VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Занимательное равновесие
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Как-то в выходной день ко мне домой пришли друзья. Мы стали играть в компьютер, и тут отключили электричество. Ребята уже хотели уходить, но вдруг папа предложил показывать фокусы. Он спросил, кто из нас сможет поставить тарелку на остриё обыкновенной иглы. Мы сказали, что это невозможно. Но папа продемонстрировал нам свой фокус. Все ребята и я были в восторге! Потом, когда все гости ушли, я спросил у папы, как он смог так сделать. Он объяснил мне, что весь секрет в законах физики – сохранении равновесия и центре тяжести. Оказывается, без равновесия человек не смог бы ходить, птицы летать, а всё живое ориентироваться в окружающем их мире. Меня этот вопрос очень заинтересовал. Я решил подробнее изучить физический закон равновесия.
Объектом нашего исследования стали физический закон равновесия и центр тяжести.
Предмет исследования: занимательные игрушки и различные предметы, которые могут держать равновесия.
Цель нашей работы изучить роль центра тяжести для равновесия окружающих предметов.
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.
Методы исследования: наблюдения, сравнение, анализ, обобщение, эксперимент.
Гипотеза исследования: умея находить центр тяжести, можно самому изготовить интересные игрушки, которые держат равновесие.
В природе всё существует в равновесии, у всех предметов есть центр тяжести. Важно уметь находить его. В этом актуальность нашей работы.
ГЛАВА 1. Теоретическая часть
§1. Что такое равновесие
В физике 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. Существует три вида равновесия: устойчивое, неустойчивое, безразличное. С этим подробно можно познакомиться в разделе механики, называемым статикой, – наукой о равновесии тел.
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, которую по преданию использовал Галилей при изучении законов свободного падения тел. 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
«Не существует тела, у которого бы не было этой важнейшей характеристики. Кто-то ею доволен, кто-то не очень, но очень хочет её изменить» Альберт Эйнштейн.
Конечно, речь идёт о центре тяжести. В своём труде "О равновесии плоских тел" ещё Архимед, древнегреческий математик, физик и инженер, употреблял понятие центра тяжести. Видимо, оно впервые было введено неизвестным предшественником Архимеда или же им самим, но в более ранней, не дошедшей до нас работе. Прошло 17 веков, и Леонардо да Винчи сумел найти центр тяжести тетраэдра. Он же, размышляя об устойчивости итальянских "падающих" башен, в том числе - Пизанской, пришёл к "теореме об опорном многоугольнике".
Что же 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 его медиан. В некоторых случаях центр тяжести может находиться и вне тела. Например, у кольца он лежит на пересечении его диаметров.
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. У людей и животных он расположен во внутреннем ухе. Это сложный механизм, который помогает ориентироваться в пространстве. Окончательное развитие вестибулярного аппарата завершается к 10-13 годам жизни. Человек – это "тело на опоре". 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.
У растений тоже есть чувство равновесия. Это не совсем такой же баланс, как у человека или животного. Скорее растения реагируют на изменения в гравитационном поле. Это значит, что корни растений растут в направлении силы тяжести, а стебли растут против силы тяжести.
ГЛАВА 2. Практическая часть
§1. Описание опытов.
Изучив литературу о равновесии и центре тяжести различных тел, мы узнали, что равновесие предмета зависит от положения его центра тяжести. А как же определить центр тяжести? Познакомившись с различными «загадками равновесия», мы решили опытным путём найти центр тяжести у некоторых предметов. С этой целью нами были проведены эксперименты.
Опыт №1. Находим центр тяжести произвольной фигуры.
Мы вырезали из картона фигуру произвольной формы. В нескольких местах ближе к краю прокололи несколько отверстий (см. приложении 1). В горизонтально установленную зубочистку повесили фигуру. Очень важно, чтобы фигура свободно качалась на игле! Сделали отвес из тонкой нити и груза, и повесили на ту же зубочистку (отвес будет показывать вертикальное направление на подвешенной фигуре). Отметили на фигуре вертикальное направление нити. Сняли фигуру, и подвесили её за другое отверстие, снова отметили уже новое направление нити отвеса. Точка пересечения вертикальных линий и будет положением центра тяжести данной фигуры (см. приложение 2). Попробовали удержать нашу фигуру на шариковой ручке, поставив её в точку центра тяжести. Равновесие будет устойчивое, если главная тяжесть находится ниже точки опоры. У нас получилось! (см. приложение 2)
Опыт №2. Пробуем найти равновесие вилок.
Взяли морковку, воткнули в неё две вилки с противоположных сторон под некоторым углом. Снизу в морковку по центру воткнули зубочистку (см. приложение 3). Поставили зубочистку свободным концом на крышку стоящей бутылки. Наши вилки не падают! Но, так как зубочистка у нас воткнулась не по центру, вилки у нас висят под некоторым углом. Пробуем исправить ситуацию. Втыкаем зубочистку более ровно, ставим её на крышку. У нас все получилось! (см. приложение 3) Вилки висят строго вниз и не падают.
Опыт №3. Книжная Пизанская башня.
Сложили на краю стола книги стопкой так, чтобы верхняя книжка выступала над нижней. Укладываем книги одна на другую до тех пор, пока наша «Пизанская башня» не начала заваливаться. Мы убедились, что падение книг началось, когда центр тяжести стопки книг вышел за пределы нижней книги (см. приложение 4).
Опыт №4. Волшебный молоток.
Мы взяли большой гвоздь и молоток, сложили их вдоль друг с другом, надели на них ленту. Кончик гвоздя кладём на стол и потихоньку перемещаем молоток к краю. Наша конструкция держится! (см. приложение 5)
Опыт №5. Конструкция из гвоздей.
Нам понадобится 12 больших железных гвоздей, деревянный брусок. Большой гвоздь вбиваем в брусок. Остальные 11 гвоздей собираем на столе. Осторожно поднимаем всю конструкцию и размещаем на шляпке гвоздя. Она прекрасно держится и даже может крутиться.
Эксперимент показал, что система устойчива потому, что центр её масс находится ниже, чем точка опоры. Поэтому гвозди находятся в устойчивом равновесии (см. приложение 6).
§2. Изготовление игрушки.
После проведенных исследований решили самостоятельно изготовить игрушки, обладающие равновесием. Мы будем делать неваляшек. Удобнее всего их сделать в технике папье-маше. Понадобится четыре воздушных шарика, бумага, клей (клейстер).
Воздушные шары надуть до нужного размера, первый шарик должен быть немного больше, чем второй. Приготовить бумагу, необходимо нарвать её на мелкие кусочки. Обклеить шарики слой за слоем, оставляя небольшое отверстие сверху. Дать шарам высохнуть. Когда шары стали твёрдыми, лопнуть воздушный шар, который был внутри и вытащить его. В тот шар, что больше, нужно положить груз. Аккуратно разрезали бумажную основу шара пополам канцелярским ножом. В нижнюю часть укладываем груз и закрепляем это всё пластилином. После этого скрепляем две половинки шара и наносим ещё слой бумаги с клеем. После полного высыхания большого шарика, нужно соединить его с меньшим, чтобы получилась заготовка игрушки-неваляшки. Наносим последний слой бумаги с клеем и даём высохнуть.
У второй игрушки мы решили центр тяжести сделать в верхней части. Раскрашиваем неваляшек, и наши игрушки готовы! (см. приложение 7)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Развитие современной техники ставит перед инженерами-конструкторами самые разнообразные задачи. Многие из них связанны с производством и
эксплуатацией всевозможных машин и сооружений. Проектирование автомобилей, самолетов, космических ракет, зданий, мостов, плотин требует тщательных расчетов и знаний, при каких условиях они будут в равновесии. Устойчивость конструкций, механизмов – это необходимое условие при их эксплуатации.
Человек – часть природы и, следовательно, на него распространяется
действие законов физики. Зная условия равновесия, он способен сохранить равновесие своего тела и тех предметов, которыми он пользуется. Центр тяжести тела располагается у детей выше, чем у взрослых, у мужчин и женщин различно, это зависит от возраста, развития мускулатуры, костной основы и жирового слоя. В живом организме положение центра тяжести изменяется в зависимости от перемещения подвижных его частей (движения конечностей, изменение положения головы, наклоны туловища, др.). 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.
В ходе проделанной нами работы по теме исследования мы решили все поставленные задачи и сделали следующие выводы.
1. 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. Изучение этого свойства тел необходимо для понимания равновесия тел, при решении конструкторских задач, расчете устойчивости сооружений и во многих других случаях.
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 мы научились находить центр тяжести у различных предметов. В действительной жизни мы сталкиваемся с этим часто: как положить или поставить предмет, чтобы он не упал.
Было установлено, что:
- точка центра тяжести тела всегда стремится расположиться строго под точкой опоры;
- центр тяжести фигуры не всегда совпадает с геометрическим центром фигуры (только для однородного тела);
- чем выше находится центр тяжести тела, тем меньше необходимо усилий для его опрокидывания;
- чем ниже было тело, тем оно более устойчиво;
- чем шире тело, тем оно более устойчиво.
4. После проведённых исследований мы самостоятельно изготовили игрушки, обладающие равновесием с разными центрами тяжести.
Таким образом, цель нашей 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.
Мы считаем свою работу актуальной и практически значимой, так как она повышает интерес к изучению физики и доступна учащимся разных возрастов, даже не обладающих специальными знаниями в области физики. Каждый человек должен иметь представление о физических явлениях и законах, с которыми непосредственно сталкивается в повседневной жизни с самого раннего детства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волкова Е. Играем в учёных. Проводим эксперименты с водой, магнитом,
движением, весом/ Е.В. Волкова, С.Л. Микерин – Новосибирск: Сибирское
университетское издательство, 2008.-256с.
2. Гальперштейн Л. Забавная физика/ Москва : «Детская литература»,20-25 с.
3. Кикоин И. Физика.Учебник для 9 класса средней школы/И.К. Кикоин, А.К. Кикоин –Москва «просвещение»,108 с.
4. ПресГ.Дж. 300 опытов: увлекательных, познавательных и легко
выполнимых/Г. ДЖ. Прес – М.: АСТ: Астрель, 2009.-352с.
5. Тит Т. Научные забавы и занимательные опыты/ Т. Тит – М.: АСТ: Астрель, 210.-510с.
Список использованных источников
Равновесие тел (Электронный ресурс) – Режим доступа: http://class-fizika.ru/op22-10.html
Тарелка на иголке (Электронный ресурс) – Режим доступа: http://eksperimentiki.ru/publ/tomtit/tt1/tarelka_na_igolke/19-1-0-72
Устойчивое равновесие (Электронный ресурс) – Режим доступа:https://www.youtube.com/watch?v=sxqE0lvo4qA
Приложение 1
Находим центр тяжести произвольной фигуры.
Приложение 2
Центр тяжести произвольной фигуры.
Приложение 3
Равновесие вилок.
Приложение 4
«Книжная Пизанская башня».
Приложение 5
«Волшебный молоток».
Приложение 6
Устойчивое равновесие гвоздей.
Приложение 7
Изготовление игрушек с разным центром тяжести.