Исследовательская работа "От чего зависит продолжительность вращения волчка"

Комитет образования и науки

администрации города Новокузнецка

II муниципальная научно-практическая конференция

учащихся 1-11 классов общеобразовательных учреждений

 «Первые опыты и эксперименты»

Секция физики

От чего зависит продолжительность вращения волчка.

Выполнил:

Хусаинов Тимофей Тимурович,

МБНОУ  «Гимназия №59»,

1 класс

Научный руководитель:                                                             Кашникова Наталья Владимировна,                                                        учитель начальных классов

МБНОУ  «Гимназия №59»

Новокузнецкий городской округ, 2017

Оглавление

1.     Введение …………………………………………………………………… 3               

2.     Основная часть работы …………………………………………………….4

2.1.          Литературный обзор по теоретическим вопросам темы исследования……………………………………………………....... 4

2.2.          Устройство и принцип работы волчка……………….............……. 5

2.3.          Содержание работы по организации и проведению экспериментального исследования………..…................................. 6

3.     Заключение и выводы…………………………………………………....... 9                

Список использованной литературы и интернет- источники…….…….….11

Приложение…………………………………………………………………... 12                                                                       

1.    Введение

   Однажды с дедушкой в гараже мы нашли старый будильник (приложение рисунок №1), который хотели выбросить. Когда разобрали будильник, я увидел много интересных колесиков (приложение рисунок №2). Дедушка взял одно из них и раскрутил на столе. Меня это удивило! Как может такое маленькое колесико так долго крутиться?  Простая игрушка увлекла меня, и мне захотелось узнать больше о ней.  Это был волчок. Волчок – твердое тело, которое вращается с любой скоростью около точки опоры, расположенной ниже центра тяжести.  

   В настоящее время в жизни детей и подростков стало максимально много присутствовать телевидения и цифровой техники. Дети много времени уделяют компьютерным играм, виртуальным общениям и перепискам. Поэтому их необходимо привлечь к проведению опытов различного характера, научить исследовать и практиковать свои наблюдения на собственном опыте. Я считаю, что выбранная мной тема актуальна, так как чем сильнее ребёнок заинтересован научными исследованиями и опытами, тем легче и понятней ему будет даваться обучение науке – физика. Также актуальность выбранной темы заключается в том, что, вращающиеся тела встречаются повсеместно, и в их понимании может помочь изучение основных физических процессов и явлений. Волчок – это простейший пример гироскопа, использующегося в навигационных приборах, в авиа- и кораблестроении, ракетостроении. Волчки важны для изучения оптических явлений, в конце концов, для развития мелкой моторики у малышей.         

      Цель: изучение основных физических процессов и явлений вращающегося тела.

      Задачи:

·        сделать литературный обзор по теоретическим вопросам темы исследования;

·        провести опыты с волчками;

·        проанализировать полученные результаты и сделать выводы;

     Методы исследования: подбор информации в литературе и на сайтах сети Интернет, наблюдение, проведение опытов, анализ и синтез полученных результатов.

    Объект исследования: волчки

    Предмет исследования: продолжительность вращения волчка

    Гипотеза: предположим, чем массивнее волчок и чем быстрее его первоначальная скорость вращения, тем дольше он будет находиться в устойчивом положении.

    Практическая значимость: заинтересовать своих сверстников в изучении данной темы и донести детям, что существует такая наука, как физика, которая объясняет все природные явления научным путём.

2.    Основная часть

2.1 . Литературный обзор по теоретическим вопросам темы исследования.

Область применения волчка.

   Для того чтобы более подробно изучить и дать объяснения своим наблюдениям, пришлось прибегнуть к помощи некоторых книг: Черненко Г. «Где вертятся волчки?», Перельман Я.И. «Физическая смекалка. Занимательные задачи и опыты по физике для детей» и «Занимательная физика».

  Я узнал, что волчки можно встретить повсюду, буквально на каждом шагу. Едут по улицам автомобили. Их колеса-волчки. Мчатся по рельсам поезда. Колеса их - тоже волчки. Я даже не подозревал, что мой велосипед катится на двух волчках, но это именно так! Примеров привести можно не мало. Очень интересный пример-это пуля. Летит она с огромной скоростью вперед и при этом стремительно вращается, делая в одну секунду около 5 тысяч оборотов. Пуля - один из самых быстроходных волчков. Да это еще что! Вращаются и Солнце, и Луна, и планеты, в том числе наша Земля. Все они – волчки гигантских размеров. Значит – мы даже живем на волчке.[1]

    День изобретения волчка канул в лету. Но волчок сразу же стал одним из любимейших занятий человека. О его популярности говорит тот факт, что археологи находят волчки на всех континентах, кроме Антарктиды и датируют его совершенно разными эпохами, начиная с 3000 лет до нашей эры. То есть в волчок играют и дети, и взрослые вот уже пять тысяч лет. В зависимости от того, как они приводятся в движение, различают вертящиеся, трущиеся, управляемые нитью и бросаемые волчки. 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.     Волчки были привезены в Японию из Китая и Кореи около 1200 лет назад. Некоторые сделаны очень искусно: они спускаются с горы, танцуют на канате, разлетаются в куски, которые продолжают вертеться. В настоящее время в Японии насчитывается около тысячи разных видов волчков, формы которых могут быть самыми различными - от обыкновенных вертящихся волчков до изделий сложной, причудливой формы. Их размеры колеблются от 0,5 мм до 90 см.[4]

   Зимняя народная игра в волчок в России. Чтобы привести волчок в движение, его ставили на ладонь левой руки, указательным пальцем правой руки быстро раскручивали вправо и во вращающемся положении бросали на лёд. Затем его гоняли небольшим кнутом.  

   В 1905 году в Германии был построен пассажирский пароход «Сильвиана». На волнах он сильно раскачивался. Пассажиры стали избегать его, покупали билеты на другие пароходы. Владельцы не на шутку встревожились. И тогда перед ними появился инженер Отто Шлик. Он предлагал установить внутри парохода огромный, тяжелый волчок. Если его всё время каким-нибудь двигателем крутить, он будет стремиться сохранить своё положение. А вместе с ним станет держаться прямо и пароход (приложение рисунок №3).

    Когда в «Сильвиане» укрепили волчок Шлика, пароход словно переродился. Даже при сильном волнении на море он шел спокойно, лишь слегка покачиваясь с борта на борт. Желающих прокатиться на таком устойчивом судне отбоя не было. Вот что значит волчок! [1]

   Начиная с XVIII столетия, юлы становятся излюбленной игрушкой детей многих стран Европы. Немецкий мастер Лоренцо Больца придумал вставить механизм с гайкой, который позволял крутиться юле без раскручивания, ведь маленькие детки не могли еще выполнять этих действий. Пройдя сквозь годы и десятилетия, юла внешне практически не изменилась.

   Заложил основы теории волчка Леонард Эйлер (Россия), решив задачу для волчка с центром тяжести в точке опоры. Развил теорию Жозеф Луи Лагранж (Франция), решив задачу с волчком, у которого центр тяжести находится на оси вращения, но не в точке опоры. Наиболее далеко в решении вопроса о теории волчка продвинулась Софья Васильевна Ковалевская (Россия), которая решила задачу для волчка с центром тяжести, не лежащем на оси вращения.

      Пришло и такое время – волчок полетел на самолете. Первым, кто доказал, что волчок можно применить для управления крылатой машиной, был знаменитый русский ученый Константин Эдуардович Циолковский. Сегодня ни один полёт по дальнему маршруту не совершается без автопилота - надёжного помощника лётчиков.

   Управляют самолётом три волчка. Каждый может свободно на ладошке поместиться. Один из них следит за отклонением носа самолёта вверх и вниз. Нос начнёт, к примеру, подниматься. Повернётся вверх и весь самолёт. Волчок же останется в прежнем положении. Он включит электромотор, который двигает рулём высоты. Руль отклонится и выровняет самолёт.

   Точно так же действуют и другие волчки: тот, который следит за креном, и тот, который не позволяет самолёту сбиваться с курса. Узнав все это, мне захотелось понаблюдать, от чего зависит вращение волчков.

2.2 .  Устройство и принцип работы волчка.

От чего волчок крутится?

   Крутанул волчок, и он самостоятельно стоит на своей оси и некоторое время крутится. А почему это происходит? Потому что все предметы обладают общим свойством - инертностью. Что же это за свойство и в чем оно проявляется?

   Если какой-нибудь предмет движется, то его не сразу удается остановить. К примеру - автомобиль. Даже если со всей силы нажать на тормоза, машина всё равно по инерции проедет немного вперёд. А замечали ли вы, как при резком торможении автобуса пассажиры наклоняются вперёд, а то и упасть могут?

   Это всё действие сил инерции. У вращающегося волчка они проявляются и тогда, когда его пытаются наклонить, свалить. Именно они, силы инерции, придают ему такую необыкновенную устойчивость - свойство чрезвычайно ценное. Благодаря нему, волчок начал широко применяться в технике.  

    Давайте понаблюдаем за волчком.

Неподвижный - он сразу сваливается набок. А теперь закрутим. Видите, совсем другое дело. Даже если толкнуть его, он по-прежнему держится прямо, устойчиво. Понаблюдайте за волчком. Ось его колеблется, описывает конус (приложение рисунок №4). Это движение ученые называют процессией. Происходит оно вот от чего. Сделать волчок абсолютно точно не возможно. Какая-то сторона все равно получается чуть тяжелее. При запуске поставить волчок совершенно ровно, прямо также не удаётся. Вот сила тяжести и вызывает колебания волчка.

   Процессия была открыта более двух тысяч лет назад древнегреческим астрономом Гиппархом. Он изучал расположения звезд на небе и неожиданно обнаружил, что земной шар тоже колеблется вроде волчка. Объяснить причину этого Гиппарх не мог. И только много времени спустя английский ученый Исаак Ньютон понял, в чем тут дело. Земной шар чуть сплюснут. А поскольку Земля - гигантский волчок, вот ось его и ходит по конусу.

2.3 . Содержание работы по организации и проведению экспериментального исследования.

План

·        найти способы изготовления волчка в домашних условиях;

·        изготовить несколько волчков с различными параметрами;

·        понаблюдать за вращением металлического и пластмассового волчков и сравнить их время вращения с самодельными;

·        исследовать вращение волчка со смещённым центром тяжести;

  Для того, чтобы провести наше исследование – «От чего зависит продолжительность вращения волчка», необходимо изготовить несколько волчков с разными параметрами. Нам понадобится кусочек картона, циркуль, ножницы, да зубочистка. Рисуем циркулем круг на картоне. Аккуратно вырезаем кружок ножницами. В отверстие от циркуля вставляем зубочистку. С обеих сторон картонный кружок фиксируем клеем к зубочистке. Оставляем его на некоторое время, чтобы он высох.

   Вот и готов наш волчок. Можно его запускать. (приложение рисунок №5) В этом эксперименте я хочу выяснить, как повлияет радиус и вес волчка на время его вращения. Для этого я изготовил 3 волчка с радиусом картонного кружка 2, 4 и 6 сантиметров. А для того, чтоб изменить вес волчка, я склеивал картонные листы вместе. Затем изготовил 3 волчка с разными радиусами из картона двухслойного и 3 волчка из картона трёхслойного. Таким образом, мы изготовили 9 волчков с различными радиусами диска и разные по весу (приложение рисунок №6).

  Запускаем каждый волчок по очереди и засекаем время, которое каждый из волчков будет вращаться. Полученные результаты запишем в таблицу.

Радиус Толщина	R1, 2 см	R2, 4 см	R3, 6 см
1 слой	3 сек	3,5 сек	3,5 сек
2 слоя	6,5 сек	9 сек	9,5 сек
3 слоя	10,5 сек	16 сек	15 сек

Таблица №1 Время вращения каждого волчка

  Из таблицы видно, что при увеличении радиуса и веса волчка время вращения увеличивается. Причём вес волчка значительней влияет на продолжительность вращения, это видно, сравнив время в одном из столбцов таблицы. Но почему же самый большой и тяжёлый волчок крутился меньше чем его предыдущий? На этот вопрос опять нам может ответить наука – физика. Ведь на время вращения волчка влияет не только его вес и размер, а также первоначальная скорость, с которой закрутили волчок, поверхность на которой он крутится, как ровно был запущен волчок и многие другие факторы, но наиболее важным является центр тяжести волчка. Если он не будет совпадать с центром вращения волчка, то такой волчок не будет долго крутиться, а станет переваливаться со стороны в сторону и быстро остановится. Изготавливая волчки самостоятельно, мы не можем идеально ровно вырезать картонный кружок и перпендикулярно приклеить ось к волчку, поэтому я предлагаю рассмотреть волчки, изготовленные точней.

   Вместо металлического волчка возьмём ранее представленную вам шестерёнку из старого будильника. Обратите внимание, что она намного меньше размером, чем самодельные волчки. А теперь закрутим эту шестерёнку и понаблюдаем, как она будет вращаться. Посмотрите, как долго и ровно она вращается. А на это повлиял идеальный центр тяжести этой шестерёнки. Время вращения этого волчка составил 32 секунды, а это в два раза больше чем у самодельного волчка №8, который показал лучшее время. Поэтому вес и размер не единственные факторы, которые влияют на вращение волчка.

   Пришло время волчка из пластмассы. Возьмем детскую игрушку под названием «юла». Этот волчок самый большой по размеру и самый тяжёлый. Но у него есть и ещё одно отличие. Он имеет специальный механизм для запуска, который помогает запустить волчок намного ровней и с большей первоначальной скоростью. Понаблюдаем за ним.

  Раскручиваем волчок, опустив его витой шток с максимальной резкостью 3 раза. Смотрите, какая большая скорость вращения и как ровно он стоит к поверхности, на которой вращается. Сразу видно, что он будет чемпионом!!! И так время его вращения составило – 40 секунд.

   А теперь я предлагаю вам наглядно убедиться, что центр тяжести волчка значительно повлияет на его вращение. Возьмём небольшой кусок пластилина и наклеим его на корпус юлы. Обратите внимание, что юла в не раскрученном состоянии стремится перекатиться на ту сторону, где приклеен пластилин (приложение рисунок №7). А значит, она стремится к положению, чтобы центр тяжести находился в самой нижней точке. Именно это будет мешать нашей юле также ровно и быстро крутиться. Давайте запустим юлу со смещённым центром тяжести и понаблюдаем. Это даже сделать не просто! Сразу видно, как её ось дергается со стороны в сторону, и юла стремится завалиться набок, ну а время вращения составило всего 7 секунд. 

  Для наглядности построим диаграмму времени вращения волчков разных видов:

Рисунок №1 Диаграмма времени вращения различных волчков

  Диаграмма показала, что дольше всего крутился волчок – «юла», т.к. он больше всего подходит для этого. Юла изготовлена, как игрушка для детей, которая должна как можно дольше совершать круговые движения. Для этого у неё сделан специальный механизм для раскручивания и запуска, она имеет идеальную форму для вращения и точно расположенный центр тяжести к оси вращения. А вот волчок со смещённым центром тяжести совсем не хочет крутиться.

   Все знают, например, 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 велосипеде, наверняка заметил, что на большой скорости велосипед очень устойчив и, упасть не может, даже если этого захотеть. На ходу велосипед в значительной степени устойчив сам, и задача седока в том, чтобы машине не мешать проявлять эту устойчивость. Можно сказать, обучение езде на велосипеде в том и состоит, чтобы привить обучающемуся доверие к устойчивости машины и научить поддерживать ее своевременными легкими поворотами руля. Если разогнать велосипед без седока, то он продержится на колесах секунд двадцать, пройдя немалый путь, прежде чем упадет. Неподвижный же велосипед рухнет сразу - стоять он не может.

3.     Заключение и выводы

   Гипотеза, чем массивнее волчок и чем быстрее его первоначальная скорость вращения, тем дольше он будет находиться в устойчивом положении, подтвердилась. Но выяснились и другие свойства вращающегося тела.

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. Чем массивнее волчок, чем ближе он расположен к точке опоры, и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию. На волчок действует ряд сил, стремящихся его повалить - трение о поверхность, сопротивление воздуха, собственный вес, а противостоят им силы инерции. После проведённых опытов и экспериментов нам стало понятно, что чем массивнее волчок и чем быстрее его первоначальная скорость вращения, тем дольше он будет находиться в устойчивом положении. Теория волчка непроста, и углубиться в нее в дальнейшем нам поможет изучение науки физика.       

   В данной работе я провел различные опыты с волчками, стараясь доступно разобрать основные физические процессы и явления, объясняющие некоторые свойства и эффекты вращающихся тел. Проведенные опыты объясняют ряд явлений, к которым мы привыкли и, сталкиваясь с ними в жизни, не задумываемся об их причине.

   Работа над данным проектом показала, что знание законов физики – это объективная необходимость. И я думаю, что всех моих слушателей заинтересовали мои исследования и опыты. Каждый понял для себя, что умение исследовать, наблюдать и делать выводы на основании проделанной работы в дальнейшем поможет в тех или иных жизненных ситуациях. Изучая науку физика у вас полностью изменится представление и понимание о происходящем вокруг. Физику нужно изучать для того, чтобы понимать, как устроен окружающий мир. Понимать хотя бы в общих чертах. И тогда человек не будет делать многих глупостей в жизни. Да и вообще знать, как устроена Природа, это же очень интересно!

Список использованной литературы и интернет-источники

1.     Черненко Г.Т. Где вертятся волчки? – М.: Малыш, 1991  

2.     Перельман Я.И. Физическая смекалка. Занимательные задачи и опыты по физике для детей. – М.: Омега, 1994

3.     Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: Наука, 1994

4.     http://Wikipedia.org

5.     http://school.xvatit.com/index.php

6.     http://elementy.ru/

Приложение

Рисунок №1 Старый будильник.

Рисунок №2 Шестерёнки из будильника.

 

Рисунок №3 Пароход «Сильвиана».

Рисунок №4 Конус, который описывает ось волчка.

Рисунок №5 Самодельный волчок.

Рисунок №6 Волчки с разными параметрами изготовленные самостоятельно.

Рисунок №8 Юла со смещённым центром тяжести.