Исследовательская работа по теме: "Физические параметры домашней кошки".

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа № 5» г. Новый Уренгой

Направление: физика

Исследование физических параметров домашней кошки

Вид работы: реферативно-экспериментальная

Выполнена ученицей 7 класса

муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения

«Средняя школа № 5» г. Новый Уренгой

Немцану Милены Григорьевны

Научный руководитель – учитель физики муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Средняя школа № 5» г. Новый Уренгой

Кандакова Алёна Федоровна

г. Новый Уренгой

2016

Содержание

Глава 1. Биомеханика_ 5

1.1. Развитие биомеханики как науки_ 5

1.2. Биомеханика движения на суше_ 6

Глава 2. Механические характеристики домашней кошки_ 8

2.1. Алгоритм проведения экспериментов_ 8

2.2.      Измерение средней и максимальной скорости кошки_ 8

2.3. Измерение массы кота_ 9

2.4. Измерение объема кошки_ 10

2.5.      Измерение плотности кошки_ 11

2.6.  Измерение давления Муси на опору (пол). 11

2.7. Измерение механической работы и мощности кошки при подъеме по лестнице_ 12

2.8.      Измерение силы тяги кошки_ 13

2.9. Задачи о Мусе_ 13

Заключение_ 14

Библиографический список_ 15

Введение

Многие знания человек получает из своих наблюдений. Издавна человек наблюдал за животными, за движением, полетом. 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. И сейчас 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. Поэтому мы сформулировали гипотезу исследования: физика как наука применима для изучения домашних животных.

Цель исследования: Исследовать физические параметры и характеристики механического движения кошки; на основе экспериментальных данных составить 2 задачи по физике.

Задачи:

1.                  Изучить литературные источники по проблеме исследования.

2.                  Подобрать или сконструировать средства измерения.

3.                  Исследовать характеристики кошки (масса, объем, плотность).

4.                  Исследовать характеристики механического движения и взаимодействия (скорость, механическая работа, мощность, давление кошки на опору).

5.                  Сделать выводы, составить 2 задачи о механическом движении Муси.

Актуальность исследования: Физика – это экспериментальная наука. Но проведения лабораторных работ на уроках физики недостаточно, нужно и интересно научиться применять полученные знания в своей жизни. Поэтому, зная способы проведения наблюдений и измерений, можно проверить выполнение законов физики. А для того, чтобы наши исследования пригодились в дальнейшем, мы решили составить несколько задач о кошке Мусе.

Новизна  исследования:

Описаны способы применения знаний при изучении механических характеристик домашней кошки. Полученные экспериментальные данные можно использовать на уроках биологии, при составлении и решении задач по физике. Были составлены задачи для учащихся 7 класса.

Проблема исследования: не существует однозначных способов определения механических характеристик домашних кошек; важно научиться не только решать физические задачи, но и научиться узнавать, видеть физические явления в нашей жизни, в частности при наблюдении за кошкой. Мы предлагаем способы изучения домашнего животного.

Объект исследования: домашняя кошка Муся.

Предмет исследования: физические параметры кошки и физические характеристики ее механического движения и взаимодействия.

Методы исследования:

- теоретические: изучение источников информации по теме исследования (печатная литература, интернет);

- практические: подбор (конструирование) оборудования, проведение измерений, обработка полученных данных, составление 2 задач.

Новизна и значимость исследования:

Полученные экспериментальные данные можно использовать на уроках биологии, при составлении и решении задач по физике.

Основные этапы исследования:

№	Название этапа работы	Содержание этапа
1	Информационный	Подбор литературы по теме «биомеханика животных»
2	Теоретический	Изучить литературу по теме «механические явления», разработать план и структуру исследования механических характеристик кошки
3	Экспериментальный	Подбор/изготовление необходимого оборудования; Исследовать некоторые механические характеристики кошки – проведение экспериментов
4	Практический	Используя результаты экспериментов, оформить в соответствии с установленной  структурой  исследования, составить таблицы и построить диаграммы Составить задачи по физике с использованием экспериментальных данных
5	Обобщающий	Обобщить результаты исследования

Практическая ценность работы:

- сформулированы способы определения механических характеристик кошки;

- получены конкретные экспериментальные данные;

- составлены задачи по физике о домашней кошке.

Работа состоит из введения, теоретической части – учение о физике животных, практической части – механические характеристики кошки, задачи о Мусе и заключения.

Глава 1. Биомеханика

В главе рассказывается о том, что такое биомеханика и какова биомеханика у животных, которые обитают на суше.

1.1. 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».

Рене 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 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.

Таким образом, можно сделать вывод, что биомеханика – это современное направление науки, необходимое для развития практически необходимых вещей в жизни человека.

1.2. Биомеханика движения на суше

На суше работа скелетных мышц животных, имеющих конечности, расходуется на преодоление силы гравитации и на поддержание равновесия.

Для быстро бегающих животных (псовые, лошади, лани, газели) характерно строение тела, позволяющее животному при движении испытывать наименьшее сопротивление воздуха. Голова, шея, туловище не имеют выступающих частей и симметричны в поперечном сечении. У быстро бегающих животных хорошо развиты мышцы шеи: это важно для обеспечения широкого размаха движений и удержания головы как балансира. Собственно кинематику движения обеспечивают задние конечности с хорошо развитой мускулатурой. Сухие передние конечности служат для поддержания тела. Мышцы сконцентрированы на проксимальных частях костей, к дистальным отделам подходят сухожилия.

У позвоночных животных, располагающих конечностями, локомоции осуществляются с помощью системы рычагов, соединенных при помощи подвижных сочленений — суставов. Скелет животных включает несколько сот костей и обеспечивает несколько направлений движения.

В опорно-двигательном аппарате выделяется три типа рычагов. Одни из них служат для поддержания тела в пространстве, другие — для силовых действий, третьи необходимы для быстрого линейного перемещения.

В рычагах равновесия точка опоры находится между точкой приложения вектора силы и массой. Такие рычаги называют рычагами первого рода. Механическая работа нарастает с увеличением плеча силы. Такую картину можно наблюдать в системе мышц и костей тазобедренного сустава, а также верхних шейных мышц и позвонков.

В рычагах силы (рычаги второго рода) масса прикладывается между точкой опоры и вектором силы. Приложение силы вызывает движение рычагов в суставе и выполнению механической работы. Так работают фаланги пальцев или скакательный сустав с икроножной мышцей у лошади.

Рычаги скорости (рычаги третьего рода) имеют точку приложения между точкой опоры и массой. Место прикрепления мышцы находится поблизости от точки опоры рычага. Вследствие такой анатомии сустава незначительное сокращение мышцы достаточно для значительного перемещения удаленного конца кости, составляющей рычаг. Наиболее типичным рычагом такого рода можно считать рычаги коленного сустава, а также плече-лопаточное сочленение.

Система рычагов шарнирного типа предназначена для преодоления сил гравитации (поднятия массы) с большой механической эффективностью в процессе движения животного. Характерным для такого сустава является то, что рычаг одним концом закрепляется в точке опоры, а его другой конец связан с грузом. В такой системе рычагов нагрузка распределяется равномерно в продольном направлении. При распрямлении конечности для поддержания тела требуется сравнительно небольшая мышечная сила. Подобным образом работает система коленного сустава.

* * *

В главе рассмотрены основные понятия темы. Итак, мы выяснили, что биомеханика — это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ. Также мы узнали физические (механические) объяснения особенностей устройства организма животных суши.

Глава 2. Механические характеристики домашней кошки

В главе рассматриваются способы определения механических характеристик домашней кошки, а также результаты наших исследований.

2.1. Алгоритм проведения экспериментов

Любой эксперимент должен проводиться в определенной последовательности. Это важно для достижения целей эксперимента и точности полученных результатов. В нашем исследовании измерение механических характеристик кошки проводилось по следующему алгоритму:

1.                  Тема эксперимента.

2.                  Цель эксперимента.

3.                  Приборы и материалы, используемые в ходе эксперимента.

4.                  Ход эксперимента.

5.                  Таблица результатов.

6.                  Вывод опыта.

2.2.            Измерение средней и максимальной скорости кошки

Цель эксперимента: Измерить среднюю и максимальную скорости кошки

Приборы и материалы: секундомер, рулетка, игрушки (бантик, лазерная указка).

Ход эксперимента:

1.                  При помощи рулетки измерим расстояние пройденное кошкой.

2.                  При помощи секундомера измеряем время движения.

3.                  Рассчитываем скорость по формуле .

4.                  Результат измерения вносим в таблицу.

5.                  Рассчитываем среднюю скорость по формуле:

Опыт	S, м	t, с	υ, м/с	υ ср, м/с	υ max, м/c
1	1	2	0,5	0,6	1
2	2	3	0,7
3	3	5	0,6

 Расчет скорости:

υ₁ =S₁ /t₁ =1:2=0,5м/c; 

υ ₂ =S₂ /t₂ =2:3=0,7м/c;

υ ₃ =S₃ /t₃ =3:5=0,6м/c.

Расчет средней скорости:

υ _ср =S_весь/t_все = (1+2+3) / (2+3+5) = 6/9 = 2/3 = 0, 66 м/c = 0,6 м/с

Вывод эксперимента. В результате исследования средняя скорость кота равна 0,6 м/с,  максимальная – 1 м/с = 3,6 км/ч.

По данным исследований во время бега домашняя кошка может делать рывки со скоростью до 50 км/ч.  Скорость кошки Муси составляет всего 7,2 % от максимально возможной скорости, которую моет развивать кошка.

2.3. Измерение массы кота

Цель эксперимента: измерить  массу кошки Муси

Приборы и материалы: напольные весы.

Ход эксперимента:

1.                  Определяем цену деления весов

2.                  Ц.д.=(10-5)/10=0,5 кг.

3.                  Измеряем массу кошки с помощью напольных весов. Считаем количество делений и умножаем на цену деления.

4.                  Масса Муси = 0,5 * 10 =5кг.

5.                  Результаты измерений вносим в таблицу.

Цена деления весов, кг	Число штрихов	Масса кошки, кг
0,5	10	5

Вывод: Домашняя кошка в среднем весит 3 – 6 кг. Масса Муси соответствует среднестатистическим данным. Согласно книге рекордов Гиннеса масса самого большого кота 21 кг. Масса Моти составляет 13 % данной массы.

2.4. Измерение объема кошки

Моя кошка любит купаться, поэтому я выбрала метод определения объема ее тела через погружение в воду.

Цель эксперимента: измерить объем кошки.

Приборы и материалы: круглый таз с водой, измерительная лента, карандаш, линейка.

Ход эксперимента:

Измерения объема кошки будут состоять из 2 этапов. Измерение объема тела – как тела неправильной формы. Измерение объема головы из учета того, что форма головы приближена к окружности.

1.                  Измерим диаметр таза d= 34 см.

2.                  Нальем в таз воды.  Отметим на боковой стенки таза уровень воды черточкой h₁=11 см.

3.                  Опустим кота в воду до уровня головы. Вода в тазу поднялась. Отметим черточкой новый уровень воды h₂=13,5 см.

4.                  Вычислим высоту подъема воды h=h₂-h₁=13,5-11=2,5 см.

5.                  Найдем объем вытесненной воды, а значит и объем тела кота V₁,без учета головы. V _{1 =} S* h (основание на высоту). Так как основание таза окружность, получаем  V _{1 =} πR²* h = π(d/2)²* h= 3,14*(34/2)²*2,5= 2268,65см³ = 0,002270м³

6.                  Измерим обхват головы с помощью измерительной ленты l=28 см.

7.                  Рассчитаем объем головы кота по формуле V ₂= 4/3 π R³. Радиус окружности головы кота найдем из формулы длины окружности l=2πR, отсюда следует, что R=l/2π. Итоговая формула примет вид V₂= 4/3 π (l/2π)³=371см³=0,000371м³.

8.                  Объем кошки находим сложением объема тела и объема головы V = V ₁+V ₂ =0,002270+0,000371=0,002641 м³.

Вывод эксперимента. Объем Муси составляет 0,002641 м³.

2.5.            Измерение плотности кошки

Цель эксперимента: измерить плотность кота.

Приборы и материалы: данные предыдущих измерений.

Ход эксперимента:

1.                  Плотность рассчитывается по формуле ρ =m/V.

2.                  Данные вносим в таблицу.

Масса, кг	Объем, м3	Плотность, кг/м3
5	0,0026	1923

3.                  Используя данные таблицы, рассчитываем плотность ρ=m/V=5/0,0026= 1923кг/м³.

Вывод эксперимента. Плотность Муси равна 1923 кг/м³

2.6.  Измерение давления Муси на опору (пол).

Цель эксперимента: измерить давление кошки 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 Муси на ускорение свободного падения.

3.                  F тяж = gm=5*10=50 H , где F тяж – сила тяжести; g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кота. Значение массы кота возьмем из выше описанного исследования.

4.                  Площадь опоры кошки (S) определяем следующим образом. Поставим ее на лист клетчатой бумаги и обведем контур той части, на которую опирается кошка. Сосчитаем количество квадратиков и умножим на площадь одного квадратика (1/4 см² ).   Данные занесем в таблицу.

Положение	Число квадратов	Площадь опоры,см2	Площадь опоры, м2
Стоя	37*4	37	0, 004
Сидя	630	157,5	0, 016
Лежа	2279	569,8	0, 057

S₁ = 37*4*0, 25 см²= 37 см²=0, 004 м²

5.                  Рассчитаем давление оказываемое котом на пол, данные внесем в таблицу.

Положение	Давление на пол, Па	Давление на пол, кПа
Стоя	12500	12,5
Сидя	3125	3,13
Лежа	877	0,88

  P₁ = 50 Н / 0, 004 м² = 12500 Н/ м² ≈ 12,5 кПа

Вывод эксперимента. Жираф, верблюд и кошка – это единственные 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.

2.7. Измерение механической работы и мощности кошки при 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 кошки.  Мощность можно вычислит по следующему закону N=A/t, где А – это работа, t- время.

2.                  Значение массы кошки нам известно из выше полученных данных, запишем его в таблицу.

3.                  Для определения высоты, на которую по лестнице поднялась кошка, 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 Мусей на подъем по лестнице. Данные занесем в таблицу.

5.                  Вычислим механическую работу и мощность по формулам:

A= mgh= 5*10*3=150 Дж

N=A/t=150/5=30 Вт.

Данные занесем в таблицу.                                                 

Масса кошки m, кг	h, м	t,с	А, Дж	N, Вт
5	3	5	150	30

Вывод эксперимента. Работа, совершаемая котом при подъеме по лестнице равна 150 Дж, мощность при этом подъеме 30 Вт. Мощность человека при нормальных условиях работы в среднем равна 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт. Мощность развиваемая Мусей в 24 раза меньше, чем максимальная мощность человека.

2.8.            Измерение силы тяги кошки

Цель эксперимента: измерить среднюю силу тяги кошки.

Приборы и материалы: школьный демонстрационный динамометр, ошейник, поводок.

Ход эксперимента:

1.                  На кошку надеваем ошейник, к нему крепим поводок и прикрепляем динамометр.

2.                  Удерживая динамометр, замеряем максимальные показания прибора при: беге кота за приманкой, за бантиком, на клич хозяина, на стук дверью. Данные записываем в таблицу.

№ опыта	Сила тяги кошки, Н	Средняя сила тяги, Н
Бег за приманкой	2,2	2,1 Н
Бег за бантиком	1,8
Бег на клич хозяина	3,2
Бег на стук дверью	1,2

F_{средняя} = (1, 2+1, 8+3, 2+1, 2) / 4 = 8, 4/4=2,1Н.

Вывод эксперимента.  Наибольшую силу тяги кот развивает на клич хозяина.

2.9. Задачи о Мусе

Мы решили составить задачи о Мусе по темам, изучаемым во второй половине 7 класса. То есть сейчас эти задачи можно решить на уроках физики с моими одноклассниками.

1) Когда Муся стоит на четырех лапках, площадь опоры составляет 148 клеточек (1 клетка=0,25 см²), при этом она оказывает давление на пол 12,5 кПа. На сколько изменится давление, если Муся одну лапку поднимет? Увеличится или уменьшится давление на пол?

2) Муся любит лежать в тазике с водой диаметром 34 см. Когда кошка погружается в воду до головы, уровень воды в тазике изменяется на 3 см. Определите силу Архимеда, действующую на кошку. Изменится ли сила Архимеда, если Муся ляжет в соленую воду?

* * *

В главе представлены основные результаты нашего исследования, а также составленные нами задачи для учащихся 7 класса.

Заключение

Кошка доставляет человеку большое эстетическое удовольствие. Помимо этого ее можно рассматривать как интереснейший объект физических исследований.

Мы считаем, что мы выполнили все задачи.

Выяснили, что такое биомеханика, как эти знания используются в жизни человека. Поставленная цель была достигнута: были исследованы физические параметры кошки, а также характеристики ее движения и взаимодействия. Гипотеза исследования подтвердилась – физическими законами можно описать характеристики кошки.

Также мы составили задачи о Мусе, которые можно решать на уроках физики.

Выбранная тема оказалась очень увлекательной. Хотелось бы продолжить исследования 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.

Библиографический список

1.                  Яворский Б.М. Физика. Механика. М.: Дрофа, 2002. – 320 с.

2.                  Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. М.: Просвещение, 1998. –  128 с.

3.                  Кабардин О.Ф., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9-11 классы: учебное пособие для учащихся образовательных учреждений. М.: Вербум – М, 2001, 208 с.

4.                  http://russtil1.narod.ru/utkin1.html.

5.                  http://i-fact.narod.ru/cats.html.

6.                  http://q99.it/8AmgU0p.

7.                  http://www.activestudy.info/biomexanika-dvizheniya-na-sushe/