Исследовательская работа физика в детских игрушках
творческая работа учащихся по физике (10 класс)

ГБПОУ «Сосновский агропромышленный техникум»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Физика  в детских игрушках »

Авторы: студент  группы 12Т по специальности: «Информационные системы и программирование» Чаннов Алексей

Руководитель: Данилова Елена Андреевна,

учитель математики-физики «Сосновский агропромышленный техникум»

п. Сосновское , 2018

Содержание

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

1. Центр тяжести…………………………………………………………..4
2. Физические  законы и игрушки……………………………………….6

1. Инерциальные игрушки…………………………………………….6
2. Заводные игрушки…………………………………………………..6
3. Плавающие игрушки………………………………………………..7
4. Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести…………………………………………………………………..8
5. Звуковые игрушки………………………………………………………9
6. Гироскопические игрушки……………………………………………..9
7. Магнитные игрушки……………………………………………………11
8. Игрушки, растущие в воде……………………………………………..11
9. Колыбель Ньютона……………………………………………………...13
10. Игрушки на батарейках…………………………………………………14

3. Создание спиннера из подручных материалов……………………….15

3.1.Инструкция по изготовлению спинера…. …………………………...16

4. Практическая часть …………………………………………….............17

Заключение………………………………………………………………….18

     Список литературы…………………………………………………………19

     Приложения ………………………………………………………………...20

ВВЕДЕНИЕ

С самого раннего детства начинается наше знакомство с физикой. Иногда о чем-нибудь незначительном, пустячном говорят: «А! Это просто игрушки!». Но разве игрушки - пустяк? Игрушки, несомненно, были сделаны для того, чтобы развивать детей физически и интеллектуально. Детские игрушки запечатлели в себе историю развития человечества и науки. Вот такая серьезная вещь - игрушки.

Играя, мы не обращаем внимания на встречающиеся в устройстве и работе игрушек физические явления и законы. Внимательно посмотрев на игрушки, которые в большом количестве есть в каждом доме, в том числе и в моём. Я нашел в них много материала, который требует объяснения с физической точки зрения.

Поэтому я решил отразить мир физики через детские игрушки.

Актуальность исследования:

Я считаю свою работу актуальной, так как она повышает интерес к изучению физики и доступна людям разных возрастов, даже не обладающих большими знаниями в области технических наук. Каждый человек должен иметь представление о физических явлениях и законах, с которыми непосредственно сталкивается в повседневной жизни с самого раннего детства.

Цель работы:

Рассмотреть применение физических явлений и законов в практической деятельности человека на примере создания детских игрушек.

Объект исследования - детские игрушки.

Предмет исследования - физические явления и законы, используемые в устройстве и работе детских игрушек.

Методы исследования: поисковый, обобщение, исследование опытным путём.

Для этого составляю план исследования:

1. Поиск, сбор и обобщение информации.
2. Выявление законов, описывающих принцип действия игрушек.
3. Проведение домашнего эксперимента.
4. Обработка результатов.
5. Выводы.
6. Оформление работы.

Центр тяжести – это точка, через которую при любом положении тела проходит линия действия его силы тяжести.

Центром тяжести твердого тела называется неизменно связанная с этим телом точка С, через которую проходит линия действия равнодействующей сил тяжести данного тела, при любом положении тела в пространстве.

Центр тяжести применяется при исследовании устойчивости положений равновесия тел и сплошных сред, находящихся под действием сил тяжести

Методы определения центра тяжести тел:

Метод симметрии. Если однородное тело имеет плоскость, ось или центр симметрии, то центр тяжести тела лежит соответственно в этой плоскости, на этой оси или в этом центре. Например, центр тяжести однородного круглого конуса лежит на его оси, а центр тяжести однородного шара — в его центре.

Метод группировки. Если тело можно разбить на конечное число таких частей, для каждой из которых положение центра тяжести известно, то координаты центра тяжести тела могут быть определены, и притом точно, непосредственно по формулам, если рассматривать в них:

координаты - й частицы тела; вес - й частицы тела,а вес всего тела.

Виды равновесия:

Равновесие тела называют устойчивым, если при отклонении от него возникают силы, возвращающие тело в положение равновесия  В устойчивом равновесии центр тяжести тела занимает самое низшее из всех близких положений. Положение устойчивого равновесия связано с минимумом потенциальной энергии по отношению ко всем близким соседним положениям тела.

Равновесие тела называют неустойчивым , если при самом незначительном отклонении от него равнодействующая действующих на тело сил вызывает дальнейшее отклонение тела от положения равновесия.  В положении неустойчивого равновесия высота центра тяжести максимальна и потенциальная энергия максимальна по отношению к другим близким положениям тела.

Равновесие, при котором смещение тела в любом направлении не вызывает изменения действующих на него сил и равновесие тела сохраняется, называют безразличным . Безразличное равновесие связано с неизменной потенциальной энергией всех близких состояний, и высота центра тяжести одинакова во всех достаточно близких положениях.

Устойчивое  Неустойчивое   Безразличное

Тело, имеющее ось вращения (например, однородная линейка, которая может вращаться вокруг оси, проходящей через точку О, изображенная на рисунке, находится в равновесии, если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, проходит через ось вращения. Причем если центр тяжести С выше оси вращения, то при любом отклонении от положения равновесия потенциальная энергия уменьшается и момент силы тяжести относительно оси О отклоняет тело дальше от положения равновесия. Это неустойчивое положение равновесия. Если центр тяжести находится ниже оси вращения , то равновесие устойчивое. Если центр тяжести и ось вращения совпадают, то положение равновесия безразличное.

Тело, имеющее площадь опоры, находится в равновесии, в том случае, если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, не выходит за пределы площади опоры этого тела. То есть за пределы контура образованного точками соприкосновения тела с опорой. Равновесие в этом случае зависит не только от расстояния между центром тяжести и опорой (т.е. от его потенциальной энергии в гравитационном поле Земли), но и от расположения и размеров площади опоры этого тела. На рисунке  изображено тело, имеющее форму цилиндра. Если его наклонить на малый угол, то оно возвратится в исходное положение 1 или 2. Если же его отклонить на угол , то тело опрокинется. При заданной массе и площади опоры, устойчивость тела тем выше, чем ниже расположен его центр тяжести. То есть чем меньше угол между прямой, соединяющей центр тяжести тела и крайнюю точку соприкосновения площади опоры с горизонтальной плоскостью.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ И ИГРУШКИ

1. Инерционные игрушки

Про тело, которое при взаимодействии медленнее изменяет свою скорость, говорят, что оно более инертно и имеет большую массу. А про тело, которое при этом быстрее изменяет свою скорость, говорят, что оно менее инертно и имеет меньшую массу.

Движение по инерции лежит в основе принципа действия игрушек - автомобилей, мотоциклов: на задней или передней оси, соединяющей колёса, находится ряд шестерёнок, которые в свою очередь соединяются с маховиком, то есть массивным цилиндром. Мы толкаем автомобиль, шестерёнки передают движение маховику. Маховик же обладает большой массой, поэтому будет долго сохранять состояние движения, которое ему сообщили. Именно благодаря тяжелому маховику такую игрушку трудно остановить и она будет двигаться по инерции гораздо дольше времени, чем такая же игрушка без маховика.

А вспомните пружинные пистолеты с пулями-присосками. Когда мы вставляем пулю в пистолет, сжимается пружина, находящаяся внутри. Деформированная пружина обладает запасом потенциальной энергии, за счет которой при спуске курка начинается движение пули. В соответствии с законом сохранения механической энергии потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию пули-присоски. Можно объяснить и следующее за выстрелом явление присасывания пули к поверхности. Это явление можно объяснить существованием атмосферного давления. Когда присоска ударяется о поверхность, некоторая часть воздуха выбрасывается из-под присоски из-за этого удара. В результате силы атмосферного давления прижимают пулю-присоску к поверхности, т. к. атмосферное давление больше, чем давление под присоской.

2. Заводные игрушки

Внутри этих игрушек - пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу.

Когда мы заводим игрушку, поворачивая ключ, пружина внутри игрушки сжимается, увеличивается ее потенциальная энергия. Чем больше оборотов ключа мы сделаем, тем сильнее сожмем пружину, тем больший запас потенциальной энергии получит пружина. А теперь пора игрушку отпустить. Пружина внутри игрушки начинает раскручиваться, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки. В основе работы этих игрушек лежит закон сохранения механической энергии.

А вспомните пружинные пистолеты с пулями-присосками. Когда мы вставляем пулю в пистолет, сжимается пружина, находящаяся внутри. Деформированная пружина обладает запасом потенциальной энергии, за счет которой при спуске курка начинается движение пули. В соответствии с законом сохранения механической энергии потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию пули-присоски. Можно объяснить и следующее за выстрелом явление присасывания пули к поверхности. Это явление можно объяснить существованием атмосферного давления. Когда присоска ударяется о поверхность, некоторая часть воздуха выбрасывается из-под присоски из-за этого удара. В результате силы атмосферного давления прижимают пулю-присоску к поверхности, т.к. атмосферное давление больше, чем давление под присоской.

Разберемся в этом, ознакомившись с устройством некоторых из них. Внутри этих игрушек – пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу.

Поставим опыт: поместим пружину на металлический стержень от штатива. Сожмем ее и свяжем ниткой (рис. 3). Подожжем нитку, пружина взлетает высоко вверх. Пружина приобрела скорость, так как ее потенциальная энергия перешла в кинетическую.

Когда мы заводим игрушку, поворачивая ключ, пружина внутри игрушки сжимается, увеличивается ее потенциальная энергия. Чем больше оборотов ключа мы сделаем, тем сильнее сожмем пружину, тем больший запас потенциальной энергии получит пружина. А теперь пора игрушку отпустить. Пружина внутри игрушки начинает раскручиваться, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки (рис.4). В основе работы этих игрушек лежит закон сохранения механической энергии.

3. Плавающие игрушки

Если погрузить в воду мячик и отпустить, то мы увидим, как он тут же всплывет. То же самое происходит и с другими телами (пробкой, щепкой). Какая сила заставляет их всплывать?

Когда тело погружают в воду, на него со всех сторон действуют силы давления воды. В каждой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. На разных глубинах гидростатическое давление различно: оно возрастает с глубиной. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих на тело сверху. Преобладающие силы давления действуют в направлении снизу вверх. Это и заставляет тело всплывать. Поскольку эта сила направлена вверх, ее называют выталкивающей силой. Есть у нее и другое название – архимедова сила (по имени Архимеда, который впервые указал на ее существование и установил, от чего она зависит).

На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх. Если сила тяжести Fтяж больше архимедовой силы FA, то тело будет опускаться на дно, тонуть, т. е. если Fтяж> FA, то тело тонет. Если сила тяжести Fтяж равна архимедовой силы FA, то тело может находится в равновесии в любом месте, т. е. если Fтяж = FA, то тело плавает . Если сила тяжести Fтяж меньше архимедовой силы FA, то тело будет подниматься из жидкости, всплывать, т. е. если Fтяж< FA, то тело всплывает.

Если вы не умеете плавать, вам на помощь придут надувные резиновые игрушки. Эти игрушки обладают большой подъемной силой, потому что действующая на них сила тяжести намного меньше выталкивающей силы.

Итак, законы плавания тел всегда учитываются при изготовлении игрушек, поэтому они и сами плавают на воде, и нам помогают плавать.

4. Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести

Почему нельзя положить неваляшку.

В русском фольклоре эту игрушку иногда называют "Ванька-встанька".

Хорошо известен принцип действия популярной детской игрушки-"неваляшки" - эффект возвращения в одно и то же состояние достигается за счёт смещения центра тяжести. Благодаря этому у неё есть только одно положение устойчивого равновесия (на основании) и только одно положение неустойчивого равновесия (на голове). У каждого предмета есть центр тяжести.

Падающая башня в  итальянском городе Пиза  не падает, несмотря на свой наклон, т. к. отвесная линия, проведенная из центра тяжести, не выходит за пределы основания.

"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." ( Архимед)

Стоящий предмет (тело на опоре), не опрокидывается, если вертикаль, проведенная через центр тяжести, пересекает площадь опоры тела.

У неваляшки внутреннее устройство таково, что создает смещенный вниз центр тяжести. Поэтому такое положение равновесия является устойчивым: центр тяжести корпуса неваляшки и точка её опоры лежат на вертикали, причем расстояние между центром тяжести и точкой опоры, всегда наименьшее.

Самая простая неваляшка представляет собой круглый полый корпус, внутри которого в нижней части закреплен груз. В результате получается объемная фигура со смещенным относительно геометрического центра центром тяжести.

У Ваньки - Встаньки в нижней части находится тяжелый полушар. Центр тяжести полушара - точка С - при наклоне поднимается. Расстояние CD больше расстояния АС. Значит , равновесие в первом случае устойчиво.

Для тела, опирающего на одну точку, в состоянии равновесия, центр тяжести находится на одной вертикали с точкой опоры ( СА -вертикаль). При отклонении от положения равновесия возникает момент силы, возвращающий тело в равновесное состояние с наизнишим положением центра масс.

Обычный полый шар обладает безразличным равновесием: как бы его не положили, он будет находиться в состоянии покоя, т.к. центр тяжести такого тела всегда равноудален от точки опоры.

А полый шар со смещенным центром тяжести будет стремиться занять положение, при котором центр тяжести будет наиболее приближен к точке опоры. Тогда такой шар окажется в единственном для него положении устойчивого равновесия.

Для малышей, которые ещё не научились аккуратно кушать есть даже чашка-неваляшка.

Чашка - неваляшка с "носиком" и удобными ручками научит малыша, привыкшего к бутылочке, пить из чашки. Утяжеленное дно не позволяет чашке окончательно перевернуться, даже если ребенок неудачно ставит ее на стол. А носик кружки сделан так, что если ребенок и перевернет ее вверх дном, то из нее не выльется ни капельки. Когда малыш научится обращаться с чашкой, крышку с носиком для питья и утяжеленное дно можно будет снять.

5. Звуковые игрушки

Мы все живём в мире звуков. Где бы мы ни находились, нас сопровождают разные звуки. Совсем ещё маленький ребёнок, а уже гремит погремушкой. Это его первая игрушка, и она звуковая.

Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук .

Теперь посмотрите другую игрушку – «Кот в сапогах». Когда мы нажимаем на неё, воздух выходит из подушки, находящейся внутри игрушки, а когда мы её отпускаем – устремляется внутрь подушки, она постепенно распрямляется, воздух внутри неё колеблется, издавая звук.

«Говорящие» куклы умеют произносить «Мама». Причина этого – колебания воздуха внутри кожаной коробочки с отверстиями, которую помещают внутрь игрушки. При наклоне куклы грузик, находящийся в коробочке, падает, заставляя воздух в ней сжиматься и выходить в отверстия. Колебания воздуха сопровождаются звуком.

Причиной музыкальных звуков, издаваемых шарманкой, тоже является воздух внутри неё. Чтобы звук был громче, ящик шарманки делают большим и полым.

6. Гироскопические игрушки

Это юла или волчок – древнейшая народная игрушка. Такие волчки приводят в движение рукояткой, снабжённой ходовым винтом.

Попытки повалить быстро вращающийся волчок не удаются Под действием толчка волчок лишь отскакивает в сторону и продолжает вращаться вокруг вертикальной оси.

В чем причина такой устойчивости вращения? Она тоже связана с одним из физических законов – законом сохранения момента количества движения. Попробуем установить волчок вертикально. Это нам не удаётся. Заставим волчок быстро вращаться, и он сразу становится устойчивым. Заметим, что волчок при этом описывает своей осью коническую поверхность. В этом и состоит секрет устойчивости волчка, а само это свойство сохранения устойчивости при вращении называют гироскопическим свойством.

Спиннер! Кто изобрёл этот объект материальной культуры?

Один придумал идею, другой её доработал, третий сделал первое устройство, четвёртый организовал производство, пятый устранил недостатки, которые мешали это изобретение использовать.

Его прототипы появились в глубокой древности. Конечно, они отличались от современных игрушек, но суть была та же: некий предмет вертелся, благодаря чему сохранял устойчивость на одной точке опоры. Самые известные примеры — волчок и юла.

Был такой советский педагог Ефим Аркин. В 1930-е годы он написал книгу об истории детской игры. Там есть список предметов, которые он называет «изначальными игрушками». Кроме кукол и игрушечных луков со стрелами туда попали волчки, то есть древние аналоги спиннеров…

«На севере Китая мальчики упражняются в пускании по льду деревянного или металлического волчка чоу-га, непрерывно подстёгивая его нагайкой. Осетинские дети, вращая с помощью кнутика волчок на льду, увеличивают его скорость до тех пор, пока вращение становится незаметным. В этом положении о волчке говорят, что он стоит как “невеста”. Карачаевские и балкарские дети играют с костяной юлой (хайнук) и кубарем (чинеж), вращая их зимой на льду ременным или верёвочным прутиком. Малайзийские дети, запуская деревянные волчки в очерченный на земле круг, выбирают победителем игрока, чей волчок остановится позже всех. В аргентинской игре The longest spin (самое длинное вращение) дети соревнуются в длительности вращения нескольких одновременно запущенных волчков».

Южная Америка, Восточная Азия, Кавказ, Крайний Север — вращающиеся игрушки распространены по всему свету, и вряд ли кто-то мог навязать их извне. Роль интернета тоже не стоит преувеличивать: во времена древних греков YouTube ещё не было, а волчки уже были.

Матушка-эволюция придумала всё раньше человека. Нам лишь остаётся копировать её великие изобретения.

Это клён остролистный. Обращали внимание на его плоды? Они отдалённо напоминают наш спиннер с двумя лопастями. Падая с дерева, плод начинает вращаться. Возникают сложные аэродинамические эффекты, подобные тем, что позволяют самолётам и вертолётам держаться в воздухе.

«Спиннер» от английского to spin. Это значит «крутить, вертеть». Сходный корень имеет и слово «шпиндель» — вал, который может вращаться в разные стороны. Происходит от немецкого Spindel — веретено.

Каковы законы, которым подчиняется игрушка? Итак, ключевые слова: прецессия, гироскопический эффект, закон сохранения импульса, угловая скорость, центробежная сила. Спиннер — это частный случай гироскопа, подобно юле или волчку. Как и в гироскопе, его ось очень устойчива к внешним воздействиям, что позволяет доказать вращение Земли. Если поместить спиннер, как гироскоп, в подвес и раскрутить, Земля будет под ним вращаться, а он сам понемногу поворачиваться. Правда, спиннер слишком быстро перестаёт крутиться, чтобы мы могли заметить этот эффект, тут требуется хотя бы полчаса вращений.

Вы, наверное, замечали, что, когда вращаешь раскрученный спиннер в руке, он пытается повернуться в другую сторону. Это тоже свойство гироскопа, называется прецессия. При наклоне оси вращения плоскость вращения гироскопа начинает поворачиваться.

Начнём с самого простого. Берём в руки спиннер, начинаем крутить, а точнее, сообщаем этому телу момент импульса. Засекаем время — сколько у кого прокрутится. Говорят, мировой рекорд больше десяти минут. Это много, но рано или поздно спиннер всё равно останавливается.

Внутри спиннера стоит подшипник — два кольца с помещёнными между ними шариками или цилиндриками. Они и катаются. Сила трения качения обычно намного меньше силы трения скольжения. Не зря же наши далёкие предки изобрели колесо. Правда, всё зависит от поверхности. Крутящееся тело всё время чуть-чуть прогибает поверхность, по которой движется. Получается, что ему каждый раз нужно выбираться из маленькой ямки и тратить энергию на деформацию.

В спиннерах стоят подшипники из металла, пластика или керамики. Чем твёрже материал и чем глаже его поверхность, тем меньше будет трение. Например, когда и катящееся тело, и поверхность сделаны из закалённой стали, коэффициент трения у них 0,01, а у резиновой шины на бетонной дороге  15–35.

Но! Представим себе, что подшипник спиннера сделан из некого фантастического металла — абсолютно гладкий, абсолютно твёрдый. Трение качения равно нулю. В этом случае спиннер будет крутиться бесконечно долго? Вряд ли. Ведь существует ещё одна сила — сопротивление среды, жидкой или газообразной. В воде вы спиннер не очень-то раскрутите. На воздухе легче, но газ тоже сопротивляется. Эта сила зависит и от площади движущегося тела, и от его формы, и от других факторов.

7. Магнитные игрушки

Это магнитные шашки и шахматы, магнитные буквы и цифры, магнитный конструктор, магнитная рыбалка, магниты на холодильник, магнитная доска. В этих игрушках используется свойство магнитов притягивать к себе некоторые железосодержащие материалы.

Магни́т— тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном— фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Магни́т на холоди́льник— элемент декора, сувенир на магнитной основе, как правило, прикрепляемый к кухонной бытовой технике. Благодаря специальной конструкции, называемой магнитная сборка Халбаха, магнитное поле с лицевой стороны магнита практически отсутствует и удваивается с оборотной

Магнитная доска для рисования позволяет маленькому художнику создавать картины, используя магнитную ручку. Для очистки экран для нового рисунка предусмотрен специальный рычажок, который надо переместить вдоль поля доски. В комплект входит доска, пластмассовый карандаш, магнитные штампики. В основном доски делают из стального листа с различным покрытием - эмаль, специальная маркерная плёнка, лаковое покрытие.

8. Игрушки, растущие в воде

Рост игрушек объясняют следующие научные явления и законы: смачивание, влагопроницаемость, капиллярный эффект Адгезия (сцепление), влагоемкость, конденсация.

Поглощающий воду материал представляет собой смесь абсорбирующего каучука на основе акрила и этилен винил ацетат сополимера. Хрупкая скорлупа изготавливается из смеси пластика (например, полиэтилен или полипропилен) и карбоната кальция, например, слюдяного порошка или силиката магния (тальк). Игрушка из полимерного материала, увеличивающаяся в размерах при погружении в воду. Это синтетический сополимер, подобный полиэтилену, пластмассе, каучуку, но с большим расстоянием между молекулами. Эта особенность делает его эластичным и позволяет впитывать воду…».

Когда тело помещается в воду, молекулы воды начинают растаскивать молекулы этого тела в разные стороны, заполняя все свободное пространство Вода состоит из молекулы кислорода и двух молекул водорода. В жидком состоянии ее молекулы расположены на некотором расстоянии друг от друга. Это позволяет им свободно двигаться. Происходит процесс смачивания. Сма́чивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью тела. С явлением смачивания очень тесно связано явление капиллярности. Силы притяжения, действующие между молекулами твёрдого тела и жидкости, заставляют её подниматься по стенке сосуда. таким образом у наших игрушек обнаружено ещё одно свойство - влагопроницаемость.

Влагопроницаемость - это способность тела пропускать воду. Я заметил, что на 2-3 день игрушки растут быстрее, т.к. вещество, из которого они состоят, становится менее плотным. Вывод: влагопроницаемостью обладают тела, пронизанные порами – капиллярами. По капиллярам вода может передвигаться во все стороны, даже снизу вверх. Чем выше капиллярность тела, тем выше ее влагопроницаемость. Вода «прилипает» к стенкам капилляров и как бы ползет вверх. Чем тоньше капилляры, тем выше поднимается вода. Мы взяли полимерную игрушку и губку, их сходство в том, что обе сделаны из полимера, имеют поры-капилляры. Опустили их в воду. Губка и игрушка стали наполняться водой. Полимерная игрушка медленнее наполнялась водой, а губка быстро. впитала воду. На наш взгляд, причина в том, что капилляры у губки шире. При этом игрушка стала увеличиваться в размере, а губка нет. Что позволяет игрушкам оставаться большими, не находясь в воде, в течение 2-3 дней? Это свойство влагоемкость. Влагоемкость – это способность тела удерживать воду. Вода заполняет все поры, препятствуя прохождению воздуха вглубь. Плотное тело хуже удерживает воду и обладает низкой влагоемкостью. .

9. Колыбель Ньютона

Колыбе́ль Ньютона (маятник Ньютона) - механическая система, придуманная Исааком Ньютоном для демонстрации преобразования  энергии различных видов друг в друга: кинетической в потенциальную и наоборот. В отсутствие противодействующих сил(трения) система могла бы действовать вечно, но в реальности это недостижимо.

Эту популярную игрушку-сувенир, придуманную английским актёром  Саймоном Пребблом в 1967 году, а сегодня часто встречаемую на письменных столах в кабинетах и офисах, можно поместить и в музей физики. Можно бесконечно долго играть с ней, глядя на качающиеся шарики (как смотреть на текущую воду или огонь). Но знание того, что она иллюстрирует законы сохранения импульса и сохранения энергии не только не помешает, но и придаст особый смысл наблюдению.

Если отклонить первый шарик и отпустить, то его  энергия  и  импульс  передадутся   без изменения через три средних шарика последнему, который приобретёт ту же скорость и поднимется на ту же высоту. Он в свою очередь передаст свой импульс и энергию по цепочке снова первому шарику. Крайние маятники будут колебаться, а средние шарики будут покоиться. Если бы не было потерь механической энергии вследствие работы сил трения  и  упругости , то колебания продолжались бы вечно, но они затухают, так как в реальных механических системах всегда действуют диссипативные силы.

Интересным является то, что первый шарик передаёт импульс последнему не непосредственно, а через средние шарики, которые остаются неподвижными. Картина напоминает распространение упругой волны в твёрдом теле, то есть передачу упругих возмущений и энергии упругой деформации без переноса вещества (например, звук).

Рассмотрим простой случай, когда движущийся шар сталкивается с таким же покоящимся шаром («Колыбели Ньютона» всего из двух шариков). Столкновение упругое и центральное (именно такое наблюдается в идеальной «Колыбели Ньютона»). Чтобы найти скорости шаров после упругого столкновения, надо записать уравнение закона сохранения импульса для такой системы и уравнение закона сохранения энергии и решить полученную систему уравнений. Результат известен: движущийся шар останавливается, а покоящийся приобретает скорость первого.

В колыбели Ньютона первый шарик передаёт импульс второму шарику и останавливается. Мы не видим, как второй шарик получает импульс от первого, не «видим» его скорость. Но, если присмотреться: шарик чуть заметно «вздрагивает», то есть он движется с полученной скоростью, но на маленьком пути «из-за тесноты». Но он успевает на этом коротком пути отдать импульс третьему шарику и остановиться. То же с третьим шариком и т. д. Последний шарик не имеет перед собой, кому передать свой импульс, поэтому свободно движется, поднимаясь на высоту h, затем возвращается, и всё повторяется в обратном направлении.

10. Игрушки на батарейках.

Это различные интерактивные, светящиеся, летающие, музыкальные, радио игрушки, робоигрушки. Внутри этих игрушек батарейки - химические источники тока. Электрический ток оказывает различные действия: тепловое, магнитное, механическое.

Светящиеся игрушки изготавливаются как из пластика, так и из плюша. Модификаций светящихся игрушек чрезвычайно много – это и фонарики, и светящиеся браслеты, зверушки и транспорт, светильники, палочки и многое другое.

Какие же бывают мягкие музыкальные игрушки? Большинство таких игрушек, как правило, представляют собой мягкую игрушку, которая работает на батарейках, и способна при определенных действиях, либо издавать звуки, либо петь песенку, либо повторять произнесенные слова.

Первая категория музыкальных мягких игрушек самая простая - внутри находится электронное устройство, которое может воспроизводить небольшой отрывок детской песни, или может говорить какие-нибудь фразы. Такие игрушки могут также быть более сложными - например, могут иметь встроенный механизм, который заставляет игрушку двигать лапками или ходить, хлопать в ладоши и так далее.

Второй вариант детских мягких музыкальных игрушек это так называемые "повторюшки", которые записывают сказанную фразу или музыкальный фрагмент и потом воспроизводят их.

 Но самые сложные мягкие музыкальные игрушки, относятся к разряду обучающих развивающих игрушек. Внутри таких игрушек находится программируемый плеер, который имеет сменный носитель (флешку) на который можно записать детские песни, сказки, стихи, и даже уроки иностранного языка для малышей. Управляется такая игрушка легко - одно нажатие на одну лапку включает воспроизведение, два нажатия - паузу, одно нажатие на вторую лапку включает перемотку вперед, два - назад, и так далее, возможны и другие варианты.

На сегодня есть и еще одна категория мягких музыкальных игрушек, которые пока что, мало доступны из-за их высокой цены - такие игрушки представляют собой целый компьютер - робот, и могут управляться голосом, они видят вас, могут передвигаться, говорить, петь, и многое другое. Однако стоят они очень дорого, и возможно получат широкое распространение только в будущем.

НЕВАЛЯШКА — детская игрушка, принцип действия которой основан на том, что внутри полого шара расположен другой шар большей        плотности, в результате чего игрушка стремится занять строго определённое положение. Неваляшка считается традиционной игрушкой для детей. Считается, что неваляшка пришел к нам из Японии .Там он имел круглую форму и назывался Дарума .Считалось, что такая кукла приносит удачу. Продавались или дарились Дарумы с не закрашенными глазами. Загадывая желание, японец закрашивал один глаз куклы, а когда оно исполнялось - закрашивался второй. Наш Ванька обрел голову и появился на ярмарках в начале 19 века . Такого Ваньку вытачивали на токарном станке из липы , в нижнюю часть вставляли свинцовый груз и куклу раскрашивали яркими красками. Для нескольких поколений советских людей это была первая игрушка в жизни. Совмещает погремушку и «never fall» устройство. Привлекает яркостью цвета. Форма удобна и безопасна для малыша. Развивает слух, воображение, цветовое восприятие, координацию движений. В самом раннем возрасте детям очень нравится обнаруживатьновые интересные предметы, и поэтому ребенок с удовольствием играет в куклу-неваляшку. Стоит ему уронить эту игрушку, как она тут же самостоятельно принимает стоячее положение. В русском фольклоре эту игрушку иногда называют «Ванька-встанька»

Неваляшка является примером гениальной инженерной конструкции. Это конструкторское решение используется в судостроении. В чем суть этой конструкции? Мы знаем, что тело имеет устойчивое положение при условии, когда точка опоры находится выше центра тяжести. В неваляшке все наоборот, но свалить ее нельзя, она упорно возвращается в вертикальное положение. Дело в том, что форма нижней части и груза выбрана так, что при наклоне точка опоры смещается в сторону наклона, и между векторами силы тяжести и реакции опоры начинают действовать через рычаг, неваляшка стремится занять такое положение, когда эти векторы совпадут по линии между точкой опоры и центром тяжести. Это возможно только при вертикальном положении неваляшки. У кораблей и судов центр тяжести всегда выше центра давления (опоры), но они сохраняют остойчивость даже при значительном крене корпуса, здесь тоже действует принцип неваляшки .

Неваляшка в деле:

Эффект неваляшки находит в быту  свое применение.

1. Вот такая детская кружка-неопрокидывайка, в которой соска не будет валяться на столе.
2. Часы, которые всегда будут занимать вертикальное  положение.
3. Или утюг, который сложно забыть на дорогом платье, потому что он поднимается в нерабочее положение, стоит лишь его выпустить из руки.
4. А вот необычный чехол для мобильника, который сложнее потерять в окружающем пространстве, потому что он, как поплавок, стремится занять вертикальное положение. (см. приложение)

Эксперимент

Изготовление спиннера

Наиболее простая модель спиннера получится, если не использовать подшипник. Именно он составляет большую часть стоимости, так как заставляет игрушку двигаться.

Вот какой спиннер получился у нас всего из пяти крышек. Инструкция прилагается

Как высота звука, издаваемого спиннером, зависит от скорости его вращения? Почему?

Высота тона зависит от длины и массы пластинок и не зависит от скорости вращения спиннера.

1. У нас есть спиннер с двумя лопастями и есть с тремя. Сделаны они из одинаковых материалов. К ним прикладывается одна и та же сила F. Какой из спиннеров будет крутиться дольше?

Скорость вращения спиннера зависит от нескольких факторов, которые можно увидеть ниже:

1) Материал. Металлический спиннер будет крутиться быстрее пластикового.

2) Вменяемое количество смазки. Умеренно смазанный спиннер крутится быстрее несмазанного или того, в который вылито целое ведерко смазки и его невозможно взять в руки)

3) Чистый спиннер крутится лучше грязного. Ухаживайте за своим любимцем, чистите его! Тогда он будет хорошо крутиться.

4) Аэродинамика лопастей, их форма очень важна, как и размер.

Инструкция по изготовлению спиннера в домашних условиях

Наиболее простая модель спиннера получится, если не использовать подшипник. Именно он составляет большую часть стоимости, так как заставляет игрушку двигаться.

Нам понадобятся такие материалы:

• пластиковые крышки разного цвета – 5 шт.;
• ножницы с шилом;
• деревянная шпажка;
• черный маркер;
• горячий клей.

Ход работы:

Для удобства возьмем крышки разного цвета. Две заготовки понадобится для середины, остальные три для лепестков. В центральных крышках сделаем строго по центру отверстие при помощи шила.

Чтобы соединить все части между собой используем горячий силиконовый клей. Он надежно зафиксирует детали и быстро застынет. Наносим такой клей на внешнюю сторону крышки, но избегайте его попадания на дырку.

Склеиваем две заготовки вместе. Придерживаем руками крышки, чтобы они не сместились, в то время пока клей будет застывать. Если отверстие все же испачкалось, то прочистим его шилом пока клей еще горячий.

Положим центральную часть игрушки на стол, вокруг нее разместите три крышки другого цвета. Стараемся сделать это как можно равномерно, для обеспечения одинаковой нагрузки на лепестки спиннера.

При помощи маркера сделаем отметки на белых крышках в местах соединения с красными заготовками.

Наносим толстый слой клея на месте отметки. Используем как можно больше клея, чтобы надежно закрепить детали на центральной части игрушки.

Приклеиваем сначала первую крышку, затем все остальные. Делаем это по очереди, так как клей быстро застывает.

Деревянную шпажку проденем сквозь отверстие в центре фигуры.

Отметим необходимую длину палочки. Она должна быть больше боковых частей крышки, чтобы На середину шпажки нансимо клей и снова вставляем в крышки. Она должна быть надежно закреплена с пластиком.обеспечить удобный их захват пальцами. Лишнюю часть отрезаем ножницами.

Вот какой спиннер получился у нас всего из пяти крышек

Практическая часть

Опыты по устойчивости равновесия, создание на основе опытов игрушек

Попробуем поставить карандаш на острие. Очень сложно. И все-таки есть очень простой способ заставить карандаш стоять. Я собрал из прищепок угол, закрепил его на карандаш. Теперь можно устанавливать карандаш.

Карандаш опирается на острие. Это его точка опоры. Но под ней висят прищепки и карандаш стоит.

Ясно, что дело здесь именно в прищепках. Прищепки тяжелее, они тянут вниз и заставляют карандаш стоять.

Вывод: равновесие будет устойчиво, если главная тяжесть находится ниже точки опоры.

Игрушка «Птичка»

Я сделал интересную игрушку с устойчивым равновесием - птичку. Она состоит у меня из пластилина, а ножки – из спичек.

На нижнем конце проволоки, воткнутой в тело птички, укрепил шарик из пластилина. В тело птички проволока должна входить позади лапок. При достаточно тяжелом грузе птичка будет отлично сидеть. Ну а что будет, если груз легче птички? Усидит наша птичка или свалится? Когда мы ставили карандаш на острие, то выяснили, что равновесие будет устойчиво, если главная тяжесть находится ниже точки опоры. Теперь главная тяжесть — туловище птички — выше точки опоры. Значит, бедняга упадет ?.Пытаясь уравновесить птичку при разных положениях легкого груза, мы увидим, что птичка сидит устойчиво, когда груз сдвинут далеко вниз. А если груз высоко, под самым пальцем, то птичка будет опрокидываться.

Вывод: устойчивость равновесия зависит не только от массы, но и от положения груза.

Игрушка «Акробат» 

Если  вырезать из картона клоуна и  поместить в ладони маленькие монетки. Маленький клоун будет балансировать везде: на пальце, на нитке. Монеты смещают центр тяжести в область ниже носа, поэтому он находится в равновесии.

Игрушка «Неваляшка» 

Внизу пластикового яйца закрепить при помощи пластилина груз. Теперь, как бы мы не ставили перед зрителями яйцо, оно всегда будет принимать вертикальное положение!

Игрушка «Весёлый шарик» 

Внутрь воздушного шарика вложить маленький мячик. Шарик надули и завязали. Теперь воздушный шарик будет прыгать во все стороны, потому что центр тяжести шарика будет смещаться

Заключение

В  результате исследования была выделена следующая классификация игрушек:

1. Инерционные игрушки.
2. Заводные игрушки.
3. Плавающие игрушки в воде.
4. Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести.
5. Звуковые игрушки.
6. Гироскопические игрушки.
7. Магнитные игрушки.
8. Игрушки , растущие в воде.
9. Колыбель Ньютона.
10. Игрушки на батарейках.

Действие всех игрушек основано на физических законах и принципах, о которых говорилось ранее.

Основными факторами являются центр тяжести и вид равновесия.

Понимая действие игрушек, можно изготовить их модели из подручных средств.

Список источников литературы:

1. Физика. 7 кл.., 8 кл, 9 кл. учеб. для общеобразоват. учреждений/Ф. В. Перышкин., Е. М .Гутник. - 17 изд-е, стеоретип. м. : Дрофа, 2012.

2. Сикорук Л.Л. Физика для малышей.

3. Том Тит. Научные забавы: интересные опыты, самоделки, развлечения/пер. с франц. М., Издательский Дом Мещерякова, 2008.

4. Хилькевич С. С. Ю. "Физика вокруг нас", Библиотечка "Квант", выпуск 40, Москва, Наука, 1985.

5.https://kopilkaurokov.ru/fizika http://class-fizika.narod.ru/van11.htm 

6.Физика для школьников-научно-практический журнал

7.Е. Н. Соколова «Юному физику» – движение по инерции

8.И. Я. Ланина «Внеклассная работа по физике» - деление игрушек по группам.

9.http://festival.1september.ru/articles/418063/ - игрушки действие которых основано на Архимедовой силе.

10.http://class-fizika.narod.ru/van4.htm

11.Кот Шрёдингера. Живой научно-популярный журнал Фестиваля Науки.

12.http://sovetclub.ru/kak-sdelat-spinner-iz-kryshek