"Биомеханические свойства домашней кошки"

Министерство образования и науки РК

МКУ «Управление образования и культуры АЛРМО»

МКОУ «Красинская общеобразовательная школа

им. Л.И. Манджиева»

Муниципальный конкурс

научно — исследовательских работ

и проектов учащихся

«Ломоносовские чтения»

Секция: «Физика и астрономия, информатика»

«Исследование биомеханических свойств

домашней кошки»

   Работу выполнила:

Мельникова Алена Алексеевна,

ученица 8 класса                                                                                                                                                          

                      МКОУ «Красинская СОШ

им. Л.И. Манджиева»

                                                                                Руководитель:                                                                                 Егорова Галина Николаевна,                                                                              учитель физики

 МКОУ «Красинская СОШ

им. Л.И. Манджиева»

с. Красинское, 2020 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………...3

Глава 1. Теоретическая часть……………………………………………………………..5

1.1. История происхождения кошек……………………………………………………...5

1.2. Механические и звуковые явления в жизни кошки………………………………...6

1.3. Лечебные свойства кошки……………………………………………………………7

1.4. Науки о кошках……………………………………………………………………….8

Глава 2.  Исследовательская часть……………………………………………………...10

2.1. Механические характеристики кошки……………………………………………..10

2.1.1. Измерение массы кошки………………………………………………………….10

2.1.2. Измерение объема кошки…………………………………………………………11

2.1.3. Измерение плотности кошки……………………………………………………..13

2.1.4. Измерение температуры тела кошки……………………………………………..13

2.1.5. Измерение давления кошки на опору……………………………………………14

2.2. Кинематика кошки…………………………………………………………………..15

2.2.1. Измерение средней скорости кошки……………………………………………..16

2.2.2. Ускорение кошки…………………………………………………………………..17

2.2.3. Колебания в жизни кошки………………………………………………………...17

2.3. Социологический опрос…………………………………………………...………..17

Заключение……………………………………………………………………………….20

Список литературы……………………………………………………………………....21

Введение

        Физика — наука о природе. Изучая физику, мы знакомимся со многими физическими величинами, учимся их измерять, но все опыты на уроках проводятся с неживыми объектами. В настоящее время характерно взаимопроникновение различных наук, рождение новых отраслей знаний и их бурное развитие. Появились такие науки, как биофизика, биохимия, бионика.  Биофизика — это наука о физических и физико-химических явлениях, протекающих в живых организмах и лежащих в основе жизненных процессов.

        Домашние животные — частицы этой природы, следовательно, законы физической науки должны найти в них свое проявление. Кошка — самое любимое, ласковое  создание, которое создает уют  в любом доме. Люди, которые любят этих животных, утверждают, что они  приносят удачу, счастье, богатство, человек становится добрее и терпимее. Они умеют любить, лечить, спасать от одиночества, быть преданными и верными. В настоящее время, во многих семьях, кошка является полноправным членом семьи. Но при этом на протяжении нескольких тысячелетий, кошка остается для человека маленькой загадкой.

        Актуальность работы заключается в том, что кошка всегда привлекала ученых как объект исследования.  Во многих трудах описана способность кошки приземляться на четыре лапы, что подтверждает закон сохранения момента импульса. В своей работе я хочу выяснить, может ли обычная кошка стать объектом физических исследований.

        Цель работы: выяснить действие законов механики на кошку.

        Задачи:

1. Изучить литературу о физических свойствах домашней кошки;
2. Рассмотреть физические процессы и явления в жизни кошки;
3. Исследовать  механические характеристики кошки;
4. Провести систематизацию связей, обобщить результаты исследования.

        Объект исследования: кошка Тэффи— 2 года.

        Предмет исследования: изучение физических процессов в жизни кошки.

        Гипотеза: если исследовать  виды механического движения и механические характеристики кошки, можно выяснить, какие законы механики проявляются в её  жизни.

        Методы исследования:

- наблюдение,

- эксперимент,

- анализ,

- социологический опрос.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. История происхождения кошек

        Кошка — самое популярное домашнее животное. Первые представители кошачьего семейства появились около 50 млн. лет назад. Основным прародителем домашних кошек считается проаилурус (рис. 1). Этот вымерший зверек был очень юрким и быстрым, гибким и безжалостным охотником. Большую часть времени проводил на деревьях, спускаясь с ветвей лишь в поисках добычи. Примерно 140 тыс. лет назад появилась степная кошка – один из подвидов лесного дикого кота (рис. 2). Степная, африканская или пятнистая кошка по сей день обитает в пустынных, горных и степных районах Азии, Африки, Индии, Казахстана и Закавказья. Это небольшие зверьки весом до 7 кг, в полосатых шубках песчано-сероватой окраски. Появление домашней кошки связывают именно с ее ближайшей «степной» родственницей. Путём эволюции и дальнейшего одомашнивания и возникла современная кошка. В ходе эволюции у кошек увеличились размеры мозга, мордочка стала короче, конечности чуть длиннее.  В мире в настоящее время  насчитывается более 500 млн. кошек.

         Биологи отмечают что «духовный мир» кошки утончён, но вместе с ним и дик. Зверёк не раскрывает его перед людьми, навязывающими ему свою любовь. Кошка различает интонации человеческого голоса, делит ощущения на приятные и неприятные, умеет выражать удовольствие и неудовольствие, радость, печаль, страх, надежду, отвращение и гнев.

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

Рис. 1                                                                 Рис. 2

1.2. Механические и звуковые явления в жизни кошки

        Кошка – совершенство природы.  Туловище длинное и гибкое. В сравнении с размерами животного кости не очень большие, отличаются плотностью и гибкостью, которую увеличивают не менее крепкие мышцы и сухожилия, довольно свободно соединяющие их. Именно последнее обстоятельство наделяет кошек неподражаемой грацией и изяществом движений.

        Своей грацией кошки обязаны не только скелету, но и быстроработающим мышцам. У кошки около 500 мышц, и все они прекрасно развиты. Самые сильные из них расположены на задних ногах, плечах, в области шеи и челюстей. На голове расположено 34 мышцы, что определяет достаточно хорошую мимику. Также хорошо развиты мускулы на пальцах.

        Наблюдая за походкой кошки, за тем как она бегает и прыгает, за положением тела кошки при падении, за тем как кошка мурлыкает и как кошка добивается обтекаемости своего тела, с точки зрения физики можно измерить некоторые механические параметры: производимое кошкой давление на пол, масса животного, высота его прыжков.

        Движения кошки удивительно быстры, легки и грациозны. Кошка движется, отталкиваясь от опоры. При этом внешние силы - силы тяжести, сила трения, сопротивление среды, вступают во «взаимодействие» с внутренними силами организма (напряжением мышц). Движение происходит благодаря совместной деятельности всех мышц и силе трения покоя. При беге животного возникает особый ритм: каждый очередной мах конечностей состоит из чередующихся ускорений и замедлений. Установлено, что только 1\5 часть из 40 мышц лапы кошки работает на передвижение, другие же остаются в покое как бы про запас, на случай чрезвычайных перегрузок. 

        Когда кошка падает, она всегда приземляется на все четыре лапы – за счет хвоста. Хвост во время падения совершает вращение, заставляющее всё тело животного поворачиваться в обратном направлении; так продолжается до тех пор, пока органы равновесия кошки не отметят, что её голова заняла правильное положение относительно поля тяготения. Затем происходит выравнивание тела животного относительно его продольной оси. Концом вращения кошки является сведение лап вместе, при этом она выгибает спину, хвост играет роль амортизатора.
        Мурлыканье кошки — это чередование двух звуковых импульсов, которые происходят при вдохе и выдохе. Мурлыканье помогает кошке заниматься самолечением: заживлять раны и укреплять кости.  Учёные считают, что мурлыканье можно использовать при лечении остеопороза, особенно у пожилых людей, так как физические упражнения им не под силу.

        Когда холодно кошка свертывается в клубок для того, чтобы сохранить тепло. Интересен факт, что кошка в сильный мороз ходит по снегу и не отмораживает лапы, ведь на подушечках нет шерсти (рис. 3). Оказывается, что на подушечках лап имеется тонкий слой, обладающий плохой теплопроводностью.

Рис. 3

1.3. Лечебные свойства кошки

        Когда в нашем организме или вокруг нас происходят какие-либо нарушения, кошка, улавливая, стремится на это место. Кошки очень любят находиться вблизи электроприборов, которые излучают отрицательные электромагнитные колебания.
Надо сказать, что кошки разные болезни лечат по-разному. Найдя больное место, одни ложатся на него, пытаясь согреть. Другие, выпустив свои коготки, как иголки иглотерапевта, начинают своеобразный массаж. Как правило, лечебные эффекты наступают при первых урчащих и мурлыкающих звуках, которые успокаивают и расслабляют. 
        Было установлено, что если в течение нескольких минут гладить кошку, у человека нормализуется кровяное давление, сокращается риск повторного инсульта и инфаркта. Наша кожа напрямую связана через нервные рецепторы с головным мозгом. Гладя кошку, мы передаём через кожу пальцев рук сигналы в мозг. У нас появляется чувство расслабления и спокойствия.

         Многолетние наблюдения за кошкой предполагают такой факт, что разные породы имеют свою область в целительстве. Например: 

- Длинношерстные кошки (персидская, ангорская, сибирская, бирманские и др.) – невропатологи, помогают при бессоннице, раздражении и депрессии. 
- Короткошерстные с плюшевой шерстью (экзотические, британские, шотландские, русские голубые и др.) - "специализируются" по сердечно-сосудистым заболеваниям. 
- Короткошерстные и бесшерстные породы (сиамские, ориентальные, сфинксы и др.) врачуют болезни печени, почек, гастрит, колит. 

1.4. Науки о кошках

        Фелинология (от лат. felinus — кошка и греч. logos — наука) — наука о кошках, подчеркнула, что кошки — умные животные.  Ведь между сложностью двигательных функций и объёмом мозга существует прямая связь. Они владеют такими приемами, как прыжки, лазанье, ползание, акробатика, умение сжиматься, молниеносно реагировать и замедленно двигаться. Люди, у которых есть кошки, живут дольше и менее подвержены стрессам и сердечным приступам.  Великий этолог Конрад Лоренц писал, что «некоторые животные демонстрируют свое настроение выражением морды, но никто из них так не преуспел в этом искусстве, как кошки». Кошки  могут прыгать в высоту, которая превышает её рост в 5 раз. Кошка великолепный акробат. Обе половины тела кошки могут двигаться в противоположных направлениях, и в любом направление могут вращаться её передние лапы. 

        Биомеханика (bios - жизнь и mechanike - наука о машинах) характеризуется применением основных принципов механики, то есть науки о механических движениях материальных тел и взаимодействиях, происходящих при этом между ними, к живым организмам. Основы биомеханики были заложены в глубокой древности (III-IV век до н.э.).  Архимед вывел закон о  равновесии  плавающих тел, Аристотель и Демокрит пытались объяснить органическую жизнь с точки зрения атомизма. Галилей закладывает основы механики, Гарвей объясняет механизм кровообращения в организме животного и человека. Эти исследования стали источником идей сравнения живого организма с машинами, работающими по законам механики. Гук в конце XVI века формулирует закон механики о зависимости между деформацией и напряжением упругого тела, который лег в основу биомеханического объяснения работы  мышц. Джованни Борелли в 1679 году выпускает книгу по биомеханике «О движениях животных». Открытие Ньютоном законов механики завершило формирование базиса для биомеханических исследований.

        Пазематология (от греческого «pasema» – «падение») - это наука о падениях кошек. Учеными отмечен удивительный феномен – «высотный синдром» , который гласит: чем выше здание, с которого упала кошка, тем меньше повреждений получит животное.  Это главный факт, на котором основано поверье, будто бы у кошки девять жизней. Известно, что кошки при падении с высоты всегда приземляются на четыре лапы. Такой феномен заинтересовал ученых.  В 1894 году впервые физиолог Марей представил снимки кошек в различных фазах падения. Оказалось, что кошка без хвоста падает так же, как и полноценная здоровая кошка, таким образом, был развеян миф о том, что кошка использует хвост, как аэродинамический руль.  
        Если кошка падает вниз спиной, она быстро ориентируется в пространстве и, изогнувшись, поворачивается в воздухе лапами вниз. В результате удар распределяется на четыре лапы.

         Еще одно преимущество кошки в том, что она умеет сгибать конечности, чтобы распределить силу удара по суставам и мышцам. Опасность сломать ногу при падении у взрослых выше, чем у детей; у детей выше, чем у кошек.

Глава 2.  Исследовательская часть

2.1. Механические характеристики кошки

2.1.1. Измерение массы кошки

        Кости, мышцы, связки и сухожилия составляют основную часть массы тела кошки. Организм кошки состоит из различных тканей, но с точки зрения биомеханики рассматриваются только три основных компонента - жировая масса и мышечная масса, которая приблизительно на 70% состоит из воды. Таким образом, воду можно рассматривать как третий компонент, определяющий массу тела.

        Массу кошки измерила с помощью весов (рис. 4):

- измерила массу ведра, mведра = 1 кг.

- поместила кошку в ведро и измерила общую массу: mобщая = 3 кг 800г

- определила массу кошки:

mкошки =  mобщая  - mведра = 3,8 кг — 1 кг = 2,8 кг

        Вывод:  так как организм кошки примерно на 70% состоит из воды, таким образом, 2,8кг*0,7≈1,96  кг в организме кошки составляет вода.

Рис. 4

2.1.2. Измерение  объёма  кошки

        Измерения объема тела кошки проводилось на основе закона Архимеда, который гласит так: сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела. Эксперимент проводила следующим способом (рис. 5):

- в таз поставила ведро, полностью налитое водой;

- погрузила кошку в ведро;

- определила объем вылившейся из ведра воды;

- найденный объем равен объему кошки (без учета головы).

Vтуловища кошки = 2100 см3

Рис. 5

        Далее определила объем  головы (рис. 6): обхват  головы l =36 см,

Принимая, что голова кошки имеет форму шара, можно рассчитать объём головы по формуле:

Vголовы = 788 см3

Тогда объём кошки можно рассчитать по формуле:  

Vкошки = Vтуловища кошки + Vголовы = 1900 + 788 = 2688 см3

Рис. 6

        С помощью сантиметровой ленты измерила длину кошки от ушей до кончика хвоста, длина равна 68 см. Измерила длину усов, она составила - 5 см (рис. 7). Тем самым по длине усов можно определить в какую самую маленькую щель может пролезть кошка. Моя испытуемая может свободно пролезть в щель размером 10 см.

Рис. 7

1. 2.1.3. Измерение плотности кошки

        Зная массу и объем можно вычислить плотность. Плотность, по определению - физическая величина, численно равная отношению массы тела к его объему. Результаты измерений массы и объёма возьмём из предыдущих опытов.

        Произведём расчет по формуле ,

где m- масса кошки;   V– объём тела кошки

V = 2688см3 = 0,002388  м3,   m = 2,8 кг.

= 2,8 кг / 0,002688 м3 =  1042кг/ м3     =1,042 г/см3

        Вывод: сравнивая плотность кошки, которая равна 1,042 г/см3  с плотность человека, равной 1 г/см3, и с плотностью воды 1 г/см3 (плотность человека равна плотности воды, так как человек в основном состоит из воды), плотность кошки незначительно больше.

        Погрешность составляет:  

∆ = ∆ƿ/ƿводы = (1042-1000)/1000 = 0,042*100% = 4,2%

2.1.4. Измерение температуры тела кошки

        Изучив литературу, я узнала, что температура тела кошки в нормальном состоянии  колеблется в пределах 38,0 — 39,5°С, у котят — более высокая. Температура тела зависит от физической и психической активности кошки. Кошки погибают, если температура их тела опускается ниже 18 0С или повышается более чем до 43,4 0С.

        В течение трех дней у кошки измеряла температуру утром, днем и вечером (рис. 8). Средние результаты  занесла в таблицу № 1.

Таблица № 1

        Вывод: по результатам исследования температура  моей кошки,  соответствует норме. По данным можно определить, что вечером активность кошки наибольшая.

Рис. 8

2.1.5. Измерение давления кошки на опору

        Давление на опору кошки рассчитаем из трех положений (стоя, сидя и лежа) по формуле:

=

Fтяж =   2,8 кг* 10 м/с2  = 28 H

        S – площадь опоры кошки, которую я вычисляла по площади фигур, получаемых очертаниями соответствующих контуров на  бумаге. Вот какие у нас получились результаты (рис. 9):

- 1 лапка - 32 клетки.        

- положение стоя -32*4 = 128 клеток.    

- положение сидя - 1064 клетки.

- положение лежа - 2102 клетки.

S1клетки = 0,25см2    = 0,000025 м2    

Sстоя = 128*0,25см2 = 32 см2= 0, 0032 м2        

Pстоя = 28Н / 0, 0032 м2 =  8750 Па = 8,75 кПа

Sсидя =1064* 0,000025 м2  = 0, 0266 м2  

Рсидя    =  28Н  /  0,0266 м 2  =  1053 Па =1,053 кПа

Sлежа =2102* 0,000025 м2= 0,053  м2  

Рлежа    =   28 Н  / 0,053  м2 = 528,3  Па = 0,5283 кПа

        Результаты вычислений занесли в таблицу № 2.

Таблица № 2

        Вывод: кошка в разных положениях оказывает давление от 528,3 Па до 8750 Па (первое значение в положении лежа, последнее значение в положении стоя). Чем меньше площадь опоры, тем больше давление кошки на пол, то есть максимальное давление кошка оказывает в положении стоя, минимальное – в положении лёжа.                

Рис. 9

2.2. Кинематика кошки

        Кинематику движения обеспечивают задние конечности с хорошо развитой мускулатурой. Передние конечности служат для поддержания тела. Анатомо-физиологические особенности кошки влияют на кинематику её движений. Двигательные возможности зависят от особенностей телосложения: длины и массы тела; пропорций туловища, конечностей.

        Пропорции и размеры тела у кошек существенно различаются, неодинаковы и их двигательные возможности. При ходьбе и беге длина и частота шагов обусловлены размерами тела и длиной ног. Движение головы осуществляется с помощью позвонков шейного отдела, которые подвижно соединены друг с другом. Кошка способна повернуть голову на 180°, что не может сделать ни одно млекопитающее. Упругость кошачьей походки объясняется изменениями конечностей. Это связано с тем, что кошка ступает на пальцы и ходит как бы на цыпочках. При ходьбе кошка выносит вперед одновременно левую переднюю и правую заднюю лапы или наоборот.

2.2.1. Измерение средней скорости кошки

        По данным источников, кошка при беге может развивать скорость до 50 км/ч ≈ 14 м/с.

        Чтобы вычислить скорость, надо знать расстояние и время, за которое она проходит. Я провела следующий эксперимент (рис. 10):

- при помощи рулетки измерила расстояние.

- время движения измерила при помощи секундомера.

- произвела  расчет скорости по формуле,где S – путь,  t - время движения.

- результаты измерений занесла в таблицу № 3:

Таблица № 3.

        Вывод: сравнивая полученные данные, мы видим, что при беге к еде скорость кошки составляет 7,4 % от  максимально возможной, равной 14 м/с. При беге на зов -  10,4 % от  максимально возможной.  В экспериментах средняя скорость Тэффи близка к средней скорости идущего человека vср человека =1,4 м/с.

6.                                                                                                                                     Время на зов                       Время к еде    
7. Рис. 10
8. 2.2.2. Ускорение кошки

        Эксперименты советских исследователей дали   ответ на вопрос, почему первой из живых существ в космос полетела Лайка, а не Мурка. Оказывается, кошки переносят двадцатикратное ускорение, а собаки — восьмидесятикратное!

9. 2.2.3. Колебания  в жизни кошки

        Ходьбу и бег кошки можно рассматривать как колебательное движение, в процессе которого, то нарушается, то восстанавливается равновесие тела. Движения кошки легки, грациозны, быстры. При этом сила тяжести, сила трения, сопротивление среды, вступают «во взаимодействие» с внутренними силами организма (напряжение мышц). Движение происходит благодаря совместной деятельности всех мышц и силе трения покоя. При беге животного возникает особый ритм: каждый очередной мах конечностей состоит из чередующихся ускорений и замедлений. Установлено, что только 1/5 часть из 40 мышц лапы кошки работает на передвижение, другие же остаются в покое  как бы про запас, на случай чрезвычайных перегрузок. Сердце кошки бьется со скоростью 110 - 140 раз в минуту, что вдвое быстрее сердца человека.

    2.3. Социологический опрос

        Среди учащихся 5 — 10 классов нашей школы было проведено анкетирование. Были опрошены 50 человек. Анкета состояла из следующих вопросов:

1. Живет ли у вас дома кот или кошка?

36 учащихся ответили — да, 14 учащихся — нет (диаграмма 1).

2. Какие физические свойства кошки вам известны?

На данный вопрос учащиеся дали следующие ответы: скорость — 12 человек; теплопроводность — 7 человек; давление — 6 человек; вес — 4 человека; 21 учащийся воздержался от ответа (диаграмма 2).

3. Знаете ли вы, что кошки обладают лечебными свойствами, какими?

41 учащийся ответили, что кошки лечат раны и 9 учащихся ответили — успокаивают нервы (диаграмма 3).

        Вывод: по данным опроса, у 72% учащихся дома есть кошка,  все учащиеся знают о лечебных свойствах этих домашних животных. Следовательно, кошка является любимым домашнем животном.

        По результатам анкетирования составлены диаграммы.

Диаграмма 1

Диаграмма 2

Диаграмма 3

Заключение

        На наш взгляд кошка интересное и малоизученное животное из тех, которых сумел приручить человек. Помимо эстетического удовольствия, которое человек получает при наблюдении за кошкой и общении с ней, кошку поистине можно считать интересным объектом при изучении многих физических явлений, некоторые из которых представлены в  работе.

        Работа посвящена изучению механических процессов в организме кошки. Я выяснила, как законы механики проявляются в жизни кошки, исследовала  теоретически биомеханику конечностей кошки и виды механического движения в жизни кошки: равномерное, равноускоренное, колебательное и вращательное.

        Практически исследованы механические характеристики кошки: масса, объём, плотность  тела, температура,  давление  кошки на опору, средняя скорость.

        Таким образом, получила подтверждение гипотеза о том, что законы механики проявляются в  жизни кошки. Это позволило достичь цели работы в том, что законы механики можно наблюдать на живом объекте.

        В основном  проблемы при выполнении работы были связаны с тем, что живой объект исследования, в отличие от нас, не понимал цели деятельности, и зачастую сопротивлялся. Приходилось учитывать привычку и характер, подстраиваться под настроение и ритм жизни. На практике я убедилась, насколько сложнее измерять физические характеристики живого существа.

        Надо сказать, что тема, которую я выбрала, была  для меня очень интересной, потому что кошки являются нашими домашними любимицами, и я убедилась, что кошек нельзя считать бесполезными для человека существами, что они представляют интерес и в качестве объекта для исследования и приносят большую пользу для здоровья.  

Список литературы

1. Кабардин О. Ф. , Орлов В А. Экспериментальные задания по физике. 9-11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. М.: Вербум – М, 2001.
2. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. М.: Просвещение,1988.
3. Литинецкий И. В.  Барометры природы. Москва. Дрофа. 2002г.
4. Непомнящий Н.  Кошка в вашем доме. Москва. Прфиздат. 1990 
5. Филлипов Ю. И. Домашние кошки. Москва. 1991 г.
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кот_Шрёдингера
7. http://lilek.ucoz.ru/index/koshki/
8. http://zoosfera.kz/articles.phtml