Равновесие тел

Главное управление образования мэрии города Новосибирска

Дворец творчества детей и учащейся молодежи «Юниор»

Открытый городской конкурс исследовательских проектов

учащихся 5-8 классов

Направление: научно-техническое (физика)

Тема: Равновесие тел

                                                                  Автор: Тузова Алина Александровна,                  6 М класс

                                    Тимченко  Ирина Александровна,

                                              учитель физики

                         высшей квалификационной категории                        

г. Новосибирск, 2016

Проект « Равновесие тел»

Проект: «Равновесие тел»

Участник проекта: Тузова Алина Александровна

Консультант проекта: Тимченко Ирина Александровна, учитель физики высшей квалификационной категории

Класс: 6 М

Название, номер учебного учреждения, где выполнялся проект: МБОУ  Лицей №185, Октябрьского района города Новосибирска

Предметная область: физика.

Время работы над проектом:  апрель 2015г. – март 2016г.

Проблема проекта:  применение знаний, полученных на уроках физики, в практической деятельности.

Цель проекта: рассмотреть влияние равновесия тел на нашу жизнь.

Задачи:

1.  Изучить условия равновесия тел.
2.  Познакомиться с видами равновесия.
3. Научиться определять центр тяжести тел произвольной формы.
4.  Рассмотреть практическое применение и учет  равновесия тел.

Тип проекта: творческий, исследовательский.

Используемые технологии: мультимедиа.

Форма продукта проекта: мультимедийная презентация.

Содержание: Равновесие тела — состояние покоя тела относительно какой-либо системы отсчета, в частном случае — неподвижность тела относительно окружающей его среды.

Исследование: определение центра тяжести тел, определение условий устойчивости тел.

Область применения результата проекта: учебная (уроки физики), внеклассная работа, основа для дальнейшего исследования физических явлений, встречающихся  в нашей жизни.

Результативность: проводимые  домашние эксперименты  повышают  интерес к изучению предмета физики.

Содержание

Введение

1. Равновесие тел.

2. Виды равновесий.

3. Практическая работа  № 1 «Определение центра тяжести тел»

4. Практическая работа № 2 «Определение условий устойчивости тел»

Заключение

Литература        

Введение

Зачем канатоходцу требуется длинный шест?

Почему в быстродвижущемся транспорте легче устоять, имея в руках тяжелые сумки?

Почему столы и стулья имеют по четыре ножки?

Как построить высокое и устойчивое здание?

Каким образом Этьен Фальконе обеспечил равновесие скульптуры « Медный всадник» в Санкт- Петербурге?

        На все эти вопросы можно дать ответ, если рассмотреть равновесие тел.

Если я скажу вам: «Сейчас вы сядете на стул так, что не сможете встать, хотя и не будете привязаны», вы примете это, конечно, за шутку.

Хорошо. Сядьте же так, как сидит человек, изображенный на рисунке, т.е. держа туловище отвесно и не пододвигая ног под сиденье стула. А теперь попробуйте встать, не меняя положения ног и не нагибая корпуса вперед.

Рис. 1. В таком положении невозможно подняться со стула.

Что, не удается? Никаким усилием мускулов не удастся вам встать со стула, пока вы не пододвинете ног под сиденье или не подадитесь корпусом вперед.

Чтобы понять, почему это так, нам придется побеседовать немного о равновесии тел вообще и, человеческом, в частности.

Актуальность: вопросы равновесия интересуют строителей, машиностроителей, альпинистов, артистов цирка и многих-многих других.

Мы поражаемся исключительной способности гимнастов сохранять равновесие в самых рискованных положениях. Вспомнить, например, эквилибристов на качающемся тросе. Многие из них делают акробатические трюки, переворачиваясь в воздухе, а потом снова возвращаются на трос, сохраняя при этом равновесие.

 Цель проекта: рассмотреть влияние равновесия тел на нашу жизнь.

Задачи:

1.  Изучить понятия равновесие тел, центр тяжести тела.

2.  Познакомиться с видами равновесия.

3. Рассмотреть практическое применение и учет равновесия тел в жизни человека.

Равновесие тел

Восхищаясь искусством гимнастов, акробатов, канатоходцев, мастеров фигурного катания, мы не задумываемся о том, что способность сохранять определенную позу при выполнении какого-либо движения свойственна не только спортсменам и артистам цирка. Каждый практически здоровый человек в определенной мере обладает ею. Если же функция органов, обеспечивающих равновесие, резко нарушается, человек не может ходить, он вынужден только лежать.

На наше тело оказывают воздействия различные физические факторы. Важнейший из них - сила притяжения Земли или сила тяжести. Поэтому управление равновесием и выполнение любого движения в основном подчинены преодолению этой силы.

Основные регуляторы равновесия - мышечный и вестибулярный аппараты. Однако без участия органов чувств система регуляции равновесия становится неустойчивой. Попробуйте, например, стоя на носках, закрыть глаза, и вы почувствуете, что выключение зрения ведет к неустойчивости равновесия.

Регуляция поз и движений в повседневной жизни осуществляется рефлекторным путём - автоматически. Как известно, все наши органы и ткани имеют чувствительные нервные окончания - рецепторы. Основными регуляторами равновесия являются мышечные и вестибулярные рецепторы.

Равновесие тела — состояние покоя тела относительно какой-либо системы отсчета, в частном случае — неподвижность тела относительно окружающей его среды.

Виды равновесий

Равновесие тела бывает статическим и динамическим. Чтобы рассмотреть каждый вид равновесия необходимо ввести понятие -  цент тяжести.

Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри него точка - такая, что если за неё мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение. При статическом равновесии тела центр тяжести тела находится внутри площади опоры (рис. 1). Если центр тяжести вышел за пределы площади опоры, то восстановление равновесия тела возможно только путем балансирования, т. е. подведения площади опоры под сместившийся центр тяжести (рис.2) -динамическое равновесие тела.

Рис. 1. Плоскость опоры тела при вольном стоянии: S — точка, соответствующая центру тяжести.

Рис. 2. Восстановление равновесия тела путем компенсирующего изменения деятельности мышц ног при наклоне туловища вперед. Центр тяжести  возвращен в прежнее положение на плоскость опоры.

Стоящий предмет не опрокидывается только тогда, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри основания вещи. Поэтому наклонный цилиндр (рис. 3) должен непременно опрокинуться; но если бы он был настолько широк, что отвесная линия, проведенная из его центра тяжести, проходила бы в пределах его основания, цилиндр не опрокинулся бы. Так называемые «падающие башни» — в Пизе, в Болонье или хотя бы «падающая колокольня» в Архангельске (рис. 4) не падают, несмотря на свой наклон, также потому, что отвесная линия из их центра тяжести не выходит за пределы основания (другая, второстепенная, причина та, что они углублены в землю своими фундаментами).

Рис. 3. Такой цилиндр должен опрокинуться, потому что отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит вне основания.

Рис. 4. «Падающая» колокольня в Архангельске (со старинной фотографии).

Стоящий человек не падает только до тех пор, пока отвесная линия из центра тяжести находится внутри площадки, ограниченной краями его ступней (рис. 5). Поэтому так трудно стоять на одной ноге; еще труднее стоять на канате: основание очень мало и отвесная линия легко может выйти за его пределы. Заметили ли вы, какой странной походкой отличаются старые «морские волки»? Проводя всю жизнь на качающемся судне, где отвесная линия из центра тяжести их тела ежесекундно может выйти за пределы пространства, занятого ступнями, моряки вырабатывают привычку ступать так, чтобы основание их тела (т. е. широко расставленные ноги) захватывало возможно большее пространство. Это придает морякам необходимую устойчивость на колеблющейся палубе; естественно, что та же привычка сохраняется при ходьбе по твердой земле. Можно привести и обратный пример, когда необходимость поддерживать равновесие обусловливает красоту позы. Обращали вы внимание на то, какой стройный вид имеет человек, несущий на голове груз? Всем известны изящные изваяния женских фигур с кувшином на голове. Неся на голове груз, по необходимости приходится держать голову и туловище прямо: малейшее уклонение грозит вывести центр тяжести (приподнятый в таких случаях выше обычного положения) из контура основания, и тогда равновесие фигуры будет нарушено. Теперь вернемся к опыту с вставанием сидящего человека. Центр тяжести туловища сидящего человека находится внутри тела, близ позвоночника, сантиметров на 20 выше уровня пупка. Проведите отвесную линию из этой точки вниз: она пройдет под стулом, позади ступней. А чтобы человек мог стоять, линия эта должна проходить между ступнями.

Рис. 5. Когда человек стоит, отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри площадки, ограниченной ступнями.

Значит, вставая, мы должны либо податься грудью вперед, перемещая этим центр тяжести, либо же пододвинуть ноги назад, чтобы подвести опору под центр тяжести. Обычно мы так и делаем, когда встаем со стула. Но если нам не разрешают делать ни того, ни другого, то встать мудрено, как вы и убеждаетесь на описанном опыте.

Практическая работа № 1

Определение центра тяжести тела

Цель работы:  научиться определять центр тяжести тел треугольной  формы.

Оборудование: булавка, нить с отвесом, лист бумаги.

Ход работы:

1. Закрепив в произвольной точке тело с помощью булавки и нити с отвесом, провести линию вдоль нити.
2. Проделать подобный опыт трижды.
3. На пересечении получившихся линий отметить точку приложения силы тяжести - центр  тяжести тела.
4. Проверить правильность выполнения работы с помощью стержня от ручки.
5. Сделать вывод.

Вывод: Для того чтобы найти центр тяжести треугольника, надо подвесить фигуру несколько раз (2–З раза), прикрепляя нитку-подвес в нескольких произвольных точках тела. Точка пересечения нитей-подвесов и будет являться искомым центром тяжести. От положения центра тяжести зависит условие равновесия тела.

Практическая работа № 2

Определение условий устойчивости тел

        Цель работы:  изучить зависимость устойчивости тела от угла наклона для небольшого тела правильной формы.                                                                                   Оборудование: Спичечный коробок, несколько монет, транспортир.

Ход работы:

1. Определить угол устойчивости спичечной коробки для следующих случаев: а) когда она опирается на узкую короткую грань; б) когда она опирается на узкую длинную грань; в) когда она опирается на широкую грань. Для этого приставить к концу пустой коробки центр транспортира и отметить наибольший угол, при котором она ещё возвращается в первоначальное положение равновесия. Положив в коробку груз (монеты), проделывают те же самые измерения.

2. Записать результаты измерений в таблицу:

3. Сделать вывод.

        На основании проделанного опыта, очевидно, что устойчивость пустого коробка и полностью заполненного коробка с монетами одинакова. Угол устойчивости меняется при наполовину заполненном коробке, так как каждая монета, находящаяся в коробке, имеет свой угол устойчивости и, при изменении угла наклона коробка, раскачивает его, не давая принят более устойчивое положение.

Практическое применение и учет равновесия

Равновесие - процесс динамический: в любой позе тело человека не остается абсолютно неподвижным. Мы как бы теряем на мгновение равновесие и вновь его восстанавливаем. Бег, ходьба и другие действия, даже стояние на месте требуют постоянных усилий для удержания равновесия тела в нужной позе. Это привычный и незаметный для нас процесс. Но стоит только споткнуться во время ходьбы или бега, как мы совершаем так называемые предохранительные движения: подпрыгиваем, оказывая тем самым сопротивление силе инерции, отклоняем туловище, как бы подводя центр тяжести под точку опоры, падая, подставляем руку и т.д. Приглядитесь в метрополитене к людям, которые входят на эскалатор и сходят с него: для большей устойчивости они движутся, образно выражаясь, "утиной походкой", широко расставив ноги и частыми движениями перенося тяжесть тела с одной ноги на другую.

        Другой пример. Чтобы удержать равновесие на месте при внезапной остановке транспорта, пассажир невольно отклоняется в сторону, противоположную направлению движения.

        Кому не приходилось наблюдать, как идущий рядом человек, поскользнувшись, неуклюже падает, не сделав даже попытки устоять. А как поступит спортсмен, обладающий достаточно развитым чувством равновесия? Он моментально определит направление и скорость отклонения своего тела, чтобы тут же восстановить его, совершив несколько ловких движений, и тем самым избежит падения.

        Чем выше тренированность, тем легче человек приспосабливает свои движения и положение тела к изменяющимся условиям. Оптимальный уровень развития способности к управлению равновесием тела позволяет нам выполнять различные бытовые и производственные движения наиболее чётко и экономно.

Хороший спортсмен никогда не жалуется на головокружение и неприятные ощущения во время катания на аттракционах, качелях, поездок на транспорте. А для физически "отсталых" людей это порой настоящий бич. Нередко им приходится отказываться от путешествий на воздушном или морском транспорте. Объясняется это тем, что недостаточно тренированный вестибулярный аппарат под действием изменяющейся скорости, рывков, покачивания приходит в состояние раздражения: учащается пульс, появляется тошнота, головокружение - ухудшается самочувствие. Слабая вестибулярная устойчивость может быть и врожденной. Однако - и это доказано практикой - в любом случае вестибулярный аппарат поддается тренировке. Разумеется, прежде чем приступать к тренировке, надо обязательно проконсультироваться с врачом, нет ли противопоказаний к занятиям.

Заключение

        Груз на спине изменяет положение центра тяжести, и человек находится в неустойчивом положении, поэтому он наклоняется вперед, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через площадь опоры.
        Трудно стоять на одной ноге из-за того, что значительно уменьшается площадь опоры. При небольшом отклонении от положения равновесия вертикаль, проходящая через центр тяжести, не будет проходить через площадь опоры и человек окажется в неустойчивом положении.
        При ходьбе, когда человек перемещает ногу вперед, несколько вперед смещается также центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад. Такое чередование положений рук и ног повторяется при каждом шаге. И таких примеров множество!

        В данной работе я  рассмотрела  равновесие тел, виды равновесия, и могу применить результат своего исследования, чтобы ответить на вопрос: каким образом Этьен Фальконе обеспечил равновесие скульптуры « Медный всадник» на Сенатской площади в Санкт-Петербурге.

Литература

1. В.М. Варикаш, Б.А. Кимбар, И.М. Варикаш: Физика в живой природе; книга для учащихся; издание второе, дополненное; Минск «Народная Асвета», 1984г.

2. В.А. Мезенцев: Обычное в необычном; Государственное издательство детской литературы Министерства просвещения РСФСР, Москва, 1960г.

3. Я.И. Перельман: Занимательная физика. Книга первая; М., 1972 г.