Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 26 с. Краснокумское»

Георгиевского района Ставропольского края

Исследовательский проект

«Биомеханика кота Симба»

Выполнила:

ученица 7 «А» класса

Савина Анастасия Сергеевна

Руководители:

учитель биологии

Зверько Татьяна Александровна.

Учитель физики

Земчихина Наталия Александровна

2021 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………………3

1. Исследование механических характеристик кота……………………………………………….4

1. Алгоритм экспериментов………………………………………………………………………….4
2. Измерение массы и объема кота Симба………………………………………………………….4
3. Измерение плотности кота Симба………………………………………………………………...5
4. Давление кота Симба на опору (пол) и его сила тяжести……………………………………….5
5. Механическая работа и мощность кота Симба при беге и в прыжке…………………………..6
6. Средняя и максимальная скорости кота Симба…………………………………………………..6

2. Исследование биомеханики движений кота при его беге и в прыжке………………………….8

Заключение……………………………………………………………………………………………11

Список литературы и интернет-ресурсов…………………………………………………………...12

Введение

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 научных трудах описана способность кошки приземляться на четыре лапы, что подтверждает закон сохранения момента импульса. 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.

Цель работы:

Исследовать биомеханику четырехлетнего кота Симба

Задачи:

1. Исследовать механические характеристики кота.
2. Исследовать биомеханику движений кота при его беге и прыжках.

Гипотеза:

Если исследовать биомеханические характеристики кота, то можно выяснить какие законы действуют во время его движения.

1. Исследование механических характеристик кота Симба

Кинема́тика (греч. κινειν — двигаться) в физике — раздел механики, изучающий математическое описание движения идеализированных тел (материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальная жидкость), без рассмотрения причин движения (массы, сил и т. д.). Исходные понятия кинематики — пространство и время. Знания этого раздела помогут мне исследовать механические характеристики моего кота.

1. Алгоритм проведения экспериментов

В самом начале изучения курса физики за 7 класс я узнала, что любой эксперимент необходимо проводить в определенной последовательности. В моем исследовании измерения проводились по следующему алгоритму:

• тема эксперимента
• цель эксперимента
• приборы и материалы, необходимые для проведения эксперимента
• ход эксперимента
• таблица результатов
• вывод опыта

2. Измерение массы и объема кота Симба

Цель эксперимента: измерить массу и объема кота Симба

Приборы и материалы: весы напольные, ведро, таз, вода.

Ход эксперимента: Определяем цену деления прибора: ▲m = (10-0):10 = 1 кг

Масса кота, согласно показанию прибора: mп = 6900 г = 6,9 кг.

Формула для расчёта массы кота: mк = mп * 0,7 (коэффициент 0,7 – показатель того, что в организме кота содержится примерно 70% воды). mк = 6900 * 0,7 = 4830 г = 4,83 кг

Объём кота измерялся согласно закону Архимеда: объем тела равен объёму вытесненной воды. Для этого кот был погружен в ведро, полностью заполненное водой (без погружения головы). Объем, вытесненной из ведра в таз воды и показал объем тела кота.

Формула для нахождения площади дна ведра: Sв = π*R2 ( π = 3,14) см2

Формула для нахождения объема ведра: Vв = Sв*hв см3

Формула для нахождения объема тела кота: Vк = Vвв + Vг см3

Формула для расчёта объема головы кота: Vг = см3

Показатели измерений округлены с учётом погрешностей и занесены в таблицу:

Вывод: В среднем кот 4 лет имеет массу 3 - 6 кг. Масса Симбы слегка превышает среднестатистическую массу. А объем кота составляет 4507,5 см3.

3. Измерение плотности кота Симба

Цель эксперимента: измерить плотность кота Симба

Приборы и материалы: данные предыдущих измерений

Ход эксперимента:

Плотность кота рассчитываем по формуле: ρ = г/см3

Показатели измерений округлены с учётом погрешностей и занесены в таблицу:

Вывод: плотность кота приблизительно равна 1070 кг/м3, что незначительно больше плотности человека (плотность человека равна плотности воды, так как в организме человека примерно 90% воды).

4. Давление кота Симба на опору (пол) и его сила тяжести

Цель эксперимента: рассчитать давление и силу тяжести кота Симба на опору в положении стоя.

Приборы и материалы: миллиметровая бумага, краска, данные предыдущих измерений.

Ход эксперимента:

Согласно определению давления: Чем меньше площадь опоры, тем больше давление на нее.

Формула для нахождения давления: кПа

Формула для нахождения силы тяжести: Fтяж = mg (где g = 9,8 Н/ кг – ускорение свободного падения) Fтяж = 4,83 кг * 9,8 Н/кг = 47,3 Н.

Площадь опоры кота S я определила следующим образом: накрасила переднюю и заднюю лапы Симбы краской и сделала отпечатки на миллиметровой бумаге, сосчитала количество квадратиков и умножила на площадь одного квадратика 0,000001 м2.

Показатели измерений и расчетов занесены в таблицу:

Вывод: кот – это животное иноходец, при ходьбе у него идут левые ноги, а потом правые. Такая ходьба гарантирует скорость и тишину. При ходьбе кот опирается на лапы. Давление максимально в положении стоя и у моего кота составляет 6,2 к Па.

5. Механическая работа и мощность кота Симба при беге и в прыжке

Цель эксперимента: рассчитать механическую работу и мощность кота Симба при беге и прыжках.

Приборы и материалы: сантиметровая лента, секундомер, данные предыдущих измерений.

Ход эксперимента:

Формула для нахождения механической работы при беге: А = Fs Дж (где s – перемещение кота по прямой)

Формула для нахождения механической работы при прыжке: А = mgh Дж (где g = 9,8 Н/кг – ускорение свободного падения, h – высота подъема кота – высота подоконник-пол).

Формула для нахождения мощности: Вт ( где t – время)

Показатели измерений и расчетов занесены в таблицу:

Вывод: Работа, совершаемая котом при беге по комнате получилась 38,8 Дж, мощность при этом 19,4 Вт. В прыжке с подоконника работа составила примерно 45 Дж, мощность при этом 22,5 Вт. Если взять во внимание, что человек во время бега развивает мощность до 90 Вт. А в прыжке - до 730 Вт, то мощность моего кота в 4 раза меньше при беге и в 32 раза меньше в прыжке.

6. Средняя и максимальная скорости кота Симба

Цель эксперимента: рассчитать среднюю и максимальную скорости кота

Приборы и материалы: секундомер, сантиметровая лента, игрушка для кота

Ход эксперимента:

Формула для нахождения скорости: м/с

Формула для нахождения средней скорости: Vср = м/с

Вывод: В результате средняя скорость кота Симба получилась 2,5 км/ч, а максимальная 3,6 км/ч.

2. Исследование биомеханики движений кота при его беге и прыжках

Эксперименты, проведенные в первом разделе показали, что у кота 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.

Как я выяснила в первом разделе, тело кота подчиняется законам механики, многие его способности уже изучены и объяснены с точки зрения физики. Однако для исследования особенный интерес представляют лапы и когти кота.

Кошки «живут» на своих лапах — это их наиболее ценный инструмент, который используется в прыжках, атаках и играх. Благодаря особому строению лап, кошки обладают мягкой, бесшумной походкой.

Для моей работы важно отметить, что кошки — животные пальцеходящие, упор при ходьбе приходится не на всю стопу, а лишь на пальцы, пятка не касается земли.

У кошек на передних лапах есть по четыре нормальных пальца и по одному ложному. На задних лапах все пальцы нормальные. Таким образом, у кошек всего восемнадцать пальцев с когтями. Когти кошки представляют собой простой физический механизм — «клин».

Строение сухожилий и связок играет важную роль в возможности выпускать и убирать когти. Сама природа позаботилась о том, чтобы когти были защищены от негативного воздействия окружающей среды. Кошка в обязательном порядке втягивает когти во время бега. Также кошачьи прячут когти, когда подкрадываются к добыче, а при прыжке для лучшего отталкивания, напротив, выпускают их.

Итак, коту когти необходимы для охоты, лазания, отталкивания, защиты. Кроме того, когти помогают лучше удерживать равновесие и правильно приземляться. И даже если домашней кошке нет нужды охотиться и обороняться, когти необходимы ей для правильной опоры на пальцы.

Рассмотрим стопу кошки. На стопе животного имеются подушечки, или мякиши — участки конечностей, которые выполняют опорную функцию. На нижней стороне лап, на уровне 2–3-й фаланг, находятся четыре узкие, овальные подушечки пальцев, а также пястневые (на грудных конечностях) и плюсневые (на тазовых конечностях) подушечки. Благодаря такому строению стопы и когтям на концевой фаланге пальца, стопа имеет такую площадь опоры, которая позволяет ей нормально ходить, полноценно опираясь на пальцевые подушечки.

Для доказательства этого я провела эксперимент № 4 и выяснила, что давление кота на опору с когтями составляет 6,2 кПа. Дальнейшие расчеты показали, что если коту удалить когти, то уменьшится площадь опоры и давление увеличится до 8 кПа, а значит, у кота нарушатся условия равновесия и ему буквально заново придётся учиться передвигаться.

В результате неправильно распределённой нагрузки нарушится деятельность всего опорно-двигательного аппарата. Изменения в лапах скажутся на всех его суставах. Об этом предупреждают ветеринары, теперь же я рассмотрела эти изменения с точки зрения физики.

Я Рассмотрела проблему снижения чувства равновесия у кошки после онихэктомии (удаления когтей). У кота центр тяжести находится в области грудной клетки, над передними лапами.

Если провести перпендикуляр от центра тяжести к земле, то точка пересечения совпадёт с кошачьей лапкой. Получается, что передние лапы несут центр тяжести, а задние служат для мощных толчков при беге.

При удалении же когтей изменяются силы, действующие на мышцы животного.

Для этого рассмотрим лапы кошки.

Очевидно, что лапы животного — это сложная система рычагов с несколькими точками опоры.

Меня в этой системе заинтересовал самый нижний рычаг, точкой опоры которого являются пальцы кошки. Поэтому другие рычаги, входящие в систему «кошачья лапа», я пока не рассматривала.

На рассматриваемую систему рычагов действуют две силы: сила тяжести (или вес животного, Fтяж.) и сила напряжения мышцы (Fнапр.), которая позволяет животному поднимать лапы при ходьбе. Силы расположены по одну сторону от точки опоры рычага, но направлены в разные стороны. Силу тяжести мы уже рассчитывали (Fтяж. = Р = 47,3 Н). Посмотрим, как изменяется Fнапр. при удалении когтей. Для этого воспользуемся правилом моментов L1/L2 = F2/F1.

В подтверждение системы, я рассмотрела лапу кота Симба.

Принцип расчётов аналогичен.

С когтями кошка опирается на пальцы — это точка опоры рассматриваемого рычага. Сила тяжести приложена к костям предплюсны (а именно, к таранной кости). Сила напряжения мышцы, осуществляющая подъём тела, передаётся через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости. Построю модель описываемого рычага.

Точка опоры данного рычага после удаления когтей сместится вправо на длину пальцевой подушечки, а точки приложения сил останутся на прежних местах. Следовательно, уменьшатся плечи рычага.

В таблице в первой строке вычислена сила напряжения мышцы для здорового кота, во второй — взяты для кота без когтей.

Таким образом, мышца получает нагрузку, меньшую той, на которую рассчитана. Медики считают, что недостаточная нагрузка является одной из причин атрофии мышц. Ветеринары же предупреждают, что вследствие хождения с неестественной опорой нормальная нагрузка между мышцами нарушится — одни будут получать большее количество нагрузки, другие — наоборот. Поскольку лапа кошки — сложная система рычагов, то все они взаимозависимы. Уменьшение нагрузки в одном, неизбежно приведёт к увеличению нагрузки в другом (то есть в других мышцах и костях). Таким образом, показано, что и с точки зрения рассмотрения простого физического механизма «рычаг» — удаление когтей приносит животному вред.

Биомеханика позволяет сделать вывод: удаление когтей у кошек не целесообразно и наносит вред здоровью кошки, а также вносит разбалансировку тела при движении.

Рассмотрев биомеханику движений кота, я сделала вывод, что его способности бесшумно передвигаться, быстро ориентироваться в пространстве при беге, мягко приземляться в прыжке, приводят к уменьшению травматизма и живучести. Приобретение этих способностей человеком очень бы ему помогло.

Заключение

Моя работа посвящена исследованию механических характеристик и биомеханики кота.

В ходе работы, я практически исследовала такие механические характеристики кота, как: массу, объем, плотность, давление на опору, силу тяжести, скорость, механическую работу и мощность своего кота. По результатам исследований были составлены и проанализированы таблицы. На основании чего, я выяснила, что законы механики проявляются в жизни кошки.

Рассмотрев теоретически биомеханику конечностей кота, а экспериментально еще и биомеханику его движений, я сделала вывод о способности кошек бесшумно передвигаться, быстро ориентироваться в пространстве при беге, мягко приземляться в прыжке, что приводит к уменьшению травматизма и живучести животного и было бы полезно применить и человеку.

Я считаю, что достигла выполнения поставленных мною задач.

Выбранная тема оказалась очень увлекательной. Хотелось бы продолжить исследования кота. Особый интерес представляет способность кошек оказывать лечебное и успокаивающее действие, видеть в темноте, слышать звуковые волны.

Список литературы и интернет-ресурсов

1. Перышкин. Физика 2014. 7 Класс
6. Большая медицинская энциклопедия [Электронный ресурс] / Биомеханика. — Электрон. дан. — Режим доступа: #1073;мэ.орг#1041;ИОМЕХАНИКА, свободный. — Загл. с экрана.
7. Пёрышкин А. В. Физика: учебник для 7 класса средней школы [Текст] / А. В. Пёрышкин. Физика. — М.: Дрофа, 2010.
8. Дубровский В. И. Биомеханика: электронный учебник [Электронный ресурс] / В. И. Дубровский. Рычаги и блоки. — Электрон. дан. — Режим доступа: , свободный. — Загл. с экрана.
9. Питомник мейнкунов Bekker Coon [Электронный ресурс] / Анатомическое строение кошки. — Электрон. дан. — Режим доступа: , свободный. — Загл. с экрана.
10. Проект людям о кошках [Электронный ресурс] / Удалять ли когти кошке, и к каким последствиям это может привести? — Электрон. дан. — Режим доступа: , свободный. — Загл. с экрана.