Работа посвящена изучению механических процессов в организме кошки и имеет прикладной характер. Исследованы теоретически виды механического движения в жизни кошки: равномерное, равноускоренное, колебательное, вращательное.
Практически исследованы механические характеристики кошки (масса, объём, плотность тела кошки, давление кошки на опору, температура кошки, средняя скорость).
Вложение | Размер |
---|---|
issledovatelskaya_rabota_fizicheskie_yavleniya_v_povedenii_koshki.docx | 962.09 КБ |
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Лицей им.Г.Ф.Атякшева
Исследовательская работа
«Физические явления в поведении животных
(на примере кошки)»
Автор работы:
Подойникова Полина
Мальцева Анна
Ученицы 7 класса
Руководитель:
С.В. Делянова,
учитель физики
МБОУ им.Г.Ф.Атякшева
г. Югорск,2014г
Оглавление
Аннотация__________________________________________________________________________3
Введение___________________________________________________________________________3
Глава 1 Кошка, биомеханика и другие науки_____________________________________________ 4
Глава 2 Механические характеристики кошки____________________________________________5
2.1 Измерение массы кошки___________________________________________________________5
2.2 Измерение объема кошки__________________________________________________________7
2.3 Измерение плотности кошки_______________________________________________________8
2.4 Измерение давление кошки на опору________________________________________________9
2.5 Измерение температуры кошки_____________________________________________________10
Глава 3Кинематика кошки____________________________________________________________10
3.1 Измерение средней скорости кошки_________________________________________________11
3.2 Измерение ускорения____________________________________________________________12
3.3 Механические колебания в жизни кошки____________________________________________13
Глава 4 Основы пазематологии________________________________________________________13
4.1 Падение и приземление___________________________________________________________14
4.2 Кошка в падении_________________________________________________________________14
Заключение________________________________________________________________________16
Список литературы__________________________________________________________________17
Работа посвящена изучению механических процессов в организме кошки и имеет прикладной характер. Исследованы теоретически виды механического движения в жизни кошки: равномерное, равноускоренное, колебательное, вращательное.
Практически исследованы механические характеристики кошки (масса, объём, плотность тела кошки, давление кошки на опору, температура кошки, средняя скорость).
Создан буклет «Паспорт здоровья кошки Муськи».
Физика не только может, но и должна глубоко вторгаться
в биологию, как своими средствами исследования,
так и свойственными ей теоретическими представлениями.
Академик Л.А.Арцимович
Актуальность работы
Характерной приметой нашего времени является взаимопроникновение различных наук, рождение комплексных отраслей знаний и их бурное развитие. Буквально на наших глазах возникли такие науки, как биофизика, бионика, биохимия. Биофизика - это наука о физических и физико-химических явлениях, протекающих в живых организмах и лежащих в основе жизненных процессов, а также о действии физических факторов на живые организмы.
Как объект исследований кошка всегда привлекала учёных. Во многих трудах описана способность кошки приземляться на четыре лапы, что подтверждает закон сохранения момента импульса (p=m*v). Пазематология (от греческого «pasema» - падение), наука о падениях кошек, представляет интерес для медицины: раскрытие секретов кошачьей живучести могло бы помочь уменьшить травматизм человека. Но полной картины о том, какие законы механики проявляются в жизни кошки, нет. Работа имеет прикладной характер и интересна тем, что позволяет составить «Паспорт здоровья» моей любимой кошки Муськи.
Предмет исследования: изучение физических процессов в организме кошки.
Объект исследования: кошка Муська –возраст 2 года.
Гипотеза: если исследовать виды механического движения и механические характеристики кошки, можно выяснить, какие законы механики проявляются в её жизни.
Цель работы: выяснить действие законов механики на кошку и создать «Паспорт здоровья» кошки Муськи.
Задачи:
Методы исследования: аналогия, классификация, моделирование, эксперимент, анализ
и синтез, наблюдение, опрос класса.
В наше время, конечно же, мало стран, где считают кошку священным животным, но то, что она во многих семьях их полноправный член, это факт. И при этом кошка остается маленькой загадкой, которая живет рядом с человеком несколько тысячелетий. Ученые получили много новых данных об этом зверьке, но они в своих исследованиях до сих пор не поставили последней точки, а мир продолжает удивляться невероятным способностям этих маленьких созданий. Первые представители кошачьего семейства появились около 50 млн. лет назад. Это были хищные животные, похожие на горностая. Из них путем эволюции и последующего одомашнивания и возникла современная кошка.
Кошка - совершенство природы. Кошкам нет равных в многообразии их физических возможностей. Туловище длинное и гибкое. Кости в сравнении с размерами животного 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.
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».
1 марта в России отмечается День кошек. Всемирный день кошек отмечается 8 августа.
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. 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, т.е. 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.
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.
1.Массу кошки можно измерить, используя весы.
2. Определим цену деления шкалы весов. Берем на шкале два любые ближайших числа, из большего вычитаем меньшее, а разность чисел делим на количество делений между ними
Ц.Д весов = (3кг- 2кг)/10 = 1кг/ 10 = 1000г /10 = 100 г.
3.Отмечаем деление, которое показывает стрелка весов. Определим число маленьких делений, пройденных стрелкой весов, умножим на цену деления. Результат прибавим к предыдущему.
m общая= 2кг +6 * Ц -Д весов= 2кг +6 * 100г = 2кг600г = 2600г
4.Массу кошки определяют по формуле: mкошки =mобщая - mпакета
Вычисляем массу кошки.
Объект кошка Муська
Масса общая (пакет + кошка)=2600 г
Масса пакета = 100г
Масса кошки 2500 г=2,5 кг
Вывод: Таким образом, mкошки = 2,5 кг, причём 2,5кг*0,7≈1,75 кг в организме кошки составляет вода (≈70%). Сравнение массы кошки Муськи с массой кошек самой крупной породы Мэйн- кун (масса до 10 кг) и самой мелкой породыRusty-spotted(масса до 1,4 кг).
Используя ванну в комнате, теплую воду, линейку, карандаш, определим объем кошки.
Измерения объема тела кошки проводилось на основе закона Архимеда. Закон гласит так: Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.Я погрузила кошку в ванну и нашла объем тела.
Вот как проходил эксперимент:
1.Измерим длину L (м) и ширину b (м) ванны в квартире.
2.Нальём в ванну теплой воды и отметим карандашом её уровень.
3.Погрузим кошку в сумке в воду и отметим её новый уровень.
Измерим высоту подъема воды ∆h.
4.Найдём объем вытесненной воды,а следовательно, и объем тела кошки V (без учета головы):
∆V= L*b*∆h
Длина ванны,L=142 см,
Ширина ванны,b=61 см,
Высота подъема, ∆h,см =0,23,
Объем долитой воды, ∆V, см3 =2000,
Обхват головы l,см=30,
Объем головы V головы, см3=456,
Объем тела кошкиV,см3=2456
- обхват головы кошки .
Принимая, что голова кошки имеет форму шара, можно рассчитать объём головы по формуле.
Тогда объём кошки можно рассчитать по формуле: V= Vголовы+∆V
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.
Вывод:Сравнивая плотность кошки, которая равна 1,017, с плотностью человека , и с плотностью воды, мы видим, что плотность человека равна плотности воды, т.к. человек в основном состоит из воды, а плотность кошки незначительно больше.
Погрешность составит:
Давление на опору кошки рассчитаем из трех положений (стоя, сидя и лежа) по формуле:=
Fтяж = 2,5 кг* 9,8м/с2 ≈ 24,5 H
S – площадьопоры кошки, которую я вычисляла по площади фигур, получаемых очертаниями соответствующих контуров на миллиметровой бумаге. Вот какие у нас получились результаты.
1 лапка-25 клеток Положениестоя -100 клеток Положение сидя-1024 клетки
Положение лежа-2052 клетки
S(1кл) = 0,25см2 = 2,5*10 -5м2
S1 = 100*0,25см2 = 25см2= 0, 0025 м2
P1 = 24, 5 Н / 0, 0025 м2 = 9800 Н/ м2 ≈ 9800 Па = 9,8 кПа=9800Па
S2 =1024* 2, 5*10 -5 м2 = 2560 * 10 -5 м2 = 0, 02560 м2
Р2 = 24, 5 Н / 0,02560 м 2 = 957 Н/ м2 = 957 Па = 0,957 кПа=957 Па
S3 =2052* 2, 5*10 -5 м2= 5130 * 10 -5 м2 = 0,05130 м2
Р3 = 24,5 Н / 0,05130 м2= 477,6 Н/ м2 = 477,6 Па = 0,4776 кПа =477,6 Па
Вывод: кошка в разных положениях оказывает давление от 0,4776 кПа до 9,8 кПа (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.
2.5. Измерение температуры кошки
Известно, 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.У голых кошек эта температура выше на 2-3 градуса из-за отсутствия волосяного покрова. Кошки погибают, если температура их тела опускается ниже 18 0С или повышается более чем до 43,4 0С.
Объект | Температура тела утром | Температура тела днем | Температура тела вечером | Температура тела ночью |
Кошка Муська | 38 0С | 38,7 0С | 38,5 0С | 37,9 0С |
Вывод:Мы измеряли температуру нашей кошки, наблюдения показали, что температура нашейкошки соответствует норме.
Глава 3. 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.
Особенность позвоночника заключается в его необычайной гибкости. Эластичные межпозвоночные хрящевые прокладки обеспечивают вращательные движения и невероятные изгибы. Сильные связки мышц позволяют животному хорошо прыгать. Это важно во время охоты. Высота прыжка кошки – до 3 м. Длина прыжка может превышать в 15 раз длину тела.
При прыжке спина кошки как бы расширяется, что позволяет ей планировать; кошка напоминает при этом парашют. Мышцы ведут себя как амортизаторы; при приземлении они включаются поочерёдно, пока не поглотят всю энергию прыжка.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.
Плечевая кость кошки срастается с грудной клеткой не полностью в отличие, например, от лошадей. У кошек нет ключиц, передние конечности не соединяются в области ключицы с остальным скелетом. Это позволяет кошке быть отличной прыгуньей.
3.1.Измерение средней скорости кошки
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. Вот, что мы сделали:
1.При помощи рулетки измеряем расстояние.
2.Время движения измеряем при помощи секундомера.
3.Произвели расчет скорости по формуле,где S – путь, t - время движения.
4.Результаты измерений приведены в таблице
К еде
На зовЗа шариком
Объект | Номер опыта | S,м | t,с | v , м/с | v ср., м/с |
1 (к еде) 2 (на зов) 3(за шаром) | 10 10 10 | 11,6 9 3 | 0,9 1,1 3,3 | 1,3 |
Вывод:сравнивая полученные данные, мы видим, что при беге на дистанцию скорость кошки составляет 7,8 % от максимально возможной(14 м/с). При беге по заданию - 9 % от максимально возможной. В экспериментах скорость Муськи близка к скорости идущего человека vср=1,4 м/с.
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!
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.
Кошки зачастую выживают после таких падений, которые погубили бы любого из нас. Чем выше здание, тем для кошки меньше вероятность погибнуть. 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.
Тогда была выдвинута гипотеза о том, что животное получает импульс в момент отделения от рук экспериментатора, так, как это происходит у прыгунов в воду с вышки и у спортсменов на батуте. В падении кошка изменяет положение тела за счет энергичных действий туловища и конечностей.
В 1960 году американец Макдональд объяснил, почему кошки, падая с любой высоты, всегда приземляются на четыре лапы, применяя скоростную съемку для выяснения падения кошки.
Выяснилось, что при движении вверх, она летела вверх лапами до высшей точки полета, а там совершала свое сальто. Оказалось, что на лапы падают даже котята в возрасте 3-4 недель.
Вторым вопросом «кошачьего парадокса» является то, что животное не разбивается, упав с высоты, смертельной для человека, так как отношение веса животного к его поверхности тем меньше, чем у человека. Также сказывается аэродинамическое сопротивление, которое уменьшает скорость в момент падения. Если парашютист развивает скорость до 50 м/с, то кошка, пролетев 20 метров, имеет скорость 15-18 м/с. И ей, не принесет смертельного вреда падение с больших высот, смертельных для человека. Кроме того, кошка имеет более сильные по отношению к собственному весу, чем у человека мышцы, которые представляют собой отличный амортизатор.
Известно, что результат падения зависит от скорости столкновения, качества поверхности, площади соударения и свойств падающего тела: его веса, площади, мягкости, свойства костей и поглощаемости удара суставами и мышцами. Сила удара зависит от вида поверхности. Чем меньше сила соударения, тем больше «тормозной путь». Опасность сломать ногу при падении у взрослых выше, чем у детей; у детей выше, чем у кошек.
Когда была изучена техника приземления кошки, эту технику постарались приспособить для людей. Поскольку природа не наделила человека хвостом, космонавтам были предложены соответствующие движения ног. Парашютисты в свободном падении уменьшают площадь и увеличивают скорость падения, принимая вытянутую позу, и, раскидывая в стороны руки и ноги, увеличивают площадь и уменьшают скорость.
По наблюдениям ветеринарных врачей падение с 5-10-ых этажей часто смертельно опасно для кошек. Несмотря на то, что отношение массы к площади у кошек обусловливает их скорость до 100км/ч, сила удара слишком большая, чтобы кошка смогла амортизировать её. У людей эта скорость равна 200 км/ч. Удивительно, но падения с еще большей высоты зачастую вызывают незначительные травмы. Это происходит потому, что кошка рефлекторно переворачивается в воздухе, принимает позу парашютиста в свободном падении: лапы распростерты и расслаблены, голова высоко поднята.
Исследование,проведенное нами показало следующее: Кошка ходит "на цыпочках".
Вывод: Ходьбу и бег кошки можно рассматривать как колебательное движение, в процессе которого, то нарушается, то восстанавливается равновесие тела.
Наши предположения подтвердились. Движения кошки удивительно быстры, легки, грациозны. Кошка движется, отталкиваясь от опоры. При этом внешние силы — силы тяжести, сила трения, сопротивления среды, вступают во "взаимодействие" с внутренними силами организма (напряжение мышц). Движение происходит благодаря совместной деятельности всех мышц и силе трения покоя.
При прыжке же, когда кошка старается преодолеть большое расстояние, ее спина как бы расширяется, что позволяет ей планировать; кошка напоминает при этом мелкий парашют.
При прыжке все мышцы ее ведут себя как сложная система амортизаторов; при приземлении они включаются не одновременно, а поочередно, одна за другой до тех пор, пока не поглотят всю энергию прыжка полностью. Подушечки на лапах служат кошке для смягчения удара при прыжке и делают её походку бесшумной.
Работа посвящена изучению механических процессов в организме кошки. Я выяснила, как законы механики проявляются в жизни кошки, и систематизировала этот материал в буклете (паспорт здоровья). Этим и объясняется новизна моей работы. Мною были исследованы теоретически биомеханика конечностей кошки и виды механического движения в жизни кошки: равномерное, равноускоренное, колебательное и вращательное.
Практически исследованы механические характеристики кошкиМуськи (масса, объём, плотность тела кошки, температура, давление кошки на опору, средняя скорость). По результатам исследований составлены выводы.
Таким образом, получила подтверждение гипотеза о том, что законы механики проявляются в жизни кошки. Это позволило достичь цели работы и составить «Паспорт здоровья» кошки Муськи.
Есть удивительные истории о кошках, проделавших в поисках хозяев длинный путь до мест, в которых никогда прежде не бывали. Как кошки могут угадать, в каком направлении двигаться, не говоря о том, чтобы найти конкретный дом — неизвестно. Они по-своему решают основную задачу механики. Мы далеко не всё ещё знаем о том, на что способны кошки. Может, кошки наделены навигаторскими способностями благодаря врожденной магнитной чувствительности, которая позволяет им находить дом с такой же легкостью, как это удается почтовым голубям? Я постараюсь найти ответ на этот вопрос в моей следующей работе.
Список литературы и Интернет-ресурсов
Упрямый зяблик
Самый главный и трудный вопрос
Дельфин: сказка о мечтателе. Серджио Бамбарен
Никто меня не любит
Браво, Феликс!