Исследовательская работа по теме "Анализ возможностей домашнего кота с точки зрения физики"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа  имени Героя Советского Союза С.В. Руднего п. Де­Кастри Ульчского Муниципального района Хабаровского края  краевой заочный конкурс проектов и исследовательских работ школьников «ЮНИС» Исследовательская работа Тема: Анализ возможностей домашнего кота через призму физики Автор работы: Ученица 7 класса  Татарникова Екатерина Сергеевна Руководитель работы: Степанова Татьяна Витальевна, учитель физики п. Де­Кастри 2017 СОДЕРЖАНИЕ Введение_________________________________________________________3 1. Биомеханика. Развитие биомеханики как науки_______________________5 2. Механические характеристики кота________________________________7 1.2 Измерение средней и максимальной скорости кота________________7 1.2Измерениемассы кота ________________________________________8 1.3Измерениеобъема кота_______________________________________10 1.4 Измерениеплотности кота____________________________________11   Измерение   давление   кота   на 1.5 пол_______________________________11 1.6Измерение механической работы и мощности кота при подъеме  по лестнице___________________________________________________12 Заключение______________________________________________________15 Список источников и литературы___________________________________16 Приложения _____________________________________________________17 2 Введение Движение животных издавна привлекали внимание человека. Он хотел перемещаться по воде, воздуху, земле также легко и изящно. Однако прошло несколько тысячелетий, прежде чем люди создали науку о движении механику и   сумели   создать   конструкции,   превосходящие   в   скорости   и   дальности передвижения   любым   представителям   животного   мира.   Но   ученые непрерывно   продолжают   изучение   особенностей   живой   природы,   которые позволяют машинам и механизмам не только устанавливать рекорды, но и работать и двигаться так же грациозно и бесшумно, как например кошке. Физика – наука о природе. Кот, как домашнее животное, частица этой природы.   Таким   образом,   для   кота   должны   быть   справедливы   все   законы физической науки. Какую роль физика играет в жизни кошки? Моя работа посвящена изучению физических процессов и явлений в жизни кота. Практически исследованы механические характеристики кота: скорость, масса, температура, объем, плотность тела кота, вес, давление  кота на опору, механическая   работа   и   мощность.   Работа   имеет   прикладной     характер   и позволяет  создать «Биомеханический паспорт кота Жорика». Цель исследования:  Выявление возможности   использования  кота как  объекта  физических исследований и создание  «Биомеханического паспорта кота Жорика». Задачи: 1. Познакомиться со специальной литературой. 2. Посетить различные интернет­сайты, посвященные изучению кошек. 3. Исследовать   механические   характеристики   кота   (масса,   скорость, объем, плотность, давление кота на опору,  механическую работу, мощность). 4. Обобщить   и   систематизировать   результаты   исследования   в   виде буклета «Биомеханический паспорт кота Жорика». 3 Методы исследования: 1. Обзор литературы 2. Обзор информации по сети интернет. 2. Исследование. Объект исследования: Кот Жорик– возраст 3 года. Гипотеза исследования: Физика как наука применима для изучения домашних животных. Новизна исследования: Измерения   некоторых   физических   характеристик   позволили   создать методическое пособие для создания паспорта кота. Практическая значимость: Заключается в том, что данный материал можно использовать на уроках физики   в   качестве   домашних   лабораторных   работ,   а   также   для   создания паспорта кота. Актуальность исследования: Все измерения апробированы на своем коте Жорике. 4 1. Биомеханика. Развитие биомеханики как науки Биомеханика   –   наука   о   двигательной   активности   и   двигательных возможностях человека и животных. Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios — жизнь и mexane — орудие. Как известно, механика — это   раздел   физики,   изучающий   механическое   движение   и   механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика — это раздел   науки,   изучающий   двигательные   возможности   и   двигательную деятельность живых существ. Истоками биомеханики были работы Аристотеля и Архимеда. Первые научные   труды   написаны   Аристотелем   (384—322   гг.   до   н.   э.),   которого интересовали закономерности движения наземных животных и человека. А основы наших знаний о движениях в воде заложены Архимедом (287—212 гг. до н.   э.).     Но   только   благодаря   работам   одного   из   блистательных   людей средневековья  Леонардо до Винчи (1452­ 1519) ­  биомеханика сделала свой следующий   шаг.   Этот   великий   художник,   математик,   физик   и   инженер впервые   высказал   важнейшую   для   биомеханики   мысль:   «Наука   механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».  Р.   Декарт   (1596—1650)   создал   основу   рефлекторной   теории, представив,   что   основанием   движений   может   быть   конкретный   фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Объяснение данного факта является  происхождение непроизвольных движений.  В   дальнейшем   большое   влияние   на   развитие   биомеханики   оказал итальянец Д. Борелли (1608—1679) — врач, математик, физик. В своей книге «О движении животных» по сути он положил начало биомеханике как отрасли науки.   Он   рассматривал   организм   человека   как   машину   и   стремился объяснить   дыхание,   движение   крови   и   работу   мышц   с   позиций 5 механики. Большой   теоретический   вклад   был   сделан   основоположником отечественной биомеханической школы Н. А. Бернштейном (1896 – 1966) – создателем   учения   о   двигательной   деятельности   человека   и   животных.   В последнее время развиваются: инженерная и медицинская  биомеханика.  Развитие   инженерной   биомеханики   позволило   на   базе   Пермского государственного университета создать устройство оригинальным названием «Падающий кот». Это модель кота падающего с высоты. Модель имитирует движения кота в полете. Ученые пытаются ответить на вопрос: почему кошки всегда  приземляются  на 4  лапы. Разработчики  модели уверены, что  сфера применения разработки очень широка – вплоть до оборонных технологий. 6 2. Механические характеристики кота Измерение  механических   характеристик   кота   проводилось   по следующему алгоритму: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Тема эксперимента. Цель эксперимента. Приборы и материалы, используемые в ходе эксперимента. Ход эксперимента. Таблица результатов.  Вывод опыта. 2.1. Измерение средней и максимальной скорости кота Цель эксперимента: Измерить среднюю и максимальную скорости кот. Приборы и материалы: секундомер, рулетка, игрушки (мячик, мышка,  бантик). Ход эксперимента: 1. При помощи рулетки измерим расстояние пройденное котом.  2. При помощи секундомера измеряем время движения. 3.  Рассчитываем скорость по формуле V=S*t.  4.  Результат измерения вносим в таблицу. 5. Рассчитываем среднюю скорость по формуле: V=Sвесь/tвсе.    Опыт S, м t, с V, м/с Vср, м/с Vср, км/ч V max, м/c 1 2 4 4 2.34 1.79 1.7 2.2 1.96 0.54 2.2 7 V max, км/ч 3 4 1.98 2.02 Расчет скорости:  V1 =S1/t1 =4:2.34=1.7 м/c;   V2 =S2 /t2 =4:1.79=2.2м/c;  V3 =S3 /t3 =4:1.98=2.02м/c. Расчет средней скорости: 0,6 Vср=Sвесь/tвсе= (4+4+4) / (2.34+1.79+1.98) = 12/6.11 = 1.96м/с = 1.96 * 1000 : 3600 = 0.54км/ч  Вывод эксперимента:   В результате исследования средняя скорость кота равна 0.54 км/ч,  максимальная  – 0.6 км/ч. По данным исследований во время бега домашняя кошка может делать рывки со скоростью до 50 км/ч.  Скорость кота Жорика составляет всего 1% от максимально возможной скорости, которую может развивать кошка.  2.2. Измерение массы кота Цель эксперимента: измерить  массу кота Жорика. 8 Приборы и материалы: электронные весы. Ход эксперимента:  1. Измеряем массу кошки с помощью электронные весов. 2. Масса кота  m  = 3.53кг  Вывод: Кошка в среднем весит 3­ 5 кг. Масса Жорика соответствует среднестатистическим   данным.   Согласно   книге   рекордов   Гиннеса   масса самого большого кота 21 кг. Масса Жорика составляет 16.8 % данной массы. 16% 84% масса самого большого кота масса кота Жорика 2.3. Измерение объема кота Цель эксперимента: Измерить объем кота. Приборы и материалы: измерительная лента, карандаш, линейка. Ход эксперимента: Измерения объема кота будут состоять из 2 этапов. Измерение объема туловища   и   лап   из   учёта   того,   что   их   форма   приближена   к   цилиндра. Измерение объема головы из учета того, что форма головы   приближена к окружности.  1. Измерим обхват головы с помощью измерительной ленты L1=29 см. 9 2. Рассчитаем   объем   головы   кота   по   формуле  V1=   4/3  πR3.   Радиус окружности   головы   кота   найдем   из   формулы   длины   окружности  L1=2πR, отсюда   следует,   что  R=L1/2π. Итоговая   формула   примет   вид  V1=   4/3π (L1/2π)3=412.86см3=0.000413м3. 3.Измерим обхват туловища с помощью измерительной ленты L2=35 см. 4.Измерим длину туловища с помощь измерительной ленты h2=32см. 5.Рассчитаем   объем   туловища   кота   по   формуле   V2=Sh= Rπ 2h.   Радиус окружности туловища кота найдем из формулы длины окружности L2=2 R,π π отсюда   следует,   что   R=L2/2 .   Итоговая   формула   примет   вид   V 2= πh1(L2/2 )π 3=3117см3=0.003117м3. 6.Измерим обхват передних лап с помощью измерительной ленты L3=11 см. 7.Измерим длину передних лап с помощь измерительной ленты  h2=22см. 8.Рассчитаем   объем   передних   лап   кота   по   формуле   V3=2Sh= R2h. Радиус   окружности туловища кота найдем из формулы длины окружности π L3=2 R, отсюда следует, что R=L 3= π 3=0.000423м3. 2 h1(L 3/2 . Итоговая формула примет вид V 3/2 )3=423.28см π π π 9.Измерим обхват задних лап с помощью измерительной ленты L4=9см. 10. h3=17см. 11. Измерим   длину   задних   лап   с   помощь   измерительной   ленты Рассчитаем   объем   задних   лап   кота   по   формуле   V4=2Sh= R2h. π Радиус   окружности туловища кота найдем из формулы длины окружности π L4=2 R, отсюда следует, что R=L 4= π 2 h1(L 12. Объем кота Жорика находим сложением объема тела и объема 4/2 . Итоговая формула примет вид V 4/2 )π 3=221см3=0.000221м3. π головы V = V1+V2+V3V4 =412.86+3117+423+221=4174см3=0,004174м3. 13.Данные заносим в таблицу. Обхват Обьём Обхват Длина Обьём Обхват Длина Обьём Обхват Длина Обьём задних 10 головы L1 см 29 головы V1 м 3 туловища L2 см туловища h2 см туловища V2 0.00041 3 35 32 0.00311 7 передних лап L3 11 передних лап h3 22 передних лап V3 0.00042 3 задних лап L3см 9 задних лап H3см 17 лап V3М3 0.000221 Вывод эксперимента. Объем кота Жорика составляет 0,004174 м3. 2.4. Измерение плотности кота Цель эксперимента: Измерить плотность кота.  Приборы и материалы: данные предыдущих измерений. Ход эксперимента. 1. Плотность рассчитывается по формуле р =m/V. 2. Данные вносим в таблицу. Масса, кг Объем, м3 3.53 0,004174 3. Используя   данные   таблицы, =m/V=3.53/0,004174= 845.7кг/м3. Плотность, кг/м3 845.7   рассчитываем   плотность   р Вывод эксперимента. Плотность Жорик  равна 845,7кг/м3 . Она близка к плотности воды 1000 кг/м3.  2.5.  Измерение давления кота на опору (пол) Цель   эксперимента:   Измерить   давление   кота   на   опору   в   положении стоя, сидя, лежа; выяснить, зависит ли оно от площади опоры, и если зависит, то как. Приборы и материалы: тетрадный  листок в клетку, карандаш. Ход эксперимента. 1. Давление рассчитывается по формуле: Р=F/S=mg/S. 2. Рассчитаем силу тяжести. Для этого умножим массу кота на ускорение свободного падения. 3. F  тяж = gm=3,53*10=30  H  , где  F  тяж – сила тяжести; g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кота. Значение массы кота 11 возьмем из 2 исследования. 4. Площадь опоры кота (S) определяем следующим образом. Поставим кота   на   лист   клетчатой   бумаги   и   обведем   контур   той   части,   на   которую опирается кот. Сосчитаем количество квадратиков и умножим на площадь одного квадратика (1/4 см2) .    5. Данные занесем в таблицу.  Положение  стоя Положение сидя Положение лежа Число квадратов           166 417 2177 Площадь опоры, см2 41,5 104 544 Площадь опоры, м2 0, 00415 0, 0104 0, 0544 S1 = 166*0, 25 см2= 11, 75см2=0, 00415м2 S2 = 417*0,25см2= 469см2= 0, 0104м2 S3 = 2177*0,25см2=2172см2= 0, 0544 м2 5. Рассчитаем   давление   оказываемое   котом   на   пол,   данные   внесем   в таблицу. Давление на пол, Па Давление на пол, кПа Положение  стоя Положение сидя Положение лежа 0,851 0,3394 0,065 851 339,4 64,8   P1 = 3,53 Н / 0,00415м2= 850 Н/ м2    P2 = 3,53 Н / 0,0104м2=  339,4Н/ м2  339,4Па =0,3394 кПа        P3 = 3,53 Н / 0, 0544м2 =64,8 Н/ м2 Вывод   эксперимента.   Жираф,   верблюд   и   кошка   –   это   единственные ≈  851 Па = 0,851кПа ≈ ≈  65Па =0,065 кПа животные – иноходцы, при ходьбе у них идут сначала левые ноги, а потом правые.   Такая   ходьба   гарантирует   скорость   и   тишину.   При   ходьбе   кошки опираются на лапы.   Давление, оказываемое котом на пол   максимально в положении стоя. Минимальное давление кот оказывает в положение лежа. Как показывают   результаты     исследования,   чем   меньше   площадь,   тем   больше давление на опору. 12 Измерение механической работы  и мощности кота при  2.6. подъеме по лестнице Цель эксперимента: Измерить механическую работу и мощность кота при подъеме по лестнице. Приборы и материалы: ластик, нить, секундомер, рулетка. Ход эксперимента. 1. Механическая работа  рассчитывается по формуле ­  A= mgh,  где h – высота подъема кота, g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кота.  Мощность можно вычислит по следующему закону N=A/t, где А – это работа, t­ время. 2. Значение  массы   кота   нам   известно   из   опыта   №2,   запишем   его   в таблицу. 3. Для определения высоты, на которую по лестнице  поднялся наш кот, опустим ластик, привязанный к нити в лестничный пролет. Завяжем на нити узелок, когда ластик коснется пола первого этажа. Измерим длину нити, это и будет высота подъема кота. Данные занесем в таблицу. 4. Определим по секундомеру время, затраченное Жориком на подъем по лестнице. Данные занесем в таблицу. 5. Вычислим механическую работу и мощность по формулам:  A= mgh= 3,53*10*1,6=56,48Дж N=A/t=56,48/5=11,2Вт. Данные занесем в таблицу.                                                  Масса кошки m, кг h, м t,с А, Дж N, Вт 3,53 Вывод   эксперимента.   Работа,   совершаемая   котом   при   подъеме   по 56,48 11,2 1,6 5 лестнице   равна   56,48   Дж,   мощность   при   этом   подъеме   11,2Вт.   Мощность человека   при   нормальных   условиях   работы   в   среднем   равна   70­80   Вт. 13 Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до   730   Вт.   Мощность   развиваемая   Жорика   составляет   1 5     мощности человека.  Мощность Моти при подъеме по лестнице, Вт; 19% мощности человекапри ходьбе, Вт; 81% Заключение 14 Кошка   доставляет   человеку   большое   эстетическое   удовольствие. Помимо   этого   ее   можно   рассматривать   как   интереснейший   объект физических исследований.  Моя   работа   имеет   практическую   направленность.   Измерения,   позволили   создать   паспорт   кота полученные   в   ходе   работы, Жорика(Приложение №1). В   ходе исследований мной создана инструкция по составлению   паспорта   домашнего   животного.  Ее    можно   использовать   для создания паспорта кошек, собак, хомяков, кроликов, домашних крыс и т.д..  Выбранная   мной   тема   оказалась   очень   увлекательной.   Хотелось   бы продолжить исследования возможностей кота. Особый интерес представляет способность   кошек   видеть   в   темноте,   слышать   звуковые   волны   в ультразвуковом   диапазоне,   электризация   кота,   оказывающая   лечебное   и успокаивающее действие, приземление кошек на четыре лапы при падении. В дальнейшем хотелось бы найти ответы на волнующие вопросы. Библиографический список 1. Яворский Б.М. Физика. Механика. М.:Дрофа, 2002, 320 с. 15 2. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. М.:Просвещение, 1998, 128 с. 3. Кабардин   О.Ф.,   Орлов   В.А.   Экспериментальные   задания   по   физике.   9­11 классы:   учебное   пособие   для   учащихся   образовательных   учреждений.   М.: Вербум – М, 2001, 208 с.  .  ru   /  utkin  1.   html.    .  html.      ://   russtil  1.   narod  .  narod    ://   i  ­  fact   4. http  5. http   .  ru   /  cats 6. http://q99.it/8AmgU0p.   16 Паспорт кота Жорика Приложение №1 Паспорт кота Жорика 17 Изготовила Татарникова Екатерина Средняя скорость кота  Максимальная скорость Масса кота Жорика Объем кота Жорика  составляет  Плотность Жорика равна  0,54км/ч  0,6 км/ч 3,53кг 0,002719 м3 845,7кг/м3 56,48 Дж Работа, совершаемая котом при подъеме по лестнице  высотой 3 м  11,2Вт Мощность, совершаемая  котом при подъеме по  лестнице высотой 3 м 18 Давление кота на опору в  положении стоя 851 Па Давление кота на опору в  положении лежа Давление кота на опору в  положении сидя 64,8Па 339,4Па 19