Исследовательская работа по физике на тему: "Физика в игрушках"

Муниципальное автономное образовательное учреждение

Городского округа Балашиха

«Средняя общеобразовательная школа № 31»

Межрегиональная конференция

исследовательских и проектных работ обучающихся

«Наука. Творчество. Развитие -2019»

Секция: Физика, астрономия и техническое творчество

Проектная работа

«Физика в игрушках»

  Автор работы:

Созонова Алина , 10 класс

 Научный руководитель:

Киреева Анастасия Викторовна, учитель физики

2019

 ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение.  ……………………………………………………………….3-4

2. Основная часть.

2.1. Деление игрушек по группам…………………………………………4-5

2.2 Примеры работы некоторых игрушек………………………….……5-10

2.3 Устройство и какой закон лежит в принципе действия современной игрушки спиннер…………………………………………………………10-13

2.4 Практическая часть…………………………………………………..14-15

 3.Заключение.………………………………………………………………15

 4. Использованные источники ………………………………………….16

 5.Приложения. …………………………………………………………17-19

1.Введение:

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.

         Актуальность этой темы в том, что детство было у каждого и интерес к строению поющей, либо просто движущейся игрушки не уменьшается с возрастом. Когда ты сам еще маленький, ты не задумываешься над тем, почему все это работает: почему машина едет, самолет летит, почему двигается робот… Мы не раз замечали, наблюдая за игрой младших братьев и сестер, как они пытаются разобрать игрушки, узнать, что в середине. Дети взрослеют, и меняются их взгляды на вещи. Их уже интересуют механизмы, находящиеся внутри.

Объект исследования:

         Игрушка — это первое, что берет в руки маленький человек, стремясь постичь окружающий его мир. Поэтому она должна быть увлекательной и несложной.

Разбираясь в принципах работы игрушек, можно лучше понять и одну из самых серьезных наук — физику, которая коренным образом изменила быт человека за последние несколько десятков лет. Любое движение любой игрушки можно объяснить с помощью физических и механических законов. Моя работа объединяет развлекательную тему – игрушки, и увлекательную – физика.

         Гипотеза: если игрушка интересна своей подвижностью, музыкальностью детям, то она интересна взрослым своей физической составляющей.

         Поэтому задачами нашей работы мы обозначили:

1.Показать игрушки не как забаву, а как физику.

2.Объяснить принцип действия игрушек на основе законов физики.

3.Исследовать, а знают ли ученики нашей школы (7-11 классы), какой физический принцип лежит в основе действия той или иной игрушки.

И поставили перед собой цель: найти ответы на выше поставленные вопросы и в домашних условиях смоделировать модель современной игрушки.

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

Методы исследования: наблюдение, эксперимент, сравнение, анализ.

         При выполнении этой исследовательской работы я использовала различную научную литературу, которая помогла более точно разобраться в сути поднимаемой мной в этой работе проблемы. Вот некоторые из книг, которые были изучены:  физика для школьников-научно-практический журнал,  Е. Н. Соколова «Юному физику» – движение по инерции, И. Я. Ланина «Внеклассная работа по физике» - деление игрушек по группам и т.д.

Данная тема привлекает многих в наше время, но не все проявляют интерес и пытаются разобраться в ней, тем не менее мы в нашем проекте попытаемся все же узнать как такая интересная и точная наука как физика, проявляется в обычном быту, а именно в детских игрушках.

2.Основная часть:

2.1 Деление игрушек по группам:

Почти все знакомые нам игрушки можно объединить в  определённые группы на основе принципа их работы.

Название группы	Виды игрушек
1.     Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы и атмосферного давления	Надувные “спасательные” круги, кораблики, лодочки, резиновые (полые) игрушки - уточки, лягушки и т.д., водяные пистолеты
2.     Заводные игрушки	Машины, зверюшки, железная дорога, заводная лодочка с гребцом
3.     Инерционные игрушки	Автомобили, самолеты
4.     Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести	Кукла-неваляшка, кукла, с закрывающимися глазами, клоун на проволоке
5.     Звуковые игрушки	Погремушки, свирель, пищащие игрушки, говорящие куклы
6.     Электрические и магнитные игрушки	Электрическая железная дорога, электрические автомобили, роботы, детский телефон, игра “Рыболов”, магнитные шашки и шахматы
7.     Игрушки, действие которых основано на законах оптики	Калейдоскоп, детские бинокли и подзорные трубы, детские фотоаппараты и камеры.

2.2 Примеры работы некоторых игрушек:

Инерция и игрушечный автомобиль

              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 (рис. 1), мотоциклов: на задней или передней оси, соединяющей колёса, находится ряд шестерёнок, которые в свою очередь соединяются с маховиком (рис. 2), 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

Пружины в игрушках

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.

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 [4].

Плавающие игрушки и архимедова сила

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).

Но если на любое тело, погруженное в жидкость, действует архимедова сила, почему же тогда тонет камень или гвоздь?

Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы: сила тяжести Fт, направленная вертикально вниз, и архимедова сила FА, направленная вертикально вверх. Если эти силы равны, то тело будет находиться в равновесии: Fт= FА. Это равенство выражает условие плавания тел: чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой силой.

Преобразуем равенство и запишем условие плавания тел в иной форме: ρV=ρж Vж. Из полученного соотношения можно сделать следующие выводы:

❖ чтобы тело плавало полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости;

❖ чтобы тело плавало частично выступая над водой, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости;

❖ при ρ>ρж плавание тела невозможно, так как в этом случае сила тяжести превышает архимедову силу, и тело тонет.

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 (рис. 5).

Итак, законы плавания тел всегда учитываются при изготовлении игрушек, поэтому они и сами плавают на воде, и нам помогают плавать [5].

Цетр 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 (рис. 6). 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.

"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)

Так, например, можно определить центр тяжести плоской фигуры:

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

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.

Если сделать в спичечной коробке двойное дно и спрятать туда маленький грузик (получим тело со смещенным центром тяжести), то можно с этим коробком показать фокус. Показать зрителям, что коробок “пуст”, и сдвинуть грузик к одному краю коробка. Установить коробок на край стола так, чтобы большая часть его свешивалась.

Почти весь коробок висит в воздухе, но не падает со стола! Если не знать о грузике, то кажется, что центр тяжести коробка уже не проецируется на площадь опоры, и коробок просто обязан по всем законам физики упасть. Однако, нет!

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.

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 [6].

2.3 Устройство и какой закон лежит в принципе действия современной игрушки спиннер:

          Это краткая сводная таблица , которая  показывает в каких игрушках, лежит тот или иной физический закон. Мы остановимся на таком, физическом явление как трение, именно благодаря ему работает и радует детей и взрослых, такая современная игрушка как спиннер.

           Спиннер! Кто изобрёл этот объект материальной культуры?

           Спиннер постепенно захватывает все новостные ленты всех стран своей популярность. Его покупают абсолютно все — дети от 4-5 лет и взрослые. Спиннер продается почти на каждом шагу: в магазинах, в интернете, ваши друзья пытаются вам его продать. Но мало кто задумывается о том, как работает спиннер.(рис.7)

          Для многих это просто игрушка с разными дизайнами, формами и цветами, а для кого-то это полноценный механизм. Многие обладатели спиннера задаются вопросом его ускорения и улучшения технических характеристик, не зная, как он работает. Мы вам расскажем!

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.

«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».

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.(рис.8)

          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. Почему?

— Там где-то трение.

         Сила трения — это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого .

Трение бывает разных видов:

Ø трение покоя возникает между двумя контактирующими телами и препятствует их движению друг относительно друга.

Ø трение скольжения, которое тоже возникает между соприкасающимися телами, но при их движении друг относительно друга. Её определяют: материалы трущихся поверхностей и сила давления тел друг на друга.

Ø трение качения: возникает, когда одно из тел перемещается вдоль другого, вращаясь вокруг своей оси.

Как работает подшипник спиннера

          Подшипник качения в спиннере работает благодаря трению качения, а сам подшипник состоит из сепаратора, внутреннего кольца, вала, наружного кольца и тел качения (шариков), а все это упаковано в корпус подшипника. Сепаратор — отделяет шарики друг от друга на равном расстоянии. Само движение шариков происходит по желобам, которые расположены на внешней стороне внутреннего кольца, иногда эти желоба называют дорожки качения. Механика подшипника качения состоит в том, что основным двигателем в подшипнике не являются сами шарики, а является сепаратор. Именно он подталкивает и указывает направление вращения всех тел качения. Сепаратор будет крутиться в ту сторону, в которую вращается внутреннее кольцо (которое мы с вами и задаем). Скорость вращения всего спиннера будет зависеть от диаметра шариков и диаметра всего подшипника — т.е. чем меньше шарики, тем быстрее скорость вращения сепаратора, тем быстрее крутится спиннер. Каждый шарик в подшипнике крутится в том же направлении что и подшипник. На него так же действует гироскопический момент, который будет «подкручивать» шарики в противоположную сторону вращения. От этого могут быть проблемы с изнашиванием внутренних желобов и сепаратора, которое приведет к расшатыванию вращения всего подшипника. Но такое вопросы возникают только на частых и максимальных скоростях.(рис.9)  А вот и  ответ на вопрос  «как работает спиннер«! За все отвечает центральный подшипник. Именно он заставляет вращаться ваш спиннер. Именно от подшипника зависит скорость, продолжительность и плавность вращения. Подшипники для спиннера делятся на 3 вида: керамический, стальной,  гибридный.Но смысл у них у всех одинаковый. Все подшипники в спиннере — это подшипники качения.

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.(рис.10).

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.

Теперь давайте представим совсем уж фантастический спиннер. Представили? Его подшипник сделан из суперметалла и находится в абсолютном вакууме. Никакого трения, никакого сопротивления. Вращение станет бесконечным? Нет! Потому что даже идеальный шарик будет касаться поверхности хотя бы одним атомом, а значит, вступит во взаимодействие с теми атомами, из которых эта поверхность состоит. Здесь речь уже напрямую идёт об электромагнитном взаимодействии, которое вместе с гравитацией лежит в основе всех тех сил, о которых мы говорили.

 

 

2.3 Практическая часть:

Изготовление спиннера

         Наиболее простая модель спиннера получится, если не использовать подшипник. Именно он составляет большую часть стоимости, так как заставляет игрушку двигаться. Но мы сделали и провели эксперименты с спиннером , который мы сделали при помощи подшипников.(рис.11)

Эксперименты

1.     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.

2.     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.

Также проведено анкетирование и видео опрос учащихся о том знают ли они какой из принципов лежит в той или иной детской игрушке.

3.   Заключение:

При выполнении этой исследовательской работы я узнала много нового, заинтересовалась изучением физики и лучше стала в ней разбираться. Эта работа доступна людям всех возрастов, ведь для объяснения работы многих детских игрушек достаточно знаний школьного курса физики. На этом я не собираюсь останавливаться и планирую продолжить свою работу, ведь впереди еще так много интересного.

          По-моему мнению, мне удалось найти ответы на поставленные задачи. Я смогла показать устройство самих игрушек, опираясь на знания такого предмета, как физики.

В ходе своей работы я узнала, что в основе устройства спиннера лежит гироскопический эффект.

В практической части своей работы мы исследовали, а знают ли ученики 7-11 классов МАОУ «Балашихинская средняя общеобразовательная школа №31» принципы работы той или иной игрушки. Результаты анкетирования и видео опроса нас порадовали. Большая часть опрошенных знают принципы работы детских игрушек. По результатам анкетирования и опроса оказалось, что большинство детей также интересовались устройством и принципами работы игрушек ещё в раннем детстве.

         На примере простых игрушек, которые есть в любом доме, где только живут дети, мы показали, что физика – это не только наука о природе, а ещё и то, что её законы лежат в основе всех действующих тел, придуманных человеком для того, чтобы его жизнь была более удобной и интересной.

4.   Список литературы:

1.     Кот Шрёдингера. Живой научно-популярный журнал Фестиваля

Науки. 2018г. 50 стр.  с.13-15

2.     Ланина И.Я. : Внеклассная работа по физике. Библиотека учителя физики, Изд-во: Москва "Просвещение", 1977г.  224стр.   с.9-13

3.     Соколова  Е. Н.  «Юному физику» – движение по инерции, Гос. учебно-педагогическое изд-во М-ва просвещения РСФСР, 1956, 254стр.   с.5-9

4.     Физика для школьников : научно-практический журнал / гл. ред. Е.Б. Петрова ; учред. Школьная Пресса - Москва : Школьная пресса, 2018. - № 4. - 50 стр. с.9-10

5.     https://kopilkaurokov.ru/fizika  http://class-fizika.narod.ru/van11.htm с 9-11

6.     http://class-fizika.narod.ru/van4.htm с.6

5.     Приложения:

            

Рисунок 1. Детские инерционные автомобили.

Рис. 2. Вид инерционного двигателя на основе маховик               Рисунок 3. Опыт со сжатой пружиной         Рисунок 4. Пружина внутри игрушки

 

Рисунок 5. Плавающие игрушки

В этой конструкции груз жестко закреплён на упругой оси. Ось при раскачивании прогибается под весом груза, и центр тяжести игрушки изменяется.

Здесь груз через рычаг шарнирно закреплен на неподвижной оси. Шарик перекатывается по основанию и заставляет "Ваньку" совершать интересные движения.

А у этой неваляшки груз-шарик совершенно свободен в своих передвижениях по основанию! Правда, его свобода ограничивается неподвижным грузом-перегородкой. Рисунок 6. Игрушки-неваляшки.