Проект "Кошка как объект физических исследований"

1

«Кошка Лёля как объект физических исследований»

Аннотация

        Работа «Кошка Лёля как объект физических исследований» посвящена изучению процессов в организме кошки и имеет прикладной характер.

        Целью исследования данной работы является выявление возможности использования домашней кошки или любого другого домашнего питомца как объекта физических исследований и создание  «Биомеханического паспорта кошки (домашнего питомца)».

        В процессе работы исследованы теоретические виды механического движения в жизни кошки: равномерное и неравномерное.

        Практически исследованы механические характеристики кошки  (масса, объём, плотность  тела животного, давление питомца на опору, средняя скорость, максимальная скорость, сила тяги, измерение механической работы и мощности кошки при подъеме   по лестнице, измерение мощности при движениях).

        Создан буклет «Биомеханический паспорт кошки Лёли».

2

Содержание.

3

Введение.

        Движение животных издавна привлекало 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, кошка.

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

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

        Цель исследования: выявление возможности использования домашней кошки как объекта физических исследований и создание  «Биомеханического паспорта кошки».

        Задачи:

- познакомиться со специальной литературой;

- посетить различные интернет-сайты, посвященные изучению кошек;

- исследовать механические характеристики кошки (масса, скорость, объем, плотность, давление на опору,  механическую работу,  мощность).

- обобщить и систематизировать результаты исследования в виде буклета «Биомеханический паспорт кошки».

        Методы исследования:

- обзор литературы;

- обзор информации по сети Интернет;

- исследовательская деятельность.

        Объект исследования:

Кошка Лёля, возраст – 3 года.

        Гипотеза исследования:

Физика как наука применима для изучения домашних животных.

        Новизна исследования:

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

         Практическая значимость:

Данный материал можно использовать на уроках физики в качестве домашних лабораторных работ, а также для создания паспорта кошек или других домашних питомцев.

        Актуальность исследования:

Все измерения апробированы на домашней  кошке  Лёле.

4

План работы

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

5

Учение о физике животных

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.

        Также изучено, что люди, у которых есть кошки, живут дольше и менее подвержены стрессам и сердечным приступам.  

        1 марта в России отмечается День кошек. Всемирный день кошек отмечается 8 августа.

6

Механические характеристики кошки.

        Измерение механических характеристик кошки 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.  

7

Эксперимент № 1

Тема эксперимента: Измерение средней и максимальной скорости кошки.

Цель эксперимента: Измерить среднюю и максимальную скорости кошки.

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

Ход эксперимента:

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

Расчет скорости:

V1 =S2 /t1 = 3:1,08 =2,77 м/c;  

V2 =S2 /t2 = 4:1,3 = 3,07 м/c;

V3 =S3 /t3 = 5:2 = 2,5 м/c.

Расчет средней скорости:

Vср =Sвесь/tвсе = (3+4+5) / (1,08+1,3+2) = 12/ 4,38 = 2,74 м/c = 2,74 · 3,6 = 9,86 км/ч

Вывод эксперимента. В результате исследования средняя скорость кошки равна 2,74 м/с,  максимальная – 3,07 м/с.

По данным исследований во время бега домашняя кошка может делать рывки со скоростью до 50 км/ч.  Скорость кошки Лёли составляет всего 22 % от максимально возможной скорости, которую может развивать кошка.

8

Эксперимент № 2

Тема эксперимента:  Измерение массы кошки.

Цель эксперимента: Измерить  массу кошки Лёли.

Приборы и материалы: напольные весы.

Ход эксперимента:

1. Определяем цену деления весов. Берем на шкале два любые ближайших числа,  из большего вычитаем меньшее, а разность чисел делим на количество делений между ними.

Ц. д. = (10-5)/5=1 кг.

2. Измеряем массу кошки с помощью напольных весов. Считаем количество делений и умножаем на цену деления.

Масса Лёли  m = 1кг · 4= 4кг.

3. Результаты измерений вносим в таблицу.

Вывод: Кошка в среднем весит 3- 5 кг. Масса Лёли соответствует среднестатистическим данным. Согласно книге рекордов Гиннеса масса самого большого кота 21 кг. Масса Лёли  составляет 19 % данной массы.

Эксперимент № 3

Тема эксперимента:  Измерение объема кошки.

Цель эксперимента: Измерить объем кошки.

Приборы и материалы: круглый таз с водой, измерительная лента, карандаш, линейка.

Ход эксперимента:

Измерения объема кошки будут состоять из 2 этапов. Измерение объема тела – как тела неправильной формы. Измерение объема головы из учета того, что форма головы приближена к окружности.

1. Измерим диаметр таза d= 25 см. 

9

2. Нальем в таз воды.  Отметим на боковой стенки таза уровень воды черточкой h1=13 см.

3. Опустим кошку в воду до уровня головы. Вода в тазу поднялась. Отметим черточкой новый уровень воды h2=25 см.

4. Вычислим высоту подъема воды h=h2-h1=25-13=12 см.

5. Найдем объем вытесненной воды, а значит и объем тела кота V1,без учета головы. V 1 = S· h (основание на высоту). Так как основание таза окружность, получаем  V 1 = πR2· h = π(d/2)2· h= 3,14·(25/2)2·12= 5887,5 см3 = 0,0058875 м3

6. Измерим обхват головы с помощью измерительной ленты l=29 см.

7. Рассчитаем объем головы кота по формуле V2 = 4/3 π R3. Радиус окружности головы кота найдем из формулы длины окружности l=2πR, отсюда следует, что R=l/2π.

Итоговая формула примет вид V2 = 4/3 π (l/2π)3=1649 см3=0,001649 м3.

8. Объем кошки Лёли находим сложением объема тела и объема головы                   V = V 1+V 2 =5887,5 +1649 =7536,5 см3=0,0075365 м3.

9. Данные заносим в таблицу.

Вывод эксперимента: Объем кошки Лёли составляет 0,0075365 м3.

Эксперимент № 4

Тема эксперимента: Измерение плотности кошки.

Цель эксперимента: Измерить плотность кошки.

Приборы и материалы: данные предыдущих измерений.

Ход эксперимента:

1. Плотность рассчитывается по формуле ρ =m/V.

2. Данные вносим в таблицу:

3.Используя данные таблицы, рассчитываем плотность кошки по формуле              р =m/V=4кг/0,0075365 м3 = 530,7 кг/м3.

Вывод эксперимента:  Плотность Лёли равна 530,7 кг/м3.

Эксперимент № 5

Тема эксперимента: Измерение давления кошки  на опору (пол).

Цель эксперимента: Измерить давление кошки на опору в положении стоя, сидя, лежа; 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.

10

2. Рассчитаем силу тяжести. Для этого умножим массу кошки на ускорение свободного падения. F тяж = g·m = 4кг ·9,8Н/кг =39,2 H , где F тяж – сила тяжести; g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кошки. Значение массы кошки возьмем из 2 исследования.

3. Площадь опоры кошки (S) определяем следующим образом. Поставим кошку на лист клетчатой бумаги и обведем контур той части, на которую опирается кошка. Сосчитаем количество квадратиков и умножим на площадь одного квадратика (1/4 см2 ) .  Данные занесем в таблицу. 

S1 = 47·0, 25 см2 = 11, 75см2 =0, 0012 м2

S2 = 1876·0,25 см2 = 469см2 = 0, 0469 м2

S3 = 8688·0,25 см2 =2172см2 = 0, 2172 м2

4. Рассчитаем давление оказываемое котом на пол, данные внесем в таблицу.

  P1 = 39,2 Н /0,003525 м2 =  11120,6 Н/ м2 ≈ 11120,6 Па ≈  111,2 кПа

  P2 = 39,2 Н / 0,013675м2 =2866,5 Н/ м2 ≈ 2866,5  Па ≈  2,87 кПа

  P3 = 39,2 Н / 0,0781м2 = 501,9 Н/ м2 ≈ 501,9 Па ≈ 0,5 кПа

Вывод эксперимента: Жираф, верблюд и кошка – это единственные животные – иноходцы, при ходьбе у них идут сначала левые ноги, а потом правые. Такая ходьба гарантирует скорость и тишину. При ходьбе кошки опираются на лапы.  Давление, оказываемое кошкой на пол  максимально в положении стоя. Минимальное давление кошка оказывает в положение лежа. Как показывают результаты  исследования, чем меньше площадь, тем больше давление на опору.

Эксперимент № 6

Тема эксперимента: Измерение механической работы  и мощности кошки при подъеме по лестнице.

Цель эксперимента: Измерить механическую работу и мощность кошки 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 кошки, g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кошки.  Мощность можно вычислить по следующей формуле N=A/t, где А – это работа, t- время.

11

2.Значение массы кошки нам известно из опыта №2, запишем его в таблицу.

3.Для определения высоты, на которую по лестнице  поднялась наша кошка, опустим ластик, привязанный к нити в лестничный пролет. Завяжем на нити узелок, когда ластик коснется пола. Измерим длину нити, это и будет высота подъема кошки. Данные занесем в таблицу.

4.Определим по секундомеру время, затраченное Лёлей на подъем по лестнице. Данные занесем в таблицу.

5.Вычислим механическую работу и мощность по формулам:

A= mgh= 4кг ·9, 8 Н/кг ·1,6м = 62,72 Дж

N=A/t=62,72 /1,5= 41,8 Вт.

6.Данные занесем в таблицу.                                                

Вывод эксперимента: Работа, совершаемая кошкой при подъеме по лестнице равна 62,72 Дж, мощность при этом подъеме 41,8 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 Лёлей, составляет около 6%  мощности человека.

12

Эксперимент № 7

Тема эксперимента: Измерение силы тяги кошки.

Цель эксперимента: Измерить среднюю силу тяги кошки.

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

Ход эксперимента:

1.На кошку надеваем ошейник, к нему крепим поводок и прикрепляем динамометр.

2. Удерживая динамометр, замеряем максимальные показания прибора при: беге кошки за приманкой, за бантиком, на клич хозяина.

3.Данные записываем в таблицу.

4. Рассчитываем среднюю силу тяги по формуле

Fсредняя = (5+5+4) / 3= 14/3=4, 6 Н.

Вывод эксперимента.  Наибольшую силу тяги кошка  развивает при беге за приманкой и бантиком. 

Эксперимент №8

Тема эксперимента: Измерение мощности при движениях  кошки.

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

Приборы и материалы: данные предыдущих опытов.

Ход эксперимента:

1. Механическую работу кошки при движениях будем рассчитывать по следующей формуле N=A/t. Так как А = F·S, получаем N= F·S/t. Учитывая, что S/t=v, получим N=F·v. 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·v= 4,6 Н ·2,74 м/с =12,6 Вт.

Вывод эксперимента: Сравнивая результаты 6 и 8 экспериментов, мы видим, что мощность кошки при движениях меньше, чем мощность кошки при подъеме по лестнице, и составляет 30 %.

13

14

Заключение.

        Кошка доставляет человеку большое эстетическое удовольствие. Помимо этого ее можно рассматривать как интереснейший объект физических исследований.

        Моя работа имеет практическую направленность. В моей работе получила подтверждение гипотеза о том, что законы физики проявляются в  жизни кошки. Измерения, полученные в ходе работы, позволили создать биомеханический паспорт кошки Лёли. В   ходе исследований мной создана инструкция по составлению паспорта домашнего животного. Ее  можно использовать для создания паспорта кошек, собак, хомяков, кроликов, домашних крыс и т.д.

        Выбранная мной тема оказалась очень увлекательной. Хотелось бы продолжить дальнейшие исследования кошки. Особый интерес представляет способность кошек видеть в темноте, слышать звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, электризация, лечебное и успокаивающее действие, приземление кошек на четыре лапы при падении. В дальнейшем, изучая школьный курс физики, хотелось бы найти ответы на волнующие меня вопросы.

15

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. 7-9 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.

16

Инструкция

по созданию паспорта домашнего животного

(на примере кошки)