Исследовательский проект «Волчок»

Исследовательский проект «Волчок»

Однажды я для своего братишки раскручивала волчок и задумалась, какая простая, но  интересная, завораживающая  взор игрушка.

Эта игрушка так меня увлекла меня, что захотелось узнать больше о ней, о законах  ее вращения.

Тема  моего  исследования «Как кружится  волчок?»

Объектом моего исследования стали вертушки разных материалов, форм и цветов.

Предмет исследования –основные свойства и эффекты, которые возникают при вращении волчка.

Гипотеза

Цель работы: Исследовать основные свойства и эффекты, которые возникают при вращении волчка, объяснить эти явления с применением законов физики.

Задачи исследования:

- изучить литературу, которая объясняет физические явления, происходящие при вращении;

-провести исследования в виде практических опытов;

подтвердить или опровергнуть гипотезу о том, что вращающиеся тела встречаются повсеместно;

- изготовить игрушку – волчок.

Свое исследования  я начала с  рассматривания  игрушки.

Волчо́к, юла́, вертушка —забавная детская игрушка, которая, во время вращения сохраняет устойчивость на одной точке опоры. Поведение волчка удивительно! Если он не вертится, то сразу опрокидывается, и его не удержать в равновесии на конце оси.

Из книг и интернета я узнала, что археологи находят волчки на всех континентах, кроме Антарктиды.  Костяные волчки даже находят при раскопках стоянок первобытных людей. В волчок играют уже пять тысяч лет.
Некоторые из них во время раскручивания жужжат. Известно, что еще в Древней Греции люди создавали волчки, причем в те далекие времена они были не только детской забавой, но и видом спорта.

Папа мне  рассказал, что вращающийся волчок сохраняет постоянство направления оси и сопротивляется усилию изменить это направление. Это и есть его два основных свойства.

 Когда скорость вращения становится недостаточно большой, ось волчка начинает отклоняться от вертикали, и, в конце концов, волчок падает и прекращает вращение.

На волчок действует ряд сил, стремящихся его повалить - трение о поверхность, сопротивление воздуха, собственный вес. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию.

Об этом  я  рассказала  в  детском  саду, и ребята  принесли из дома  свои любимые волчки. Среди них были деревянные, пластмассовые, металлические. Некоторые из них долго  вращались, другие  быстро заваливались  на бок.

Вместе  с воспитателем Людмилой Викторовной мы сделали волчки-вертушки из зубочисток  и картонных кружков разного  цвета  с  различнными  украшениями.

Запуская волчки, мы увидели, как при быстром вращении фигуры и цвета сливаются.  Например, нарисованный квадрат превращался в круг.

Людмила  Викторовна  объяснила, что   волчок  помог демонстрировать оптические эффекты. Быстрое вращение волчка  показывает неспособность нашего глаза "ухватить" быструю смену картинки.  На этом основан эффект анимации, применяемый для создания кино и мультфильмов.

А при быстром вращении окрашенного волчка  цвета сливаются, и мы видим другой цвет.  Если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), он казался белым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. Это явление называют наложением спектральных цветов.

Дома мы провели опыты

Опыт №1.  Изготовили три волчка: из плотного картона, из пластмассовой крышки и из металла. Запускали на гладкой тарелке. Металлический волчок вращался примерно 1,5 минуты, картонный вращался примерно 20 секунд, пластмассовый примерно 30 секунд. Вывод: Более массивный волчок вращается лучше и устойчивее.

Опыт №2. Как происходит вращение волчка при разных условиях (на разных поверхностях - на тарелке и на столе)?

Вывод: На гладкой поверхности волчок вращается дольше, т.к. сила трения при взаимодействии волчка со столом больше, скорость вращения падает быстрее, чем на тарелке.

Опыт №3. Будет ли вращаться волчок другой формы или любые вращающиеся тела - волчки? Инструменты исследования: юла из грецкого ореха, из квадратной коробочки.

Вывод: И квадратная и круглая юла вращаются и сохраняют вертикальное положение оси. Два основных свойства волчка выполняются, значит можно сказать, что любые вращающиеся тела – волчки.

Оказывается, свойство волчка  используется людьми, н-р:  

Например, все знают, что устоять на кончике пальцев одной ноги невозможно. Но одна из фигур балетного танца, так называемое “фуэте”, казалось бы, опровергает это. Секрет раскрывается очень просто. В фуэте балерина быстро вращается. Такую фигуру тем легче выполнить, чем быстрее вращение.

Каждый, кто ездил на двухколесном велосипеде, наверняка заметил, что на большой скорости велосипед очень устойчив и, упасть не может, даже если этого захотеть. Неподвижный же велосипед рухнет сразу - стоять он не может.

Даже земной шар можно сравнить с гигантским волчком, вращающимся вокруг воображаемой оси, проходящей через его полюсы.

Вывод:

Из исследования  я  узнала  законы  физики: законы  наложение спектральных цветов,

А для меня и моего брата запускать волчки - прекрасное развлечение. Надеюсь, и  вам понравятся сделанные мною волчки.

Список использованной литературы

1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл.: Учеб.для общеобразоват. учеб. заведений. – 4-е изд., испр. – М.: Дрофа,2001
2. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: Учеб.для общеобразоват. учеб. заведений. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа,2001
3. Перельман Я.И. Физическая смекалка. Занимательные задачи и опыты по физике для детей. – М., омега, 1994
4. Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: Наука, 1994
5. Физика, 10 класс (Г. Я. Мякишев, Б. Б, Буховцев, Н. Н. Сотский) 2008
6. http://Wikipedia.org
7. http://school.xvatit.com/index.php
8. http://enc.vkarp.com/аддитивное_смешивание _цветов
9. http://elementy.ru/

Существует и более сложная конструкция волчка, содержащая внутри винтовой механизм для раскручивания. Такой волчок называется «юла».

У юлы сверху есть ручка. Поставив юлу на какую-либо твердую поверхность, и поднимая и опуская ручку , можно придать юле большую скорость вращения. Юла раскручивается с помощью винтообразного осевого стержня. Во время опускания этого стержня винтовой передаточный механизм, состоящий из винта и гайки, преобразует вращательное движение в поступательное или наоборот.

Юла является единственной разновидностью волчка, который содержит в себе механизм.

Юла была изобретена в конце 19 века. В 1880 году немецкий фабрикант-игрушечник Лоренц Больц из Циндорфа поставил сверху игрушечного волчка вращающуюся ручку. Надо было только потянуть за шнур, обвязанный вокруг волчка. А в 1913 году появилась первая юла от компании Bolz.

Лоренц Больц вставил в пустотелый волчок механизм с винтом и гайкой. Юла Больца приводилось в движение винтовым стержнем с ручкой на конце, на которую нужно было несколько раз надавить. При вдавливании стержня-винта внутрь юлы он заставляет через трещотку, установленную внутри юлы, вращаться юлу только в одну сторону. Когда винт вытягивается из юлы, то она продолжает вращаться по инерции.

Несколько движений «туда-сюда» и юла раскручивается до большой скорости. И может вращаться, будучи вертикально установленной, достаточно долго, пока трение точки опоры юлы о поверхность, на которой она вращается, не замедлит вращение, и юла, в конце концов, не упадет на бок. 

Следующий из династии Больцев - Петер Больц сделал юлу музыкальной. Он проделал в корпусе юлы отверстия, через которые проходил воздух, и юла начала издавать жужжание. К 1937 году юла-непоседа уже могла воспроизводить звуки разных тональностей и наигрывать детские песенки. 

Юла даже удостоилась чести стать памятником. Это десятиметровая юла, лежащая на боку, возле нидерландского городка Остерхоут.

Согласно закону инерции, открытому Ньютоном, все тела, находящиеся в движении, стремятся сохранить направление движения и величину скорости. Соответственно, подчиняется этому закону и вращающийся волчок. Сила инерции препятствует падению волчка, пытаясь сохранить первоначальный характер движения. Конечно, сила тяжести пытается свалить волчок, но чем быстрее он вращается, тем труднее преодолеть силу инерции.

ТАКОЙ ВОЛЧОК НЕ КУПИШЬ, СДЕЛАЙ САМ!

Делаем волчок-центрифугу. Вам понадобятся бусинки. Вырежьте из картона кружок (можно взять пластмассовую крышку). Проткните ее в середине спичкой. К краям прикрепите на ниточках бусинки. Ниточки не должны быть ни слишком короткими, ни слишком длинными. Когда волчок будет крутиться, то бусинки, нанизанные на нитки будут располагаться вдоль радиусов кружка, натягивая нити и наглядно обнаруживая действие центробежной силы.

Кстати, ты изготовил маленькую центрифугу, и бусинки на ней, вращаясь, испытывают такие же нагрузки, что и космонавт при тренировке на центрифуге перед полетом в космос.

Применение

Гироскоп

В ХХ веке гироскоп заменил компас в самолётах, ракетах, подводных лодках.

У волчка есть «родственники». Это велосипед и винтовочная пуля. На первый взгляд они абсолютно разные. Что же их объединяет?

Каждое из колёс велосипеда можно рассматривать как волчок. Если колёса неподвижны, велосипед валится на бок. А если они катятся, то и он сохраняет равновесие.

А пуля, выпущенная из винтовки, также вертится в полёте, как и волчок. Она ведёт себя так, потому что в стволе винтовки сделаны винтовые нарезы. Проносясь по ним, пуля получает вращательное движение. И в воздухе она сохраняет то же положение, что и в стволе, острым концом вперёд. Точно так же вращаются и пушечные снаряды. В отличие от старых пушек, стрелявших ядрами, дальность полёта и точность попадания таких снарядов выше.