Исследовательская работа "Почему человек плавает?"

МБОУ ДО ГДДТ г. Шахты

Школа для детей с повышенным интеллектуальным уровнем «Эрудит»

Наименование секции: Физика

Исследовательская работа

Тема: «Почему человек плавает?»

Автор работы: Подгорнова Валерия Евгеньевна,

ученица 8 класса МБОУ СОШ №7 г. Шахты

Руководитель: Скокова Татьяна Борисовна,

учитель математики и физики МБОУ СОШ №7 г. Шахты

Научный консультант: Скокова Татьяна Борисовна,

учитель математики и физики МБОУ СОШ №7 г. Шахты

г.Шахты

2017 г.

Содержание

Введение	3
История открытия закона Архимеда	4
Условия плавания тел	5
Зависимость между плаванием и состоянием здоровья	8
Правила безопасного поведения на воде	9
Заключение	10
Список использованной литературы и интернет ресурсов	11

Введение

В древности культ воды был у всех народов. Люди почитали богов, которые повелевали водами (Посейдон, Нептун).

Наиболее ранние изображения, на которых показаны люди плывущие способами, похожими на брасс и кроль, относятся к IV – II вв. до н.э. Очень ценилось искусство плавания. Каждый год в Гермионе в честь праздника, посвященному богу морей, а с 1300 г. на Играх, устраиваемых на Истме у святилища Посейдона раз в два года, всегда проводились соревнования по плаванью. [6]

В России, богатой водными пространствами, люди умели хорошо плавать во все времена. В годы царствования Петра I плавание было включено в программу подготовки командиров армии и флота; учили плавать и солдат. В военном наставлении тех лет записано: «Всем новым солдатам без изъятия должно учиться плавать, так как не всегда есть мосты».

В начале XIX века плавание стало настолько популярным среди гражданского населения России, что начали создаваться специальные школы для обучения плаванию.

Сейчас плавание это олимпийский вид спорта, оно входит в обязательный комплекс ГТО, спортивные олимпиады и спартакиады школьников. Кроме того, человек должен управлять своим телом на воде в любой ситуации, чтобы не погибнуть. От того, как он будет управлять своим телом, зависит его жизнь.

Проблема: Почему человек плавает?

Цель: изучить условия и особенности плавания тел, какую наименьшую мощность должен развить человек, чтобы не утонуть в спокойной воде

Задачи:

1. Подобрать и изучить литературу по теме

2. Вспомнить историю открытия закона Архимеда

3. Определить условие плавания тел

4. Выявить зависимость между плаванием и состоянием здоровья

5. Рассчитать архимедову силу, действующую на человека в ванной

6. Вычислить наименьшую мощность, которую должен развить человек, чтобы не утонуть в спокойной воде

Предмет исследования: Физика

Объект исследования: закон Архимеда, вода, тело человека.

Методы исследования:

1) Теоретический.

 2) Прогнозирование.

Гипотеза: на человека в воде действует сила тяжести и архимедова сила, и от их соотношения зависит плавучесть тела, при условии если незначительно шевелить руками и ногами, при полном погружении в воду, то можно не утонуть, а научиться плавать.

Актуальность: Человек должен управлять своим телом на воде в любой ситуации, чтобы не погибнуть. От того, как он будет управлять своим телом, зависит его жизнь.

История открытия закона Архимеда

Слово "Эврика!", в переводе с греческого языка, означает "Я нашёл!". Именно этим высказыванием ознаменовалось открытие великим математиком древности Архимедом Сиракузским (ок.287-212 гг. до н.э.) основного закона гидростатики. Этот закон в наше время носит имя Архимеда и формулируется так: «Закон статики жидкостей и газов. На всякое тело погружённое в жидкость или газ, действует со стороны этой жидкости или газа поддерживающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа), направленная вверх и приложенная к центру тяжести вытесненного объёма.

На основании повествования римского инженера и зодчего Витрувия (I в. До н.э.), сделанного им в 9-й книге трактата" Об архитектуре", история закона Архимеда выглядит так.

Однажды, сиракузский царь Гиерон II поручил своему ювелиру изготовить золотую корону. После изготовления сего абсолютно необходимого для царей предмета, в голову Гиерону закралась естественная для большого руководителя мысль: " А не обманул ли меня мой ювелир? Не подмешал ли он в корону значительную часть серебра вместо золота и не прибрал ли ювелир золотишко к рукам?"

Проверить это было поручено Архимеду. Нужно было выяснить, содержит ли корона серебро вместо золота, не разрушая при этом само ювелирное изделие. Поиски истины были трудны, над составом сплава великий математик трудился долго и безуспешно, пока наконец случайно, во время купанья, погружённый в мысли о вычислении объёма сложного тела, Архимед погрузил своё тело в воду... и решение задачи было найдено.

Легенда гласит, что Архимед пришёл в полный восторг от этого открытия и голый с криком "Эврика!" побежал из купальни, чтобы проверить свою теорию.

Великий математик пришел к Гиерону II и попросил предоставить ему слиток золота и слиток серебра точно такого же веса, что и корона. Потом он наполнил доверху сосуд и положил в него слиток серебра. Вполне понятно, что каков был объём серебряного слитка, такое количество воды и вытекло.

Затем, вынув слиток, он долил в этот сосуд точное количество вытесненной воды, измеряя этот объём секстарием. Таким образом, Архимед определил, какой вес серебра соответствует какому количеству воды.

Затем, он опустил золотой слиток в сосуд и тем же способом, при помощи секстариев, великий математик выяснил, насколько меньший объём занимает слиток золота по сравнению с со слитком серебра аналогичного веса.

После чего, опять наполнив сосуд и опустив в него корону, Архимед определил, что при погружении короны вытекло больше воды, чем при погружении в сосуд золотой массы того же веса.

Заключение "криминалистической экспертизы" Архимеда было следующим. Так как короной вытеснялось большее количество воды, чем золотым слитком, то в золоте, из которого изготовлена корона, содержится примесь серебра.

Что стало с ювелиром история умалчивает, а Архимед своими изысканиями произвёл первое в истории применение физического измерительного метода к контролю и анализу химического состава изделия, без нарушения его целостности.   [5]

Условия плавания тел:

В учебнике «Физика 7» закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме погруженной части тел [2]

Плавание тел — состояние равновесия твердого тела, частично или полностью погруженного в жидкость (или газ).

Основная задача теории плавания тел — определение равновесия тела, погруженного в жидкость, выяснение условий устойчивости равновесия. На простейшие условия плавания тел указывает закон Архимеда. Рассмотрим эти условия.

Как известно, на все тела, погруженные в жидкость, действует сила Архимеда FA (выталкивающая сила), направленная вертикально вверх, однако всплывают далеко не все. Чтобы понять, почему одни тела всплывают, а другие тонут, необходимо учесть еще одну силу, действующую на все тела, — силу тяжести Fт которая направлена вертикально вниз, т. е. противоположно FA. Если тело оставить внутри жидкости в состоянии покоя, то оно начнет двигаться в сторону, в которую направлена большая из сил. При этом возможны следующие случаи:

1) если архимедова сила меньше силы тяжести (FA <Fт), то тело опустится на дно, т. е. утонет (рис. а);

2) если архимедова сила больше силы тяжести (FA> Fт), то тело всплывет (рис. б);

Статика Условие плавания тел

3) если архимедова сила равна силе тяжести (FA = Fт), то тело останется в покое. Последнее условие является условием равновесия тела в жидкости:

FA = Fт.

Равенство FA = Fт выражает условие плавания тел: для того, чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой.

Условию плавания тел можно придать другую форму. Представим архимедову силу в виде:

FA = ρж Vж g,

Где ρж — плотность жидкости, Vж — объем жидкости, вытесненный телом, g — ускорение свободного падения. Силу тяжести, действующую на тело, тоже можно выразить через объем V и плотность тела ρ:

Fт = mg = ρVg,

где т — масса тела. Подставим выражения FA = ρж Vж g  и  Fт = mg = ρVg в равенство FA = Fт:

 ρж Vж g  =  ρVg

Разделив обе части этого равенства на g, получим условие плавание тел в новой форме:

ρж Vж   =  ρV

Из полученного соотношения можно вывести два важных следствия.

1. Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.

2. Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости.

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

 

Что будет происходить с телом, у которого ρ < ρ_ж, если его полностью погрузить в жидкость? В этом случае архимедова сила будет преобладать над силой тяжести, и потому тело начнет подни­маться вверх. Пока тело будет двигаться, оставаясь полностью погруженным в жидкость, архиме­дова сила будет оставаться неизменной. Но как только тело достигнет поверхности жидкости и по­явится над ней, эта сила (по мере уменьшения объема части тела, погруженного в жидкость) будет становиться все меньше и меньше. Всплытие прекратится тогда, когда архимедова (выталкиваю­щая) сила станет равной силе тяжести. При этом чем меньшей плотностью (по сравнению с плот­ностью жидкости) обладает тело, тем меньшая его часть останется внутри жидкости. [2]

Применяется это условие плавания тел и для человека?

Сначала возьмём из справочников значения необходимых величин: плотность человека 1030 кг/м3 -  1050 кг/м3; плотность морской воды при 20 °С 1010 кг/ м3; плотность водопроводной воды при 20 °С 0 = 998,2 кг/м3.  

Вывод. Средняя плотность тела человека примерно равна плотности воды. Следовательно, люди должны в воде плавать.

Но почему же некоторые тонут?

Зная массу своего тела (45 кг), вычисляю какая сила тяжести на меня действует.

Fт = mg = 45*9,8 = 441 Н.

Объем моего тела V=m/ρ = 45 : 1030  = 0,044 м3 = 44 дм3

Архимедова сила, действующая на меня в пресной воде:

FA = ρж Vж g  = (9,8 * 0,044 * 998,2 = 430 Н, что всего на 11 Н меньше силы тяжести.

Но эти 11 Н говорят о том, что, если я хочу плавать, то моим мышцам надо развивать усилие, значительно большее 11 Н.

Вот почему, если человек в воде начинает барахтаться и пытается выскакивать из воды, архимедова сила уменьшается, и человек погружается.

Кроме того, плотность человека зависит от вдоха и выдоха. Чем больше в легких воздуха, тем меньше плотность человеческого тела, тем лучше плавучесть. Вот почему при плавании необходимо правильно дышать. При выдохе, когда тело теряет свою плавучесть, человеку приходится создавать подъемную силу движением рук. Получается, что умение плавать это и умение дышать.

Влияние дыхания на пловучесть проверила в ванной. Я погрузилась в ванную, уперлась затылком в борт ванну, пятками – в дно. Я заметила, что при выдохе тело погружается в воду, а при глубоком вдохе всплывает.

Вывод: при вдохе сила Архимеда увеличивается и почти полностью компенсирует действие силы тяжести. Каждый из немеющих плавать, способен держаться на воде, если при этом он будет немного шевелить руками или ногами, но только при условии, что все тело полностью погружено в воду.

Зависимость между плаванием и состоянием здоровья

Я провела опрос по школе с 1 по 9 класс, чтобы выяснить, какое количество учащихся не умеет плавать.

Выяснилось, что только 40 % учащихся умеет хорошо плавать, еще 20 % плавают, но не очень хорошо, а 40% учащихся не умеют плавать вообще.

Правда, уже несколько лет, для обучающихся начальной школы в течение года и для детей, отдыхающих в летнем пришкольном лагере, проводятся специальные занятия по плаванию.

А между тем, регулярные занятия плаванием увеличивают выносливость организма, укрепляют мышцы, повышают гибкость суставов и восстанавливают их подвижность. Оно помогает нормализовать работу всех органов и систем нашего организма за достаточно короткий промежуток времени. Плавая, вы учитесь правильно дышать, в ваш организм начинает поступать ещё больший объём кислорода, а это напрямую влияет на иммунитет, состояние кровеносной системы, питание и жизнедеятельность клеток. Во время погружения в воду и совершения плавательных движений, человек ощущает воздействие массажа, появляющийся благодаря сопротивлению, которое оказывает вода на тело человека, а это помогает активизировать кровообращение.

При помощи плавания вы можете укрепить сердечно-сосудистую и дыхательную систему, улучшить подвижность позвоночника, усилить приток полезных веществ ко всем органам. Плавание влияет на организм человека наиболее благотворно, чем любой другой вид спорта. Оно помогает стать стройным, подтянутым, молодым, здоровым, выносливым и спокойным. Именно особенное положение человека в воде способствует оздоровлению всего организма. При плавании происходит очищение нашей кожи, улучшается кожное дыхание, тело насыщается всем необходимым для нормальной жизнедеятельности. [4]

Правила безопасного поведения на воде

Лучше всего купаться в специально оборудованных местах: пляжах, бассейнах, купальнях; обязательно предварительно пройти медицинское освидетельствование и ознакомившись с правилами внутреннего распорядка мест для купания.

В походах место для купания нужно выбирать там, где чистая вода, ровное песчаное или гравийное дно, небольшая глубина (до 2 м), нет сильного течения (до 0,5 м/с).

Начинать купаться рекомендуется в солнечную безветренную погоду при температуре воды 17-190С, воздуха 20-250С. В воде следует находиться 10-15 минут, перед заплывом необходимо предварительно обтереть тело водой.

При переохлаждении тела пловца в воде могут появиться судороги, которые сводят руку, а чаще ногу или обе ноги. При судорогах надо немедленно выйти из воды. Если нет этой возможности, то необходимо действовать следующим образом:

1.   Изменить стиль плавания - плыть на спине.

2.   При ощущении стягивания пальцев руки, надо быстро, с силой сжать кисть руки в кулак, сделать резкое отбрасывающее движение рукой в наружную сторону, разжать кулак.

3.   При судороге икроножной мышцы необходимо при сгибании двумя рукам и обхватить стопу пострадавшей ноги и с силой подтянуть стопу к себе.

4.   При судорогах мышц бедра необходимо обхватить рукой ногу с наружной стороны ниже голени у лодыжки (за подъем) и, согнув ее в колени, потянуть рукой с силой назад к спине.

5.   Произвести укалывание любым острым подручным предметом (булавкой, иголкой и т.п.)

6.   Уставший пловец должен помнить, что лучшим способом для отдыха на воде является положение "лежа на спине".

Чтобы избавиться от воды, попавшей в дыхательные пути и мешающей дышать, нужно немедленно остановиться, энергичными движениями рук и ног удерживаться на поверхности воды и, поднять голову возможно выше, сильно откашляться.

Чтобы избежать захлебывания в воде, пловец должен соблюдать правильный ритм дыхания.
          Попав в быстрое течение, не следует бороться против него, необходимо не нарушая дыхания плыть по течению к берегу. [6]

Заключение

Вспомнив закон Архимеда, рассмотрев условия и особенности плавания тел, определив экспериментально степень влияния вдоха и выдоха на тело и рассчитав наименьшую мощность, которую развивает пловец в спокойной воде, я пришла к выводам:

1.   Средняя плотность тела человека примерно равна плотности воды. Следовательно, люди должны в воде плавать.

2.   Если человек в воде начинает барахтаться и пытается выскакивать из воды, архимедова сила уменьшается, и человек погружается.

3.   При вдохе сила Архимеда увеличивается и почти полностью компенсирует действие силы тяжести. Каждый из немеющих плавать, способен держаться на воде, если при этом он будет немного шевелить руками или ногами, но только при условии, что все тело полностью погружено в воду.

4.   Если использовать рекомендации по правильному поведению в воде, то можно не утонуть, а хорошо научиться плавать.

Помимо проделанных экспериментов, была изучена дополнительная литература, что позволило мне лучше разобраться с физическим законом «Архимедова сила», и узнать много интересных фактов, что несомненно пригодится мне не только в учебной, но и повседневной деятельности.

Список использованной литературы и интернет ресурсов

1)    https://ru.wikipedia.org/wiki/;

2)    Учебник по физике 7 класса;

3)    http://zdorovosport.ru/swim.html;

4)    http://www.woman-lives.ru/health/plavanie-i-zdorove.html;

5)    http://sebulfin.com/dobryie-istorii/istoriya-zakona-arhimeda;

6)    http://70.mchs.gov.ru/document/1477147.