Исследовательская работа "Мои физические возможности"

Исследовательская  работа «Мои физические возможности»

ученика 10класса Шубина Артёма

 ГБОУ «Шимкинская ШИСОО» Тункинского района.

Руководитель: Бадеева Антонида Петровна

Оглавление

I.                   Введение

II.                Основное содержание:

2.1.          Скелет человека

2.2.    Эксперимент по определению средней мощности и

средней скорости движения       

III.             Заключение

IV.            Список литературы

I.                  Введение

 Успехи современной науки и техники свидетельствуют, что окружающий нас мир состоит не из отдельных, изолированных друг от друга предметов, явлений, процессов, представляет совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих объектов. Такой же сложной системой является и человек.

Человек — существо многогранное: человек покорил все высочайшие горные вершины мира, опустился в самые глубокие точки мирового океана, покорил небо, побывал на Луне, расщепил ядро. Но чаще всего мы не задумываемся, а что мы представляем из себя, что мы можем сделать и какими возможностями, ресурсами мы сами обладаем?

Физика - это наука, помогающая человеку познавать мир, и она способна помочь ему лучше узнать себя. Поэтому наша работа посвящена не машинам и механизмам, а человеку, на которого мы хотим посмотреть глазами физика.

Цель работы: изучение с помощью законов механики некоторых физических возможностей человека.

Объект  исследования - физические возможности человека.

Методы исследования: работа с источниками информации, эксперимент, измерения, сравнения, анализ.

 Гипотеза исследования: появление интереса в исследовании физических возможностей человека создает основу для поиска новых подходов в осознании физических знаний.

Знание теоретических основ физики могут помочь человеку познать и глубже изучить свои возможности. Таким образом, изучая физику, мы должны рассматривать человека как неотъемлемую часть окружающего мира, понять и объяснить,  которую призвана наука физика.

Изучив  раздел физики «Механика», я отобрал те характеристики возможностей человека, которые можно измерить при помощи простейших измерительных приборов;

II. Основное содержание:

2.1.  Скелет человека.

Пятая часть массы тела взрослого человека приходится на скелет. В скелете взрослого человека насчитывается более двухсот костей. В большинстве своем кости являются рычагами, с помощью которых совершаются разнообразные движения тела и его частей в пространстве.

Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп ( точка опоры – первый позвонок), фаланги пальцев. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Рычаги позволяют уменьшить нагрузку на скелет.

Например, на локтевую кость действует некоторая сила, то напряжение, возникающее в ней, может быть уменьшено за счет увеличения плеча силы. По этой же причине после прыжка следует приземляться на согнутые ноги, на прямые ноги приземляться нельзя: сгибание ног позволяет уменьшить силу, действующую на кости ног. Область контактов костей – суставы – обеспечивают подвижность костей и являются одним из основных элементов опорно-двигательной системы. При работе рук, ног и других костей скелета кости трутся друг о друга и могут разрушаться. Чтобы этого не произошло, в суставе (в так называемой суставной сумке) имеется жидкость, играющая роль смазки и уменьшающая трение. Многие заболевания суставов связаны с уменьшением или отсутствием такой смазки.

        Кость - композиционный материал и состоит из двух совершенно различных компонентов - коллагена и минерального вещества. Известным примером композиционного материала служит стеклопластик, представляющий собой смесь сте­клянных волокон и смолы. Коллаген, входящий в состав кости, - это один из главных компонентов соединительной ткани (из него в основном состоят все наши сухожилия).

Большая часть второго, минерального компонента кости - соли кальция. Атомы кальция составляют 22% общего количества ато­мов в кости. Следует отметить, что в остальных тканях тела (мышцах, мозге, крови и т. д.) количество атомов кальция близ­ко к 2-3%.

Так как кальций - самый тяжелый из химических элементов, содержащихся в нашем организме в больших коли­чествах, то преимущественная локализация его в костях делает их ясно видимыми при исследовании с помощью рентгенов­ских лучей. Это явление активно используется в медицине для получения рентгеновских снимков костей. Наблюдения показали, что пациенты, находящиеся все время в постели без движения, теряют около 0,5 г кальция в день, что говорит об уменьшении массы их костей. В первых космических полетах в условиях не­весомости космонавты теряли до 3 г кальция в день, и поэтому многие специалисты сомневались в возможности длительных космических полетов. Однако в дальнейшем были разработаны специальные программы физических тренировок, создающие необходимую нагрузку на костную ткань, которые привели к значительному уменьшению потерь кальция в условиях невесомости. Условия жизни человека в состоянии невесомости резко отличаются от земных. Каждый шаг человека на Земле заставляет сокращаться мышцы, а при состоянии невесомости они не работают, это вызывает изменение ряда жизненных функций его организма.

Неблагоприятное влияние невесомости на организм человека можно ограничить с помощью физических тренировок. Занятия на велотренажере продолжительностью  1 часа в сутки помогают восстановить функции кровообращения и дыхания в течение 5 суток после приземления.

Условия жизни человека в состоянии невесомости резко отличаются от земных. Каждый шаг человека на Земле заставляет сокращаться мышцы, а при состоянии невесомости они не работают, это вызывает изменение ряда жизненных функций его организма.

     Прекрасной иллюстрацией прочности костей че­ловека может служить популярный сейчас вид спортивных упражнений - карате. Изображение каратеиста, разбивающего крепкие бруски дерева или бетона, обошло страницы многих журналов. Однако даже новичок в карате после недолгой тренировки сможет легко разбить голой рукой сначала один брусок дерева, а потом и целую их стопку.

   Приемы японского стиля карате, который сейчас практи­куется, были разработаны на острове Окинава. Завоевав остров и XVII веке, японцы отобрали у местных жителей все виды оружия, запретили его производство и импорт. Чтобы защи­тить себя, окинавцы разработали систему приемов борьбы с помощью пустой (кара) руки (те). Методы карате значительно отличаются от приемов западных видов самообороны без ору­жия. Западный боксер передает большой импульс всей массе своего противника, сбивая его с ног, тогда как каратеист кон­центрирует свой удар на очень малом участке тела и старается завершить его на глубине не более 1 см, не делая при этом длинных махов руками. Поэтому удар каратеиста легко может разрушать ткани и кости противника, на которые он напра­влен. Хорошо натренированный каратеист может в течение не­скольких миллисекунд передавать в ударе мощность в несколь­ко киловатт.                               

Возникает вопрос, как может голая рука разбивать такие прочные предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ло­маясь сама? Чем больше брусок, тем труднее его разорвать. Чем эластичнее материал бруска, тем труднее его разорвать, так как большая энергия тратится на его растяжение. Как правило, в своих показательных выступлениях каратеисты используют бетонные кирпичи размером 0,4х0,2х0,05 м. Для таких брусков энергия, необходимая для разрыва бруска»0,55 Дж. Скорость движущейся руки каратеиста составляет приблизительно 12м/с, а ее масса-0,7 кг.

Решим простую задачу. Энергия, переданная рукой каратиста, равна кинетической энергии руки.      W=m*v²/2=0,7*12²/2=50,4Дж.

Эта энергия много больше той, которая необходима для разрыва бруска. Таким образом, рука ка­ратеиста обладает достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.

  То, что рука каратеиста не ломается при ударе о бетонный брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью ко­сти по сравнению с бетоном. Высокоскоростная киносъемка ку­лака каратеиста в момент удара показала, что его замедле­ние при соприкосновении с бруском составляет примерно-4000 м/с²  за 0,5 с. Рассчитаем силу, действующую на кулак, во время этого замедления. Силу можно определить по второму закону Ньютона: F=ma.  Ускорение найдем по формуле: a=(v-v₀)  / t

Получаем: а= (0-4000 м/с) 0,5 с=8000 м/с²    F=0,7кг*8000 м/с²=5600Н

Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар.

2.2. Эксперимент по определению средней мощности и

средней скорости движения

2.2.1. Определение средней мощности, развиваемой при беге на дистанцию 100 м

Необходимое оборудование: рулетка, весы медицинские, секундомер.

  Измерили   время  t (с),  за   которое  человек    преодолевает дистанцию S = 100 м.   Считая движение равноускоренным, вычислили среднюю мощность Nср, развиваемую человеком при беге:   Nср =      w =         S = v_ср t =   t             v =                w =       Nср =

Результаты эксперимента:

Класс	ФИ	m, кг	t, с	N, Вт	N, л.с.
Юноши
11	Амгалан Бадеев	49	14,12	348,11	0,42
5	Тимур Мункуев	25	18,25	82,26	0,11
8	Тимур Боблоев	46	15,34	254,87	0,35
9	Жамсо Убушеев
9	Артем Шубин

1 л.с. = 0, 735 кВт. Из таблицы  видно, что с возрастом, если человек занимается физической культурой, его мощность растет. Так же мы заметили, что у ребят, серьезно занимающихся спортом мощность наибольшая.

2.2.2. Определение средней скорости движения, при ходьбе.

Необходимое оборудование: рулетка, секундомер.

Каждый участник эксперимента подсчитал количество шагов, на определенном расстоянии во время ходьбы. Одновременно по часам мы измерили промежуток времени t (с) его движения. Измерив среднюю длину шага участника эксперимента l_ср, нашли расстояние S в (м), пройденное им. Вычислили среднюю скорость движения v_ср (м/с).

Результаты эксперимента

Класс	ФИ	К-во шагов	t, с	lср, м	S, м	vср , м/с	vшах , м/с
Юноши
5	Мункуев Т	67	36,04	0,71	47,57	1,32	6,97
8	Боблоев Т	60	30,37	0,83	49,80	1,64	6,39
9	Убушеев М	61	29,61	0,80	48,80	1,65	7,95
9	Шубин А.	74	39,91	0,76	56,24	1,41	7,00
11	Бадеев А.	61	29,61	0,80	48,80	1,65	7,95

Выводы: максимальная скорость движения в 3-5 раза больше скорости при ходьбе. Скорость человека при беге можно сравнить со скоростью полета майского жука – 3,6 м/с, мухи – 5,4 м/с, шмеля – 7,1 м/с.

2.2.3.Задача: Какая безопасная высота падения для человека?

Ещё К.Э.Циолковский предположил, что безопасная высота (после падения с которой человек останется невредим) примерно равна удвоенному росту человека. Посмотрим, правильны были его суждения…

Научно определено, что сила, которую могут выдержать кости ног без перелома, равна 10⁵ Н. Если выразить эту силу через массу человека и его скорость в момент приземления, получим:

Здесь H – безопасная высота падения, h – расстояние, на котором происходит торможение тела человека до полной остановки. Сравнив

выражения, получаем:

Если человек приземляется на обе ноги жёстко, не сгибая колени, то расстояние h не превышает 1 см. Поскольку сила предельной нагрузки на кости 10⁵ Н, то для человека массой 75 кг безопасная высота будет равна:

Но расстояние, на котором происходит торможение, можно увеличить, согнув колени при приземлении.

Тогда расстояние h станет равно около 50 см (вместо 1 см) и безопасная высота увеличится соответственно в 50 раз:

Но ведь мы не прыгаем с небоскрёбов! Почему? Мы помним, что в таких случаях результат нужно делить на 20 (во столько раз кости прочнее сухожилий и связок):

Полученный результат реален, он равен приблизительно удвоенному росту человека. Если у меня рост 1м 65 см, то для меня безопасная высота падения равна 3,3 м.

Будет уместно добавить, что при приземлении в воду, в сено или снег, на деревья человек может выдержать значительно большие силы столкновения, так как при этом увеличивается расстояние торможения h, вследствие чего увеличивается и высота H. Имеются документальные свидетельства о военнослужащих, упавших из самолёта, летящего на огромной высоте, без парашюта, и оставшихся в живых, потому что приземлились в рыхлый снег или болото.

Много  удивительных фактов о физических возможностях человека. Приведем некоторые примеры. В длину с места человек может прыгнуть на расстояние 1,8 метра, а с разбега на 11,7 метра. Безопасная высота падения человека составляет величину порядка его удвоенного роста. Сила мышц ног, с которой отталкивается от Земли спортсмен в момент прыжка в высоту, составляет три веса человека. Прыгун в высоту преобразует в энергию прыжка половину энергии  разбега. Чтобы переместить свое тело на определенное расстояние, человек развивает кинетическую энергию, совершает работу по вертикальному перемещению своего центра масс, совершает работу по подъему ноги, совершает работу против силы сопротивления движению. Человек при этом может развивать мощность до 1000 Вт. Если человек при подъеме тяжестей затрачивает такое же количество энергии, что и при скоростном беге, то при массе 80 кг он сможет поднять груз массой 207 кг.

III. Заключение:

С древних времён человек значительно улучшил свои природные физические данные, приспособился к изменяющимся условиям среды обитания. Но лишь в двадцатом веке физикой были теоретически обоснованы предельные возможности человека, которые воистину впечатляют. Тот факт, что современные спортивные достижения приближаются к этим пределам, показывает, что каждому из нас надо стремиться доказывать, в первую очередь самому себе, что Человек – одно из самых совершенных творений природы.

В ходе исследования мы доказали верность нашей гипотезы: скорость и мощность каждого человека можно рассчитать, используя при этом простейшие измерительные приборы и законы  физики. Также подтвердилось то, что у ребят, регулярно занимающихся физической культурой,  с возрастом рассчитанные показатели увеличиваются.

Приложение

Измерение пульса

Индекс Руфье

IV. Использованная литература:

1.     Зверев И.Д. Книга для чтения по анатомии, физиологии и гигиене человека. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1978. - 239с.

2.     Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1988, - 159с.

3.     Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988. – 351с.

4.     Хрипкова А.Г., Колесов Д.В. Физиология человека. - М.: Просвещение, 1982. – 160с.