Игрушка центр тяжести птица

Обновлено: 27.04.2024

Научно-исследовательский проект
"Секреты равновесия"

Мне из Сочи привезли игрушку – птичка, которая всегда и везде держится клювом на любой поверхности и не падает. Мне стало интересно, почему так происходит. Из интернета я узнал, что птичка всегда находится в равновесии из-за центра тяжести.

Объект исследования: равновесие и центр тяжести.

Предмет исследования: занимательные игрушки, которые держат равновесие.

Цель работы: изучение роли центра тяжести для равновесия окружающих предметов.

Гипотеза: если знать, что такое центр тяжести, научиться его находить, понять какую роль он играет в равновесии, то можно самому изобретать интересные игрушки и фокусы.

Задачи:
1. Выяснить, что такое центр тяжести и как его находить.
2. Узнать какую роль он играет в равновесии предметов.
3. Создать игрушки, на основе полученных знаний.
4. Создать книгу «Занимательная физика для детей».
5. Показать одноклассникам опыты и созданные игрушки.

Равновесие и центр тяжести
Что такое равновесие
Равновесие. Вслушаемся в это слово. Каков его смысл? Равный вес. То есть какие-то части одного тела, сделать одинаковыми. Нарушили равновесие — и тело вышло из покоя.
Итак, если тело в покое, значит, оно находится в состоянии равновесия.
В цирке мы часто видим удивительно ловких канатоходцев и даже дрессированные животные поражают нас своими умениями удерживать на носу разноцветные шары. Может быть, все дело в том, что они знают какие-то секреты?
А все секреты - в законах физики! Равновесие предмета зависит от положения его центра тяжести. А что же такое центр тяжести? Попробуем найти положение линейки на опоре, когда она будет в равновесии, проведём линию. Если чуть передвинуть линейку, она упадёт, то есть равновесие нарушилось. Так вот линия, которую мы отметили, и будет центром тяжести.
Итак, центр тяжести – это точка, относительно которой предмет будет находиться в равновесии.
Так при ходьбе по натянутому канату канатоходцы идут обычно с расставленными в обе стороны руками, балансируют, причем явно заметно покачивание из стороны в сторону. При каждом шаге артист старается установить центр тяжести своего тела над опорой. С длинным шестом в руках удерживать равновесие легче. Поэтому и игрушка птичка не падает. Её центр тяжести смещён вперёд, вес на крыльях и на теле уравновешивают друг друга, и птичка может стоять на клюве.

Нахождение центра тяжести у фигур
У каждого предмета есть центр тяжести. У предмета правильной формы (круг, квадрат, прямоугольник) центр тяжести будет находиться в центре. А как же определить центр тяжести плоской неправильной фигуры?
Вырежьте из картона фигуру произвольной формы и проколите в нескольких местах отверстия (для большей точности лучше ближе к краям). Вколите в вертикальную деревянную стену иголку и повесьте на ней фигуру за любое отверстие. Помните, фигурка должна свободно качаться на игле! Сделаем отвес из тонкой нити и груза (гайка), и повесим его на ту же иглу. Проведём линию, которая совпадает с нитью. Затем повесим фигуру за другое отверстие, опять проведём линию, так повторим несколько раз (сколько отверстий). Точка пересечения линий укажет положение центра тяжести фигуры. Положим фигуру центром тяжести на остриё карандаша, фигура будет держаться, она находится в равновесии.
В действительной жизни мы давно уже привыкли угадывать центр массы каждого предмета. Мы сразу соображаем, как положить или поставить этот предмет, чтобы он не упал.
Теперь я знаю, что такое центр тяжести и как удерживать предметы в равновесии.

Создадим игрушки и проведем опыты
Используя полученные знания, попробуем сделать занимательные игрушки и удивить друзей.

Ванька-встанька
Проткнем шилом яйцо, удалим содержимое, промоем и высушим. Набросаем в яйцо мелкие металлические гайки и натопим туда воск со свечи. Воск застынет и слепит все между собой. Заделаем дырочку и украсим яичного Ваньку-Встаньку. Как бы мы не ставили яйцо, оно всегда будет принимать вертикальное положение, так как центр тяжести смещен вниз.

Акробат
Рисуем из толстой бумаги клоуна, вырезаем 2 фигуры. Склеиваем вместе, помещая в ладони маленькие монеты. Акробат будет балансировать везде: на руке, столе, нити. Монеты смещают центр тяжести в область головы, поэтому он находится в равновесии.

Воробей
Птицу вылепим из пластилина. Ноги из спичек. На нижнем конце проволоки, воткнутой в тело воробья, укрепим шарик из пластилина. Проволока должна входит позади лапок. Воробей будет отлично сидеть на опоре.

Балансирующие вилки
Соединяем две вилки между собой вместе. Вставляем кончик зубочистки в место соединения вилок, а другой конец ставим на край деревянной палочки, воткнутой в опору – апельсин. Вилки балансируют на весу и держатся на кончике зубочистки.

Морковная карусель
Используем тарелку, морковь, бутылку, иголку и 4 вилки. Разрежем морковь вдоль, а потом каждую половину поперек. В каждую из четырех половинок воткните вилку так, чтобы угол между плоскостью среза был острый. Разместим вилки с морковками по тарелке на равных расстояниях друг от друга. Для большей устойчивости зубья вилок должны касаться края тарелки. Теперь тарелку удастся уравновесить на острие иглы, всаженной в морковку. На глаз кажется невозможно, - но все-таки тарелка стоит и даже вращается.

Раз только макни ее носом в воду, а дальше кажется, что все повторяется само собой . Принцип работы пьющей птички не так уж и нов, он был использован еще великим И. Бернулли в термометре для измерения максимальных температур. Интересно, что птичка будет наклоняться и "пить" раз в 5 чаще, если воду в стакане заменить каким-либо спиртовым раствором, а облучение ее светом или теплом также заставит птичку менять частоту своих движений .

Медленно опускает "пьющая птичка" свой клюв в стоящий перед ней стакан с водой, затем выпрямляется, покачивается слегка туда-сюда, как-будто собирается остановиться, но через некоторое время, как-будто набравшись сил, вновь наклоняется и макает свой клюв в воду. Так птичка может пить до бесконечности, пока при наклоне под ее клювом будет вода.

Познакомимся с устройством игрушки.

Физическая игрушка "пьющая птичка" состоит из двух полых стеклянных шариков соединенных узкой трубочкой. Причем один из концов трубочки впаян в шарик так, что заканчивается недалеко от дна шарика. При изготовлении игрушки система заполняется жидкостью и запаивается. В качестве жидкости берется легко испаряющаяся жидкость с низкой температурой кипения, например, эфир или метанол. Для большего эффекта жидкость подкрашивают. Наливают жидкости столько, чтобы выступающий в шарик конец трубочки, был в нее погружен.

Шарик с выступающей трубочкой - это "живот" птички, противоположный шарик - "головка". Сверху стекло разрисовывается и декорируется под птичку: перья, шляпка, хвостик. Обязательной частью птички является клюв достаточной длины, который часто обклеивают фетром. Игрушка закреплена чуть выше живота на вращающейся горизонтальной оси и опорах, в результате чего птичка может переворачиваться вниз, т.е. "клевать". Для приведения игрушки в действие перед игрушкой ставят стакан с водой и один раз наклоняют ее, чтобы намочить клюв. А дальше все происходит без остановки . Пока птичка сможет достать клювом воду в стакане об остановке игрушки можно не беспокоиться!

Каковы же причины "самопроизвольных" наклонов?

Изначально внутри замкнутого сосуда-птички есть легко испаряющаяся жидкость, между жидкостью и парами над ее поверхностью устанавливается термодинамическое равновесие. Пары в зависимости от температуры создают давление на жидкость.

Обмакнем клюв птички в поставленный перед ней сосуд с водой и отпустим. Центр тяжести лежит чуть ниже оси вращения(ближе к животу), таким образом, птичка вынуждена будет выпрямиться.

Вода с намокшего фетрового клюва начнет испаряется, при этом головка птички будет охлаждаться. При охлаждении головки термодинамическое равновесие нарушается. Понижение температуры паров в головке ведет к конденсации паров эфира на внутренних стенках головки. Давление паров эфира в головке упадет. Таким образом, давление паров в головке станет меньше, чем давлением паров над жидкостью в животе птички. Так как выравнивание давлений становится возможным только после того, как жидкость будет вытесняться более высоким давлением паров из нижнего сосуда вверх по трубочке, уровень жидкости в трубочке начнет повышаться. Это при ведет к поднятию точки центра тяжести над осью вращения. и птичка перевернется, снова макая клюв в воду.

При перевороте нижний конец трубочки поднимается над поверхностью жидкости, и жидкость из трубочки стекает опять вниз, а давление паров в верхнем и нижнем шарике выравниваются. Центр тяжести опускается, птичка возвращается в вертикальное положение. Но процесс повторяется, так как клюв уже опять мокрый . Вот Вам и сказка про бычка, у которой нет конца .

Если позаботиться, чтобы уровень жидкости в стакане оставался постоянным, то птичка может "пить" вечно!

Но, заметьте! В результате выравнивания давлений паров в верхней и нижней частях птички, давление пара в нижней части трубочки становится меньше первоначального. В нижней части начинается испарение жидкости, и температура жидкости при этом падает. Температура жидкости в нижней части птички становится ниже температуры окружающей среды, и начинается теплопередача от окружающей среды животу птички.

Вот Вам и итог: процессы в птичке можно сравнить с процессами, наблюдаемыми в тепловой машине: циклический процесс (abcd) за счет теплообмена с окружающей средой, при котором внутренняя энергия превращается в механическую,

где: ab - изотермическое расширение bc - адиабатический расширение cd - изотермическое сжатие da - адиабатическое сжатие.

Гуляя сегодня по парку Челюскинцев, совершенно случайно набрел на киоск со всякой китайской всячиной, где обнаружил знаменитую игрушку, смотрящуюся как фокус, но на самом деле способную служить наглядным пособием по физике.

Сначала видео. Без него здесь не обойдешься:

Немного неторопливо, но одной рукой быстро не поорудуешь.

В свое время, в журналах публиковались и ходили по рукам схемы, как нечто похожее сделать своими руками, причем были даже варианты из картона или бумаги. Типа "занимательная физика".

Эта же игрушка сделана из легкого пластика.

"Вау-эффект" от птички весьма высокий. Одна единственная точка опоры и тело, расположенное перпендикулярно земле.

На первый взгляд кажется, что все это какой-то технический или визуальный фокус, и все это очень эфемерно, и рухнет сразу же, стоит только задеть. Но на самом деле, конструкция весьма надежна, может быстро вращаться вокруг собственной оси, да и сбросить птичку с постамента не так легко. Устойчивость потрясающая.

Моя жена подумала, что в пирамидке спрятаны магниты, и была очень удивлена, увидев, что это голимая пластмасса.

Пирамидка на самом деле не играет в этом трюке никакой роли. Птицу можно прицепить на палец, или на карандаш, да хоть куда угодно.

Все дело в физических законах. Кажется, что игрушка их нарушает. В действительности же, строго им следует. Центр тяжести птички приходится аккуратно на клюв. Сделана игрушка из легкого материала.

Впрочем, штука эта может использоваться не только как иллюстрация школьного курса физики, но и как пособие по философии и психологии человека. Реальный пример того, что суть вещей важнее их внешнего вида. Также, мы психологически всегда обращаем больше внимания на тело и голову, чем на крылья, так как считаем их более значимыми для живого существа. В дополнение, одна тоненькая точка опоры усугубляет иллюзию парения в воздухе. Кажется, что ее не должно быть достаточно для устойчивости.

Размах крыльев птички примерно 16 см. Длина от клюва до конца хвоста - 9 см. Расстояние от клюва до кончиков крыльев - 4 см.

Внутрь крыльев вставлены металлические утяжелители, которые и создают противовес телу птицы.

Можно даже не сомневаться, что игрушка известна, знаменита и на просторах интернета встречается в больших количествах.

Точно такую же модель, как у меня, можно найти в различных упаковках, и под разными названиями: "Balancing Bird", "Magic Eagle" и т. п. Расцветка тоже может быть разной.

Встречаются такие же птички, но с другими подставками. Есть и другие модели, более качественно сделанные, но и стоящие гораздо дороже.

Есть даже птички ручной работы.

Моя же игрушка стоила всего 2 с половиной бакса, а упакована была в пакетик дешевле воздуха.

Много радости и удовольствия за небольшие деньги. Положительные эмоции в наше время добыть не так-то просто.

Все дело в том, что благодаря небольшим грузикам в ее крыльях, центр тяжести птицы находится в клюве, именно поэтому, если поставить ее клювом на палец, специальную пирамидку или даже нос, она не упадет!

Всем привет! Сегодня я расскажу о том, как можно устроить настоящее .

Здравствуйте! Гироскоп — это удивительная научная игрушка, с которой можно провести .

Эта прекрасная птица удивительным образом держит баланс! Можно поставить .

Понравилось наше научное шоу, хотите провести несколько опытов .

Смотрите, какой в нашем магазине появился магнитный левитатор ! .

Посмотрите видео о том, как же можно экспериментировать с этими замечательными веселыми .

Прекрасная научная игрушка — самый красивый способ изучить свойства .

Удивительное колесо позволяет изучить свойства трения. Во время вращения .

Пара довольно сильных магнитов имеет специальную форму. Если .

Из чего можно создать настоящую скульптуру? В том случае, если в подставке .

В книге экспериментов профессора Николя собрано множество опытов, которые .

Николай Ганайлюк, автор книги "Эксперименты профессора Николя", встретился .

Гидрофобный песок обладает удивительными свойствами. Благодаря специальной пропитке .

Уже совсем скоро в продаже появится наша обновленная Большая Химическая .

Ура! Большая химическая лаборатория готова! На этом видео можно .

Для того, чтобы получился научный набор «Большая химическая лаборатория» .

Цель работы: изучить основы понятия о равновесии, центре тяжести и точке опоры.

Задачи: понять, что такое центр тяжести, и как знания о нем используются. Проделать опыты, демонстрирующие разные виды равновесия. Как определять центр тяжести плоской фигуры?

Вырежьте из картона фигуру произвольной формы и проколите в нескольких местах хотя бы пару отверстий (для большей точности лучше ближе к краям). Вколите в вертикальную деревянную стену иголку и повесьте на ней фигуру за любое отверстие. Помните: фигурка должна свободно качаться на игле! Сделайте отвес из тонкой нити и груза, завяжите петлю на свободном конце нити, и повесьте его на ту же иглу. Отвес будет указывать вертикальное направление на подвешенной фигуре. Отметьте на фигурке вертикальное направление нити. Снимите фигуру, подвесьте её за другое отверстие и снова отметьте уже новое направление нити отвеса. Точка пересечения вертикальных линий укажет положение центра тяжести данной фигуры.

Простая на первый взгляд детская игрушка неваляшка на самом деле является гениальной инженерной конструкцией. Подобное решение нашло свое применение в судостроении. Для вас мы решили секрет неваляшки, который всегда мучил многих детей. В нижней части сферы находится цилиндр, выполненный из плотного картона. На дне цилиндра установлен балласт, в который по кругу вставлены металлические прутья. В центре всей этой конструкции на проволоке висит металлическая круглая шайба, которая при ударе о прутья создает звук.

Так почему же неваляшка никогда не падает? Ответ прост. Центр тяжести у этой игрушки расположен в ее самой нижней части, она фактически стоит на нём. По этой простой причине они и обладают такой удивительной устойчивостью. А теперь сделаем балерину из бумаги. Как и предыдущие игрушки, эта балерина не простая - она умеет грациозно балансировать на тонкой ниточке или на кончике пальца. А все из-за того, что у игрушки смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет балерине стоять и не падать. Заключение.

Я рассмотрела, что такое равновесие. Какие бывают виды равновесия.

Из опытов убедилась, что от положения центра тяжести зависит равновесие предмета.

Вложение	Размер
Исследовательская работа. Научно - техническое творчество	220.41 КБ

Предварительный просмотр:

Однажды в кафе нам предложили купить удивительную игрушку. Это была пирамида, и птичка, которая держалась только кончиком клюва.

Одна единственная точка опоры и тело, расположенное перпендикулярно земле.
На первый взгляд кажется, что все это какой-то технический или визуальный фокус, и все это очень эфемерно, и рухнет сразу же, стоит только задеть. Но на самом деле, конструкция весьма надежна, может быстро вращаться вокруг собственной оси, да и сбросить птичку с постамента не так легко. Мне стало очень интересно, как это работает. Тогда я стала искать информацию в интернете и книгах. Оказалось, все дело в физических законах. Кажется, что игрушка их нарушает. В действительности же, строго им следует. Центр тяжести птички приходится аккуратно на клюв. Сделана игрушка из легкого материала.

Поэтому целью моей работы стало: изучить основы понятия о равновесии, центре тяжести и точке опоры.

Задачами этой работы являются:

Понять, что такое центр тяжести, и как знания о нем используются.
Проделать опыты, демонстрирующие разные виды равновесия.
Изготовить игрушки, действие которых основано на законах равновесия.

У каждого предмета есть центр тяжести . И от его положения зависит очень многое. Например, устоит ли башня или рухнет, может ли человек сохранить равновесие и многое другое. Например, у однородной палки (такой, как, например, черенок лопаты) он находится точно на ее середине, у крышки кастрюли — в ее центре. Для того чтобы горизонтально подвесить палку, понадобятся самое маленькое две нитки, привязанные к ее концам, но, воспользовавшись центром тяжести, можно обойтись и одной ниткой, привязанной к самой середине палки. Чтобы крышка кастрюли висела горизонтально, тоже вместо нескольких ниток достаточно одной, привязанной в ее центре (за ушко).

От положения центра тяжести зависит равновесие предмета. Если центр тяжести находится ниже точки опоры и точно под ней, будет самое устойчивое равновесие.

Дело в том, что все тела стремятся принять положение равновесия. Если из центра тяжести тела провести линию, перпендикулярную полу, то в случае, когда линия выходит за границы опоры тела, тело упадёт. Чем больше площадь опоры, чем ближе расположен центр тяжести тела к центральной точке площади опоры и центральной линии центра тяжести, тем более устойчивым будет положение тела. Например, центр тяжести знаменитой Пизанской башни расположен всего в двух метрах от середины её опоры. А падение случится лишь тогда, когда это отклонение составит около 14 метров. Центр тяжести тела человека находится примерно на 20,23 сантиметра ниже пупка. Воображаемая линия, проведённая отвесно из центра тяжести, проходит ровно между ступнями.

Равновесие бывает неустойчивым , безразличным и устойчивым .

Неустойчивое равновесие будет тогда, когда смещение тела на небольшое расстояние приводит к его движению. Например, если тронуть шарик, лежащий на вершине горки, то шарик скатится вниз и не сможет вернуться в прежнее положение.

Шарик в состоянии неустойчивого равновесия

Безразличное равновесие, если тело при смещении на небольшое расстояние так и останется в нем. Например, если сдвинуть шарик, лежащий на ровной поверхности, то он будет теперь спокойно лежать на новом месте.

Шарик в состоянии безразличного равновесия

А устойчивое равновесие это когда при смещении тела на небольшое расстояние оно стремиться принять прежнее положение (например, мячик, который лежит в ямке, будет все время скатываться на ее дно). Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела занимает самое низкое положение из всех возможных соседних положений.

Шарик в состоянии устойчивого равновесия

СОРЕВНОВАНИЕ ДВУХ КАРАНДАШЕЙ

Возьмите два граненых карандаша и держите их перед собой параллельно, положив на них линейку. Начните сближать карандаши. Сближение будет происходить поочередными движениями: то один карандаш движется, то другой. Даже если вы захотите вмешаться в их движение, у вас ничего не получится. Они все равно будут двигаться по очереди.

Почему это происходит? Как только на одном карандаше давление стало больше и трение настолько возросло, что карандаш дальше двигаться не может, он останавливается. Зато второй карандаш может теперь двигаться под линейкой. Но через некоторое время давление и над ним становится больше, чем над первым карандашом, и из-за увеличения трения он останавливается. А теперь может двигаться первый карандаш. Так, двигаясь по очереди, карандаши встретятся на самой середине линейки у ее центра тяжести. В этом легко убедиться по делениям линейки.

ОПЫТ С НЕУСТОЙЧИВЫМ РАВНОВЕСИЕМ

Равновесие будет устойчивым, если центр тяжести находится ниже точки опоры и точно под ней. Это значит, что, если отвесная линия проходит через точку опоры или подвеса и через центр тяжести, уже можно надеяться, что равновесие будет обеспечено.

Попробуем поставить карандаш на острие. Можно возиться хоть целый день. И все-таки есть очень простой способ заставить карандаш стоять. Это старинный, очень наглядный опыт. Зачиним карандаш, чтобы у него был острый конец, и немного выше конца воткнем полураскрытый перочинный нож, раскрытый не до конца. На рисунке ясно видно, как это сделать. Поставим острие карандаша на указательный палец, и карандаш будет стоять на пальце, слегка покачиваясь. Раскрывая нож больше или меньше, можем устанавливать карандаш не только прямо, но и наклонно. И все равно он не будет падать, даже если его толкнуть. Немножко покачается —и останется стоять на острие! Почему же карандаш без ножа падает, а с ножом стоит? Ведь в обоих случаях карандаш опирается на острие. Это его точка опоры. Но в первом случае точка опоры находилась в самом низу. А во втором —под ней висел перочинный нож. Ясно, что дело здесь именно в ноже. Если карандаш наклонится и начнет падать —нож будет подниматься вверх. Но ведь нож тяжелее, он тянет вниз и заставляет карандаш снова выпрямиться. Где находится центр тяжести карандаша и перочинного ножа? Ответ простой: на пересечении отвесной линии, проведенной через точку опоры и рукоятку ножа. То есть в самой рукоятке, значительно ниже точки опоры.

В своем труде "О равновесии плоских тел" Архимед употреблял понятие центра тяжести. Видимо, оно впервые было введено неизвестным предшественником Архимеда или же им самим, но в более ранней, не дошедшей до нас работе. Прошло 17 веков и Леонардо да Винчи сумел найти центр тяжести тетраэдра. Он же, размышляя об устойчивости итальянских "падающих" башен, в том числе - Пизанской, пришел к "теореме об опорном многоугольнике".

Как определять центр тяжести плоской фигуры?

Так почему же неваляшка никогда не падает? Ответ прост.

Центр тяжести у этой игрушки расположен в ее самой нижней части, она фактически стоит на нём. По этой простой причине они и обладают такой удивительной устойчивостью.

Как применяют знания о равновесии в судостроении, строительной технике.

Судно не опрокидывается, если в трюмах, расположенных ниже поверхности воды, лежат грузы. Чем больше грузов, тем корабль устойчивее. Так как центр тяжести ниже точки опоры.

Подъёмный кран не опрокидывается, поднимая грузы, так как платформа-противовес тяжелая и большая. Площадь опоры и центр тяжести расположены рядом друг с другом. Значит, система находится в устойчивом равновесии.

А теперь сделаем балерину из бумаги. Как и предыдущие игрушки, эта балерина не простая - она умеет грациозно балансировать на тонкой ниточке или на кончике пальца. А все из-за того, что у игрушки смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет балерине стоять и не падать.

Для того, чтобы сделать балерину, нам понадобится:

2. Кусочек медной проволоки длиной около 25 см.

3. Канцелярские скрепки - 6 шт.

Я рассмотрела, что такое равновесие. Какие бывают виды равновесия.

Из опытов убедилась, что от положения центра тяжести зависит равновесие предмета. Равновесие устойчивое в том случае, если через центр тяжести и точку опоры провести вертикальную линию, и центр тяжести будет под точкой опоры или они будут расположены как можно ближе друг к другу.

Я смогла уравновесить различные предметы, зная законы равновесия.

Мне стал понятен принцип работы неваляшки, балансирующей птички. Я узнала, как люди научились применять эти знания в быту, на стройке, в кораблестроении, в цирке и во многих и многих отраслях.

Читайте также:

Игрушка центр тяжести птица

Научно-исследовательский проект "Секреты равновесия"

Предварительный просмотр:

Научно-исследовательский проект
"Секреты равновесия"