Игрушка с устойчивым равновесием это

Обновлено: 05.05.2024

Целью работы – рассмотреть игрушки, действие которых основано на состоянии устойчивости равновесия Объект исследования – детские игрушки. Предмет исследования – физические явления и законы, используемые в устройстве и работе детских игр

Задачи: Проанализировать информацию по теме Изучить ресурсы сети интернет и литературу по физике. Построить модели игрушек своими руками ,на основе применения законов по физике по теме : «Равновесие»

Равновесие тел Если тело покоится, значит, оно находится в состоянии равновесия. Тогда геометрическая сумма сил, действующих на тело, равна нулю. Большинство тел покоится на опорах, в том числе и человек. Стоящий предмет (тело на опоре), не опрокидывается, если вертикаль, проведенная через центр тяжести, пересекает площадь опоры тела. Чем ниже располагается центр тяжести тела, тем оно устойчивее на опоре.

Игрушка "Весёлые клоуны" Для того что бы сделать эту физическую игрушку нам понадобилось оборудование : картон; кусочки пластилина; бечевка; 2 бутылки с водой для устойчивости; клейкая лента; Сначала мы вырезали из картона двух клоунов и раскрасили их. После на обратной стороне ладоней клоунов прикрепили кусочки пластилина. Привязали бечевку между двумя бутылками и натянули её, установив бутылки на разных уровнях. Клоунов посадили на бечёвку. Что бы заставить клоунов передвигаться, нужно слегка дотронуться до бечевки рукой. Она придёт в колебательное движение, а клоуны под действием силы тяжести и силы трения начнут, покачиваясь, спускаться вниз по натянутому "канату". Результаты опыта можно объяснить состоянием устойчивого равновесия клоунов. Их центр тяжести находится ниже точки опоры .

Игрушка "Стрекоза" При изготовлении этой игрушки мы использовали следующее оборудование: картон; пластилин; ножницы. Вырезали из картона стрекозу таким образом, что ее крылья немного выступали вперед головы (фото5). На эти выступающие части крыльев на концах и снизу укрепили небольшие кусочки пластилина. Если прислонить нашу стрекозу головой к острию карандаша, то она повиснет в воздухе. Стрекоза находится в состоянии устойчивого равновесия, так как ее точка опоры находится выше основной тяжести.

Игрушка "Веселые качели". Для изготовления этой игрушки мы использовали следующее оборудование два стакана; две булавки; проволоку; картон; фломастеры; скотч; ножницы. Вырезали из бумаги двух человечков и изготовили для них качели со стеариновым двигателем. Для этого использовали обыкновенную стеариновую свечу. Укрепили человечков с помощью тонкой проволоки на противоположных концах свечи. Уравновесив свечу на линейке, нашли ее середину, где воткнули с двух сторон напротив друг друга две булавки. Поставили на бумагу два стакана и положили булавки на них. Зажгли тот конец свечи, который оказался наклоненным вниз. Через некоторое время свеча качнулась и горящий конец поднялся. В этот момент мы зажгли второй конец. Скоро стеариновый двигатель заработал вовсю. Если присмотреться к качелям, то можно понять принцип их работы. Когда конец свечи оказывается внизу, то пламя с этой стороны "съедает" часть свечи. Данная часть качелей становится легче, поэтому она поднимается вверх. Оказавшись вверху, конец свечи продолжает гореть в нормальном режиме, но зато противоположная часть уже находится внизу. Пламя активно "съедает" уже эту половину. И все повторяется.

Бабочка-балансир . Для изготовления бабочки нам понадобится: 1. Половина листа от офисной бумаги формата А4 2. Канцелярские скрепки - 5 шт. 3. Скотч Ход работы: Рисуем на бумаге бабочку (форма крыльев роли практически не играет), раскрашиваем ее и вырезаем по контуру. 2.После того, как бабочка готова, делаем ей хоботок: берем одну из скрепок, разгибаем ее. С одного конца должен остаться "носик" в виде буквы "Г". С другого делаем петельку так, чтобы она оказалась в перпендикулярной плоскости по отношению к "носику". Петелька нужна затем, чтобы было легче приклеивать скрепку к бабочке и чтобы она не проворачивалась потом в процессе эксплуатации. 3. А теперь крепим хоботок с помощью скотча на тельце бабочки. 4. Большинство детей думают, что этого уже достаточно, чтобы бабочка сидела на пальце. Это сделать невозможно - бабочка падает вниз. Надо что-то придумать, чтобы уравновесить бабочку. Для этого нам и понадобятся остальные скрепки. Когда мы прицепим скрепки на кончики крыльев, они отвиснут вниз - и бабочка теперь будет сидеть ровно. Это все равно, что уравновесить весы - теперь с обоих сторон от пальца, на который опирается кончик хоботка, вес равный. Поэтому бабочка и балансирует на опоре.

Устройство и принцип работы неваляшки Самая простейшая неваляшка устроена незамысловато. Полое округлое тело, в котором центр тяжести максимально опущен вниз, таким образом, что при наклоне корпуса груз приподнимается и стремится вернуть куклу в вертикальное положение При всяком наклоне неваляшки её центр тяжести повышается. Это вызывает самостоятельное движение игрушки к исходному положению наиболее устойчивого равновесия, при котором центр тяжести расположен ниже.

Неваляшка своими руками Для этого нам понадобится : 1.Яйцо 2. несколько тяжелых мелких предметов (гаек, винтиков, металлических шариков) 3.свеча. Ход работы : 1. В остром конце яйца делаем небольшое отверстие и через нее выливаем содержимое. Яйцо моем. 2. Держим яйцо в вертикальном положении и насыпаем в отверстие утяжелитель. 3. Чтобы утяжелитель не пересыпался в другое положение, закрепляем его парафином. Для этого капаем расплавленный парафин через отверстие в скорлупе о тех пор, пока он не покроет весь утяжелитель. 4. После того, как парафин застынет, игрушку можно ставить в любое положение - она всегда будет возвращаться назад. 5. Теперь яйцо можно украсить - закрыть отверстие наверху шляпкой, которую можно приклеить к яйцу на клей ПВА, и нарисовать лицо.

Неваляшка в деле» 1.Детская кружка « неопрокидывайка », в которой соска не будет валяться на столе 2.Часы, которые всегда будут занимать вертикальное положение . . 3.Утюг неволяшка 4.Чехол для мобильного телефона

Выводы: Я рассмотрел и изготовил лишь несколько игрушек, объяснив их принцип действия. Эта работа доступна людям всех возрастов, ведь для объяснения работы многих детских игрушек достаточно знаний школьного курса физики 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. На этом я не собираюсь останавливаться и планирую продолжить свою работу, ведь впереди еще так много интересного.

Многие детские игрушки позволяют показать те или иные физические принципы, явления, законы.

Сегодня обратимся к понятиям центр тяжести (центр масс), устойчивость, условие устойчивого равновесия.

1. Ванька-встанька

« …Мой характер не сломить,
меня никак не положить,
Хоть старайся, расстарайся,
никогда тому не быть».

Если при достаточно малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, возвращающие его обратно, то такое равновесие называют устойчивым .

Ванька-встанька (или неваляшка) возвращается всегда в вертикальное положение – значит, это есть положение его устойчивого равновесия. Для тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, выполняется условие: центр тяжести тела занимает самое низкое возможное положение . При попытке вывести тело из положения устойчивого равновесия, центр тяжести поднимается.

У Ваньки-встаньки в нижней части находится тяжёлый полушар. Центр тяжести полушара – точка С – при наклоне приподнимается. В самом деле, расстояние CD больше расстояния АС. Значит, равновесие в первом случае устойчиво. Пунктиром изображён воображаемый шар, центр которого (точка С) совпадает с центром тяжести полушара.

Для тела, опирающегося на одну точку, в состоянии равновесия центр тяжести находится на одной вертикали с точкой опоры (на первом рисунке СА – вертикаль). ( Замечание. Рисунок взят из «Элементарного учебника физики» под ред. Ландсберга, но исправлена неточность. У Ландсберга отрезок СВ нарисован вертикальным (B – точка касания полушара и плоскости), что может быть только в состоянии равновесия. )

При отклонении от положения равновесия возникает момент силы, возвращающий тело в равновесное состояние с наинизшим положением центра масс. Зелёная стрелка - реакция опоры (сила, с которой плоская поверхность опоры действует на полушар, синяя - сила тяжести (сила, с которой Земля притягивает полушар). Тело будет находиться в состоянии равновесия, когда обе эти силы, будучи противоположно направленными и равными по величине, будут действовать вдоль одной прямой.

Многие пытались удерживать в равновесии на ладони или кончике пальца бильярдный кий, школьную указку или большую линейку, как это показано на рисунке. ( Рисунок взят отсюда: Хилькевич С. С.Ю «Физика вокруг нас», Библиотечка «Квант», Выпуск 40. Москва, Наука, 1985 )

Идея написать эту статью возникла совершенно случайно. Мы с сыном посмотрели фильм Кристофера Нолана «Начало». Не могу сказать, что я фанат этого фильма, по своей идее погружений с одного уровня действительности в другой он мне напомнил книгу «Рукопись найденная в Сарагосе» (фильм тоже по ней есть), но сыну понравился. После просмотра он залез в ящик со старыми игрушками и долго в нем рылся, пока не откопал два волчка. Один из них очень похож на тот, что был в фильме. Запустив несколько раз, он стал спрашивать почему волчок вращается и не падает. Я люблю объяснять наглядно. Это возможно не всегда правильно с научной точки зрения, но гораздо интереснее и лучше для понимания. Поэтому мы отправились в мастерскую, где провели несколько опытов.

Ребенку сложно понять «на пальцах», что такое центр масс, оси вращения и т.п. На счет инерции он уже был знаком. Поэтому я начал с показа простого опыта. Для этого понадобился фанерный круг и заостренная палочка.

Опыты мы обычно проводим по собственной методике – почти весь реквизит изготавливает сын сам. Это дополнительный стимул работать руками и возможность узнать что-то новое. На этот раз нам нужно было просверлить отверстие в центре круга. Если вырезать круг «коронкой», то центр будет автоматически, но у меня круги были целые. Мы использовали самодельный «искатель центра» - инструмент новый для сына.

С помощью него можно нарисовать линию, проходящую через центр круга, а если сделать этих линий 2-3 под разными углами, то их пересечение и будет центром. Далее замеряем штангенциркулем диаметр палочки (с этим инструментом он был уже знаком) и сверлим нужным сверлом отверстие. Вставляем палочку острием вниз и наш простой волчок готов.

Вроде всё просто. На мой вопрос «почему крутится?» я услышал, что диск круглый, палочка острая и вращение быстрое. В какой-то степени он был прав. Если палочка будет тупой, то за счет трения волчок быстро остановится, значит с трением нужно бороться. Если не будет быстро вращаться – не удержит равновесие и упадет, т.е. важна инерция при вращении.

Однако не всё так просто. Я просверлил рядом еще одно отверстие и переставил туда палочку. Волчек вращаться перестал. Острие тоже, скорость вращения задается на старте похожая, а не работает. Тут появляется понятие центра масс.

Я закрепил шило перпендикулярно вертикальной доске. На него повесил круг за центральное отверстие. Круг можно вращать и он остается в покое, т.е. он сбалансирован. Теперь перевешиваем круг на смещенное отверстие. Он всегда проворачивается вниз точно противоположной стороной от смещенного отверстия – баланс нарушился.

Мы высверлили несколько отверстий, чтобы сбалансировать круг снова относительно нового отверстия. Этого оказалось мало и пришлось добавить дополнительный груз с противоположной стороны. Конечно, такая балансировка очень примитивна и не точна, но у нас получилось уравнять стороны относительно оси вращения.

Волчек снова заработал. Так мы узнали, что для устойчивой работы волчка нужно, чтобы центр масс был в точке оси вращения.

Еще одним примером правильного расчета центра масс является волчок, который в 1986 изобрел японский профессор Такао Сакаи. Он сделан из обычной скрепки.

Уникальность этого изобретения, что волчок легко собирается, но при этом есть у него одна особенность – угол отсутствующего сектора должен быть равен в идеале 53.13 градусов. Почему именно такой – есть целые математические объяснения. Я не стану их приводить, так как опыты рассчитаны на детей. Для наглядности я взял большую канцелярскую скрепку, но она имеет более жесткий металл. Получилось несколько кривобоко, но опыт удался.

Причем волчок крутится долго, если ось вращения строго перпендикулярна кругу и ее половинки максимально соосны.

Волчок профессора Сакаи был интересен, но он очень легкий и мы решили сделать тяжелый волчок. Для этого выточили его из ореха диаметром около 10 см.

За счет веса его сложнее раскрутить, но потом он хорошо стабилизируется и вращается очень долго.

Нам понравилось экспериментировать с волчками. Следующим этапом была сборка волчка Томсона, который еще называют Китайский волчок. Его конструкция представляет шар со срезанной крышкой и установленной осью вращения. Главной особенностью такого волчка является форма, когда центр масс смещен ниже геометрического цента шара. По сути это похоже на неваляшку. Как не оттягивай его от вертикального положения, он возвращается обратно. Для сборки мы использовали деревянный шарик и цилиндрическую палочку.

Я немного вырезал внутри шара углубление, чтобы эффект неваляшки был лучше.

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.

В работе изучаются условия равновесия физических тел. Рассматривается равновесие самодельных игрушек.

Вложение	Размер
mbou_stodolishchenskaya_ssh_ravnovesie.docx	987.06 КБ
sekrety_ravnovesiya1.pptx	2.05 МБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Стодолищенская средняя школа Починковского района

Исследовательская работа по физике

Автор: Гайдаш Ульяна ,

обучающаяся 4 «б» класса

Филимонова Елена Владимировна ,

1. Теоретическая часть

1.1. Равновесие и центр тяжести ……………………………………………5

2. Практическая часть

2.1. Определение центра тяжести фигур……………………….…………..7

С самого рождения нас окружают игрушки, начиная с красочных погремушек. У меня тоже есть игрушки и среди них кукла - неваляшка, которая, как бы ее не положили, встает и занимает определенное положение. При попытках ее уложить она начинает колебаться то в одну, то в другую сторону, стараясь остановиться в том положении, в котором была первоначально. Это положение, как я узнала от учителя физики, называется состоянием равновесия. Мне стало интересно, почему так происходит. Что же это за положение, к которому стремятся многие предметы? Меня очень заинтересовала эта тема, и я решила провести исследование.

Объект исследования: равновесие тел.

Предмет исследования: центр тяжести, занимательные игрушки, которые держат равновесие.

Цель работы : установить причину равновесия окружающих тел и игрушек.

1) изучить литературу по данной теме;

2) выяснить, что такое центр тяжести, как его находить; узнать какую роль он играет в равновесии предметов;

3) на основе полученных знаний создать игрушки, иллюстрирующие условия устойчивости различных тел.

Гипотеза: если знать, что такое центр тяжести, научиться его находить, понять какую роль он играет в равновесии, то можно самой изготовить интересные игрушки, которые держат равновесие.

Изучение и анализ различной литературы;
поиск информации по данной теме в сети Интернет;
наблюдения и анализ;
обобщения и выводы;
проведение опытов и изготовление игрушек.

Анализ литературы по теме исследования показал, что имеется немного книг по данной теме. В литературных источниках авторы знакомят с понятием равновесия, центром тяжести. А вот объяснение принципа действия игрушек я нашла в Интернете. Я ознакомилась с материалами, представленными в сети Интернет, и выяснила, как же работает интересующая меня игрушка.

Я считаю свою работу актуальной и нужной, так как она повышает интерес к изучению физики и доступна учащимся разных возрастов, даже не обладающих специальными знаниями в области физики. Каждый человек должен иметь представление о физических явлениях и законах, с которыми непосредственно сталкивается в повседневной жизни с самого раннего детства.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Равновесие и центр тяжести

С понятием равновесия мы сталкиваемся часто. На уроках физкультуры мы держим равновесие, двигаясь по лавочке. В цирке мы видим удивительно ловких канатоходцев, и даже дрессированные животные поражают нас своими умениями удерживать на носу разноцветные шары. Падая, мы равновесие нарушаем. Может быть, здесь есть какие-то секреты? А все секреты - в законах физики! Равновесие предмета зависит от положения его центра тяжести. Нарушили равновесие — и тело вышло из покоя. Что же такое центр тяжести?

На любое физическое тело – мяч, жилой дом, человек и т.д. – действует сила земного притяжения или сила тяжести. Эти твердые тела можно представить состоящими из большого количества частиц. На каждую частицу тела в отдельности также действует земное притяжение, т.е. твердое тело находится под действием бесчисленного количества сил тяжести. Все эти силы можно заменить одной суммарной силой. Точка приложения этой суммарной силы и называется центром тяжести. У различных тел центр тяжести находится в разных местах, это зависит от их формы и однородности состава.

Центр тяжести сидящего человека находится внутри тела около позвоночника чуть ниже уровня груди. Если провести отвесную линию из этой точки вниз, то она пройдет под стулом позади ступней, а чтобы человек мог встать и стоять, эта линия должна проходить внутри площади, ограниченной его ступнями. Поэтому в заданном нами положении тела встать со стула не удастся. Для этого либо податься грудью вперед, тогда центр тяжести окажется между ступнями; либо подвинуть ноги назад, подводя опору – ступни – под центр тяжести ( Приложение 1 ). Только выполнив одно из этих действий, можно встать со стула и сохранить устойчивость.

Эти эксперименты доказывают, что устойчивость любого тела возможна только в том случае, если приложенная к нему сила тяжести проходит через площадь опоры. Если линия действия силы проходит вне площади опоры, то тело падает.

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 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.

Моя неваляшка устроена довольно просто. Представляет собой полое круглое тело, в котором центр тяжести находится внизу. Таким образом, при наклоне корпуса груз приподнимается и стремится вернуть куклу в вертикальное положение.

В действительной жизни мы давно уже привыкли угадывать центр тяжести 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.

2.1. 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?

Вырежем из картона фигуру произвольной формы и проколем в нескольких местах отверстия (лучше ближе к краям). Затем повесим фигуру за любое отверстие. Фигурка должна свободно качаться на игле! Сделаем отвес из тонкой нити и груза (гирька), 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 ( Приложение 2 ).

2.2. Игрушки – самоделки.

Используя полученные знания, я сделала занимательные игрушки.

Игрушка «Птичка на ветке» (Приложение 3 )

Я сделала интересную игрушку с устойчивым равновесием - птичку. Она состоит у меня из пластилина, а ножки – из спичек. На нижнем конце проволоки, воткнутой в тело птички, укрепила шарик из пластилина. В тело птички проволока должна входить позади лапок. При достаточно тяжелом грузе птичка будет отлично сидеть.

Игрушка «Пильщик» ( Приложение 3 )

С помощью корковой пробки и пары спичек нетрудно сделать фигурки животных и людей. Я попробовала заставить стоять такую фигурку на двух ногах.

Туловище моей игрушки состоит из пробки, голова из пластилина, ноги - спички, руки из картона. Из длинной проволоки (согнув ее) я сделала пилу. Один конец воткнула в тело пильщика, на другой - повесила груз. Поставила на край стола. Центр тяжести оказался внизу, и фигурка держит равновесие. Пильщик будет наклоняться и «пилить» край стола.

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.

«Веселый клоун» (Приложение 3)

Для изготовления этой игрушки нужна круглая жестяная баночка (можно из-под кофе). В центрах дна и крышки пробиваем гвоздем по отверстию. Из толстой проволоки согнем ось с коленом посредине и к этому колену прикрепим тяжелый грузик. Закрываем крышку, вдев концы оси в отверстия дна и крышки. Нарисуем на картоне клоуна и вырежем его. Ноки прикрепляем к концам оси, выступающим из банки. Толкнув банку, видим, что клоун начинает весело раскачиваться.

Читайте также: