОС = 30 см. Условие равновесия для рассматриваемого рычага имеет следующий вид: FOB= РОС. Отсюда следует, что F= Р ( ) = 10 Р. Таким образом, чтобы удержать груз, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающее силу тяжести груза. Не говорит ли это о несовершенстве руки-рычага?
Рис. 9
Легко сообразить, что такое устройство руки-рычага является как раз весьма совершенным. То, что мы проигрываем здесь в силе, не имеет особого значения, — мышца обладает достаточно большой силой. Зато очень важно то, что, проигрывая в силе, мы выигрываем в других отношениях.Небольшое сокращение длины мышцы позволяет в данном случае осуществить значительное перемещение ладони с грузом (мы можем поднять груз даже к плечу). Кроме того, мы выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут очень быстро сокращаться. К счастью, при таком рычаге этого и не требуется, поскольку скорость перемещения ладони с грузом оказывается в 10 раз больше скорости сокращения мышцы. Итак, проигрывая в 10 раз в силе, мы во столько же раз выигрываем в длине и скорости перемещения груза. Вообразим на минуту, что мышца была бы прикреплена, например, в середине лучевой кости. Такой рычаг позволял бы нам удерживать и поднимать в 5 раз более тяжёлые грузы. Но зато мы бы в 5 раз проиграли в высоте и скорости подъёма. Если сейчас мы можем поднять груз за одну пятую секунды, то в рассматриваемом случае нам потребовалась бы для этого целая секунда. К тому же, какими поистине уродливыми сделались бы наши конечности! Кому нужен выигрыш в силе, если он достигается ценой утраты подвижности, свободы перемещений, изящности строения тела? Именно потому, что природа предпочла проиграть в силе, наши конечности оказались столь совершенными рычагами.
Глава 4. Укрепление суставов и мышц
Но каким бы совершенным не был человек, нужно стремиться поддерживать это совершенство. Для этого всего лишь требуется выполнять определенный комплекс упражнений, а самое главное – правильно питаться и вести здоровый образ жизни!(рис.10)
Всем нам известны важные функции суставов, которые обеспечивают движение и полноценную жизнь. Физические упражнения помогают укрепить Рис. 10 суставы, защитить от преждевременного старения (износа). Некоторые упражнения даже способны снять или уменьшить суставную боль. Если выполнять упражнения для укрепления суставов ежедневно, то улучшится состояние мышц, связок, сухожилий вокруг сустава, которые будут поддерживать сам сустав и делать его сильным, здоровым, защищённым. Предлагаю вашему вниманию комплекс упражнений для укрепления мышц и суставов. Я уверена, что эти упражнения вам знакомы. Внимание! Есть противопоказания, нужно посоветоваться с врачом.
Заключение
Природа создала человека совершенным с точки зрения физики, а конкретно использования рычага. Нам, людям, остается только брать у природы все самое ценное и важное. В результате такой работы сегодня ученые разработали универсальные, очень удобные протезы для людей (рис.10, 11): руки и ноги. Они сегодня настолько совершенны, что их сложно отличить от настоящих.
Рис. 10Рис. 11
И в робототехнике используются знания о строении суставов человека, что позволяет создать роботов, не отличимых от людей (рис.12).
Рис. 12
Разработаны специальные упражнения по укреплению мышц, но зачем их выполнять? Дело в том, что если вести ленивый образ жизни, то могут возникнуть проблемы со здоровьем, а укрепление именно таких мышц особенно необходимо. А главное, ученые и врачи доказали, что двигательная активность стимулирует развитие умственных способностей человека, а значит, помогает лучше учиться!
Подводя итог всему выше сказанному, можно сделать вывод о том, что все поставленные задачи работы были решены:
-
Я подобрала необходимую информацию по теме
-
Нашла рычаги в теле человека и исследовала их
-
Сделала модель сустава и изучила его
-
Нашла упражнения для укрепления суставов и мышц.
Цель достигнута. Мою работу можно использовать на уроках физики при изучении темы «Простые механизмы» в 7 классе. Продолжением и углублением данной работы может стать исследование влияния нагрузки на работу мышц и суставов человека. Для себя я сделала такой вывод: чтобы быть в хорошей физической форме, нужно систематически выполнять упражнения для суставов и мышц.
Библиографический список
-
Генденштейн Л. Э. «Физика. 7 класс» - М.: Мнемозина, 2012 - 255 с.
2. Рычаг/ [Электронный ресурс] // Интернет - сайт «ВикипедиЯ» Режим доступа https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D1%8B%D1%87%D0%B0%D0%B3
3. Рычаги и маятники в теле человека / [Электронный ресурс] // Интернет – сайт «Биофайл» Режим доступа http://biofile.ru/bio/16186.html
4. Простые механизмы и применение: рычаг, равновесие сил на рычаге / [Электронный ресурс] // Интернет – сайт «Надо5» Режим доступа http://www.nado5.ru/e-book/prostye-mekhanizmy-rychag
5. Упражнения для укрепления суставов / Электронный ресурс // Интернет – сайт «Излечим все» Режим доступа http://izlechimovse.ru/uprazhneniya-dlya-ukrepleniya-sustavov
14