Исследовательская работа «Собака Баксик как объект физических исследований»

МБОУ «Верховажская средняя школа имени Я.Я.Кремлева»

Исследовательская работа

«Собака Баксик как объект физических  исследований»

Автор работы: Баранова Елизавета ,7а класс,

МБОУ  «Верховажская средняя школа имени Я.Я.Кремлева».

Руководитель: Попова Татьяна Ивановна,

учитель  физики.

с.Верховажье

2016 год

Введение.

Движение животных издавна привлекали внимание человека. Он хотел перемещаться по воде, воздуху, земле также легко и изящно. Однако прошло несколько тысячелетий, прежде чем люди создали науку о движении – механику – и сумели создать конструкции, превосходящие в скорости и дальности передвижения любым представителям животного мира. Но ученые непрерывно продолжают изучение особенностей живой природы, которые  позволяют машинам и механизмам не только устанавливать рекорды, но и работать и двигаться так же грациозно и бесшумно, как например кошке.

Физика – наука о природе, собака как домашнее животное, частица этой природы. Таким образом, для собаки должны быть справедливы все законы физической науки. Какую роль физика играет в жизни собаки?

Моя работа посвящена изучению физических процессов и явлений в жизни  собаки. Практически исследованы механические характеристики собаки: скорость, масса, температура, объем, плотность тела собаки, вес, давление  собаки на опору, механическая работа и мощность. Работа имеет прикладной  характер и позволяет  создать «Биомеханический паспорт собаки Баксика».

Цель исследования:

Выявление возможности использования собаки как объекта физических исследований и создание  «Биомеханического паспорта собаки Баксика».

Задачи:

1. Познакомиться со специальной литературой.
2. Посетить различные интернет-сайты, посвященные изучению собак.
3. Исследовать механические характеристики собаки (масса, скорость, объем, плотность, давление собаки на опору,  механическую работу, мощность).
4. Обобщить и систематизировать результаты исследования в виде буклета «Биомеханический паспорт собаки Баксика».

Методы исследования:

1. Обзор литературы.
2. Обзор информации по сети интернет.
3. Исследование.

Объект исследования:

Собака Баксик – возраст 6 лет.

Гипотеза исследования:

Физика как наука применима для изучения домашних животных.

Новизна исследования:

Измерения некоторых физических характеристик позволили создать методическое пособие для создания паспорта собаки.

 Практическая значимость:

Заключается в том, что данный материал можно использовать на уроках физики в качестве домашних лабораторных работ, а также для создания паспорта собаки.

Актуальность исследования:

Все измерения апробированы на своей собаке Баксике.

План работы.

Работа состоит из введения, теоретической части – учение о физике животных, практической части – механические характеристики собаки и заключения.

Основная часть.

1. Биомеханика. Развитие биомеханики как науки.

Биомеханика – наука о двигательной активности и двигательных возможностях человека и животных. Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios — жизнь и mexane — орудие. Как известно, механика - это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика — это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ.

Истоками биомеханики были работы Аристотеля и Архимеда. Первые научные труды написаны Аристотелем (384—322 гг. до н. э.), которого интересовали закономерности движения наземных животных и человека. А основы наших знаний о движениях в воде заложены Архимедом (287—212 гг. до н. э.).  Но только благодаря работам одного из блистательных людей средневековья - Леонардо до Винчи (1452- 1519), биомеханика сделала свой следующий шаг. Этот великий художник, математик, физик и инженер впервые высказал важнейшую для биомеханики мысль: «Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».

Р. Декарт (1596—1650) создал основу рефлекторной теории, представив, что основанием движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Объяснение данного факта является происхождение непроизвольных движений. 

В дальнейшем большое влияние на развитие биомеханики оказал итальянец Д. Борелли (1608—1679) — врач, математик, физик. В своей книге «О движении животных» по сути он положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики. Большой теоретический вклад был сделан основоположником отечественной биомеханической школы Н. А. Бернштейном (1896 – 1966) – создателем учения о двигательной деятельности человека и животных. В последнее время развиваются инженерная и медицинская биомеханика.

Развитие инженерной биомеханики позволило на базе Пермского государственного университета создать устройство с оригинальным названием «Падающий кот». Это модель кота, падающего с высоты. Модель имитирует движения кота в полете. Ученые пытаются ответить на вопрос: почему кошки всегда приземляются на 4 лапы. Разработчики модели уверены, что сфера применения разработки очень широка – вплоть до оборонных технологий.

2.Механические характеристики собаки.

Измерение механических характеристик собаки проводилось по следующему алгоритму:

1. Тема эксперимента.
2. Цель эксперимента.
3. Приборы и материалы, используемые в ходе эксперимента.
4. Ход эксперимента.
5. Таблица результатов.
6. Вывод опыта.

2.1. Измерение средней и максимальной скорости.

 Цель эксперимента: Измерить среднюю и максимальную скорости собаки.

Приборы и материалы: секундомер, рулетка, игрушки (мячик, косточка).

Ход эксперимента:

1. При помощи рулетки измерим расстояние, пройденное собакой.
2. При помощи секундомера измеряем время движения.
3.  Рассчитываем скорость по формуле υ=S:t.
4.  Результат измерения вносим в таблицу.
5. Рассчитываем среднюю скорость по формуле: υ=Sвесь/tвсе.  

 Расчет скорости:

υ1 =S2 /t1 =5:3=1,7м/c;  

υ2 =S2 /t2 =5:4=1,25м/c;

υ3 =S3 /t3 =5:5=1м/c.

Расчет средней скорости:

υср =Sвесь/tвсе = (5м+5м+5м) : ( 3с+4с+5с) = 15м:12с  = 1,25 м/c = 4,5 км/ч

Вывод эксперимента. В результате исследования средняя скорость собаки равна 4,5 км/ч,  максимальная – 6,12 км/ч.

По данным исследований средняя скорость собаки составляет 10 км/ч, во время бега собака может делать рывки со скоростью до 50 км/ч.  Скорость Баксика составляет всего  12,2 % от максимально возможной скорости, которую может развивать собака средних пород.

2.2. Измерение массы собаки.

Цель эксперимента: Измерить  массу собаки Баксика.

Приборы и материалы: напольные весы.

Ход эксперимента:

1. Определяем цену деления весов
2. Ц. д. =(10-5)/10=0, 5 кг.
3. Измеряем массу собаки с помощью напольных весов. Считаем количество делений и умножаем на цену деления.
4. Масса Баксика = 0,5 * 18 =9кг.
5. Результаты измерений вносим в таблицу.

Вывод:  Собаки средних пород в среднем имеют массу от 12,7 до 25 кг.  Масса Баксика ниже  среднестатистических данных. Согласно книги рекордов Гиннеса рекордсменом массы является собака по имени Айкама Зорбо, породы английский мастиф, которая попала в книгу рекордов Гиннеса, при росте 94 см и весе 155,58 кг. Масса Баксика составляет 5,8 % от данной массы.

2.3. Измерение объема собаки.

Цель эксперимента: Измерить объем собаки.

Приборы и материалы:  измерительная лента, карандаш, линейка.

Ход эксперимента:

Сначала мы предполагали измерить объем Баксика, используя таз с водой, но он не захотел купаться, поэтому объем тела собаки был вычислен. Измерения объема тела собаки состояли из 2-х этапов. Измерение объема тела  и лап– как тел цилиндрической  формы. Измерение объема головы из учета того, что форма головы приближена к окружности.

1. Измерим обхват головы с помощью измерительной ленты l = 35 см.
2. Рассчитаем объем головы собаки по формуле V1= 4/3 π R3. Радиус окружности головы собаки найдем из формулы длины окружности l=2πR, отсюда следует, что R=l/2π. Итоговая формула примет вид V 1= 4/3 π (l/2π)3=724см3=0,000724м3.
3. Измерим обхват туловища с помощью измерительной ленты l1=60 см, длина туловища – l2 = 57 см.
4. Рассчитаем объем туловища собаки по формуле V2= l2 π R2. Радиус окружности туловища найдем из формулы длины окружности l1=2πR, отсюда следует, что R=l1/2π. Итоговая формула примет вид V2= l2 π (l1/2π)2=5201см3=0,005201м3.
5. Измерим обхват лапки с помощью измерительной ленты l3=6 см, высота лапки – h = 23 см.
6. Рассчитаем объем лапки собаки по формуле V3= h π R2. Радиус  лапки найдем из формулы длины окружности l3=2πR, отсюда следует, что R=l3/2π. Итоговая формула примет вид V3= h π (l3/2π)2=21см3=0,000021м3.
7. У собаки 4 лапки, поэтому чтобы найти их общий объем, умножим объем одной лапки на 4. Получим объем всех лапок V4 =4· V3 = 4·0,000021м3 = 0,000084м3
8. Объем собаки находим сложением объема тела, головы и лап V = V 1+V 2 +V 4=724 + 5201 + 84 см3= 6009 см3=0,006009м3.
9. Данные заносим в таблицу. Вывод эксперимента.
10. Объем собаки Баксика составляет 0,006009 м3.

2.4. Измерение плотности собаки.

Цель эксперимента: Измерить плотность собаки.

Приборы и материалы: данные предыдущих измерений.

Ход эксперимента.

1. Плотность рассчитывается по формуле р =m/V.
2. Данные вносим в таблицу.

3. Используя данные таблицы, рассчитываем плотность р =m/V=9/0,006009= 1498кг/м3.

Вывод эксперимента. Плотность Баксика равна 1498 кг/м3 . Она близка к плотности воды 1000 кг/м3.

2.5. Измерение давления Баксика на опору (пол).

Цель эксперимента: Измерить давление собаки на опору в положении стоя, сидя; выяснить, зависит ли оно от площади опоры, и если зависит, то как.

Приборы и материалы: тетрадный  листок в клетку, карандаш.

Ход эксперимента.

1. Давление рассчитывается по формуле: Р =F/S=mg/S.
2. Рассчитаем силу тяжести. Для этого умножим массу собаки на ускорение свободного падения.
3. F тяж = gm=9·10=90 H , где F тяж – сила тяжести; g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса собаки. Значение массы собаки возьмем из 2 исследования.
4. Площадь опоры собаки (S) определяем следующим образом. Поставим собаку на лист клетчатой бумаги и обведем контур той части, на которую опирается Баксик. Сосчитаем количество квадратиков и умножим на площадь одного квадратика (1/4 см2 ) .   Данные занесем в таблицу. 

S1 = 288·0, 25 см2= 72см2=0, 0072 м2

S2 = 1740·0,25см2= 435см2= 0, 0435 м2

5. Рассчитаем давление, оказываемое собакой на пол, данные внесем в таблицу.

  P1 = 9 Н / 0, 0072 м2 = 12500 Н/ м2 ≈ 12500 Па = 12, 5 кПа

  P2 = 9 Н / 0, 0435 м2 = 2069 Н/ м2 ≈ 2069 Па = 2, 069 кПа    

Вывод эксперимента. При ходьбе собаки опираются на лапы.  Давление, оказываемое собакой на пол  максимально в положении стоя. Минимальное давление Баксик оказывает в положение сидя. Как показывают результаты  исследования, чем меньше площадь, тем больше давление на опору.

2.6. Измерение механической работы  и мощности собаки при подъеме по лестнице.

Цель эксперимента: Измерить механическую работу и мощность собаки при подъеме по лестнице.

Приборы и материалы: ластик, нить, секундомер, рулетка.

Ход эксперимента.

1. Механическая работа  рассчитывается по формуле -  A= mgh,  где h – высота подъема собаки, g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса собаки.  Мощность можно вычислит по следующей формуле N=A/t, где А – это работа, t- время.
2. Значение массы собаки нам известно из опыта №2, запишем его в таблицу.
3. Для определения высоты, на которую по лестнице  поднялся наш Баксик, опустим ластик, привязанный к нити в лестничный пролет. Завяжем на нити узелок, когда ластик коснется пола первого этажа. Измерим длину нити, это и будет высота подъема. Данные занесем в таблицу.
4. Определим по секундомеру время, затраченное Баксиком на подъем по лестнице. Данные занесем в таблицу.
5. Вычислим механическую работу и мощность по формулам:

A= mgh= 9·10·3=270 Дж

N=A/t=270/10=27 Вт.

Данные занесем в таблицу.                                                

Вывод эксперимента. Работа, совершаемая Баксиком при подъеме по лестнице равна 270 Дж, мощность при этом подъеме  27 Вт. Мощность человека при нормальных условиях работы в среднем равна 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт. Мощность, развиваемая Баксиком, составляет 1/3  мощности человека.

2.7. Измерение силы тяги собаки.

Цель эксперимента: Измерить среднюю силу тяги собаки.

Приборы и материалы: школьный демонстрационный динамометр, ошейник, поводок.

Ход эксперимента.

1. На собаку надеваем ошейник, к нему крепим поводок и прикрепляем динамометр.
2. Удерживая динамометр, замеряем максимальные показания прибора при: беге собаки за приманкой,  на клич хозяйки. Данные записываем в таблицу.

Fсредняя = (9,8+8,6) / 2 = 18,4/2=9,2Н.

Вывод эксперимента.  Наибольшую силу тяги собака развивает на клич хозяйки.

2.8. Измерение мощности при движениях  собаки.

Цель эксперимента: Измерить механическую работу, мощность при движениях  собаки.

Приборы и материалы: данные предыдущих опытов.

Ход эксперимента.

1. Механическую работу собаки при движениях будем рассчитывать по следующей формуле N=A/t. Так как А=FS, получаем N=FS/t. Учитывая, что S/t= υ, получим N=F·υ. То есть  мощность будем рассчитывать как произведение силы тяги на среднюю скорость.
2. Заносим значение средней силы тяги и средней скорости в таблицу.

3. Рассчитываем значение мощности, используя данные таблицы.

N= F·υ = 9,2·1,25=11,5 Вт.

Вывод эксперимента. Сравнивая результаты 6 и 8 экспериментов, мы видим, что мощность собаки при движениях меньше, чем мощность  при подъеме по лестнице, и составляет 42,6 %.

Заключение.

Собака издавна являлась самым верным другом человека. Наблюдение за ней доставляет человеку большое эстетическое удовольствие. Помимо этого ее можно рассматривать как интереснейший объект физических исследований.

Моя работа имеет практическую направленность. Измерения, полученные в ходе работы, позволили создать паспорт собаки Баксика (Приложение №1). В   ходе исследований мной создана инструкция по составлению паспорта домашнего животного (Приложение №2). Её  можно использовать для создания паспорта кошек, собак, хомяков, кроликов, домашних крыс и т.д..

Выбранная мной тема оказалась очень увлекательной. Хотелось бы продолжить исследования собаки. Особый интерес представляет способность собак видеть в темноте, слышать звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, электризация собак, оказывающая лечебное и успокаивающее действие. В дальнейшем хотелось бы найти ответы на волнующие вопросы.

Список источников и литературы.

1. Яворский Б.М. Физика. Механика. М.: Дрофа, 2002, 320 с.
2. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. М.: Просвещение, 1998, 128 с.
3. Кабардин О.Ф., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9-11 классы: учебное пособие для учащихся образовательных учреждений. М.: Вербум – М, 2001, 208 с.
4. http://russtil1.narod.ru/utkin1.html.
5. http://i-fact.narod.ru/cats.html.
6. http://q99.it/8AmgU0p.

Приложение №1.

Приложение №2.

Паспорт кота Моти.