Юла игрушка принцип работы

Обновлено: 15.05.2024

JLIB_APPLICATION_ERROR_COMPONENT_NOT_LOADING
JLIB_APPLICATION_ERROR_COMPONENT_NOT_LOADING
Error loading component: com_users, 1

Свойства волчка и их применение в науке и технике

Наверное, у каждого из нас в детстве была игрушка юла. До чего же интересно было наблюдать за её вращением! И очень хотелось понять, почему неподвижная юла не может стоять вертикально, а когда её запускаешь, она начинает вращаться и не падает, сохраняя устойчивость на одной опоре.

Хотя юла – всего лишь игрушка, она привлекла пристальное внимание физиков. Юла представляет собой один из видов тела, которое в физике называется волчком. Как игрушка, чаще всего она имеет конструкцию, состоящую из двух полуконусов, соединённых вместе, по центру которых проходит ось. Но волчок может иметь и другую форму. Например, шестерёнка часового механизма тоже является волчком, как и гироскоп - насаженный на стержень массивный диск. Простейший волчок состоит из диска, в центр которого вставлена ось.

Ничто не может заставить волчок сохранять вертикальное положение, когда он неподвижен. Но стоит только раскрутить его, как он будет прочно стоять на остром конце. И чем быстрее скорость его вращения, тем устойчивее его положение.

Почему не падает вращающийся волчок

Нажать на картинку

Согласно закону инерции, открытому Ньютоном, все тела, находящиеся в движении, стремятся сохранить направление движения и величину скорости. Соответственно, подчиняется этому закону и вращающийся волчок. Сила инерции препятствует падению волчка, пытаясь сохранить первоначальный характер движения. Конечно, сила тяжести пытается свалить волчок, но чем быстрее он вращается, тем труднее преодолеть силу инерции.

Прецессия волчка

Толкнём волчок, вращающийся против часовой стрелки в направлении, показанном на рисунке. Под воздействием приложенной силы он наклонится влево. Точка А при этом двигается вниз, а точка В вверх. Обе точки согласно закону инерции окажут сопротивление толчку, пытаясь вернуться в исходное положение. В результате возникнет прецессионная сила, направленная перпендикулярно направлению толчка. Волчок отвернёт влево под углом 90 о по отношению к приложенной к нему силе. Если вращение происходило бы по часовой стрелке, он отвернул бы вправо под таким же углом.

Если бы волчок не вращался, то под действием силы тяжести он сразу же упал бы на поверхность, на которой он находится. Но, вращаясь, он не падает, а аналогично другим вращающимся телам получает момент количества движения (угловой момент). Величина этого момента зависит от массы волчка и скорости вращения. Возникает вращающая сила, которая заставляет ось волчка при вращении сохранять угол наклона относительно вертикали.

Со временем скорость вращения волчка снижается, и его движение начинает замедляться. Верхняя его точка постепенно отклоняется от первоначального положения в стороны. Её движение проходит по расходящейся спирали. Это и есть прецессия оси волчка.

Эффект прецессии можно также наблюдать, если, не дожидаясь замедления его вращения, просто толкнуть волчок, т. е. приложить к нему внешнюю силу. Момент приложенной силы изменяет направление момента импульса оси волчка.

Экспериментально подтверждено, что скорость изменения момента импульса вращающегося тела прямо пропорциональна величине приложенного к телу момента силы .

Гироскоп

Нажать на картинку

До того как человечество придумало гироскоп, оно применяло разные способы ориентации в пространстве. Это были отвес и уровень, в основу работы которых была положена гравитация. Позже изобрели компас, который использовал магнетизм Земли, и астролябию, принцип работы которой основан на расположении звёзд. Но в сложных условиях эти приборы не всегда могли работать.

Работа гироскопа, изобретённого в начале XIX века немецким астрономом и математиком Иоганном Боненбергером, не зависела от плохой погоды, тряски, качки или электромагнитных помех. Этот прибор представлял собой тяжёлый металлический диск, через центр которого проходила ось. Вся эта конструкция заключалась в кольцо. Но она имела один существенный недостаток – её работа быстро замедлялась из-за сил трения.

Во второй половине XIX века для разгона и поддержания работы гироскопа было предложено использовать электродвигатель.

В ХХ веке гироскоп заменил компас в самолётах, ракетах, подводных лодках.

В гирокомпасе вращающееся колесо (ротор) устанавливается в кардановом подвесе, представляющем собой универсальную шарнирную опору, в которой закреплённое тело может свободно вращаться одновременно в нескольких плоскостях. Причём направление оси вращения тела останется неизменным независимо от того, как меняется расположение самого подвеса. Такой подвес очень удобно использовать там, где есть качка. Ведь предмет, закреплённый в ней, будет сохранять вертикальное положение несмотря ни на что.

Ротор гироскопа сохраняет свое направление в пространстве. Но Земля вращается. И наблюдателю покажется, что за 24 часа ось ротора делает полный оборот. В гирокомпасе ротор с помощью груза удерживают в горизонтальном положении. Сила тяжести создаёт крутящий момент, и ось ротора всегда направлена строго на север.

Гироскоп стал важнейшим элементом навигационных систем самолетов и морских судов.

В авиации применяется прибор, который называется авиагоризонт. Это гироскопический прибор, с помощью которого определяют углы крена и тангажа.

На основе волчка созданы и гироскопические стабилизаторы. Быстро вращающийся диск препятствует изменению оси вращения, «гасит» качку на кораблях. Такие стабилизаторы используются также в вертолётах для стабилизации их равновесия по вертикали и горизонтали.

Не только волчок может сохранять устойчивое положение относительно оси вращения. Если тело имеет правильную геометрическую форму, при вращении оно также способно сохранять устойчивость.

«Родственники» волчка

У волчка есть «родственники». Это велосипед и винтовочная пуля. На первый взгляд они абсолютно разные. Что же их объединяет?

Каждое из колёс велосипеда можно рассматривать как волчок. Если колёса неподвижны, велосипед валится на бок. А если они катятся, то и он сохраняет равновесие.

А пуля, выпущенная из винтовки, также вертится в полёте, как и волчок. Она ведёт себя так, потому что в стволе винтовки сделаны винтовые нарезы. Проносясь по ним, пуля получает вращательное движение. И в воздухе она сохраняет то же положение, что и в стволе, острым концом вперёд. Точно так же вращаются и пушечные снаряды. В отличие от старых пушек, стрелявших ядрами, дальность полёта и точность попадания таких снарядов выше.

Одна из древнейших игрушек «волчок», с точки зрения физики, представляет собой простейший гироскоп, являющийся главным элементом различных навигационных приборов.

Существует и более сложная конструкция волчка, содержащая внутри винтовой механизм для раскручивания. Такой волчок называется «юла».

У юлы сверху есть ручка. Поставив юлу на какую-либо твердую поверхность, и поднимая и опуская ручку , можно придать юле большую скорость вращения. Юла раскручивается с помощью винтообразного осевого стержня. Во время опускания этого стержня винтовой передаточный механизм, состоящий из винта и гайки, преобразует вращательное движение в поступательное или наоборот.

Юла является единственной разновидностью волчка, который содержит в себе механизм.

Юла была изобретена в конце 19 века. В 1880 году немецкий фабрикант-игрушечник Лоренц Больц из Циндорфа поставил сверху игрушечного волчка вращающуюся ручку. Надо было только потянуть за шнур, обвязанный вокруг волчка. А в 1913 году появилась первая юла от компании Bolz.

Лоренц Больц вставил в пустотелый волчок механизм с винтом и гайкой. Юла Больца приводилось в движение винтовым стержнем с ручкой на конце, на которую нужно было несколько раз надавить. При вдавливании стержня-винта внутрь юлы он заставляет через трещотку, установленную внутри юлы, вращаться юлу только в одну сторону. Когда винт вытягивается из юлы, то она продолжает вращаться по инерции.

Несколько движений «туда-сюда» и юла раскручивается до большой скорости. И может вращаться, будучи вертикально установленной, достаточно долго, пока трение точки опоры юлы о поверхность, на которой она вращается, не замедлит вращение, и юла, в конце концов, не упадет на бок.

Следующий из династии Больцев - Петер Больц сделал юлу музыкальной. Он проделал в корпусе юлы отверстия, через которые проходил воздух, и юла начала издавать жужжание. К 1937 году юла-непоседа уже могла воспроизводить звуки разных тональностей и наигрывать детские песенки.

Юла даже удостоилась чести стать памятником. Это десятиметровая юла, лежащая на боку, возле нидерландского городка Остерхоут.

ТАКОЙ ВОЛЧОК НЕ КУПИШЬ, СДЕЛАЙ САМ!

Делаем волчок-центрифугу. Вам понадобятся бусинки. Вырежьте из картона кружок (можно взять пластмассовую крышку). Проткните ее в середине спичкой. К краям прикрепите на ниточках бусинки. Ниточки не должны быть ни слишком короткими, ни слишком длинными. Когда волчок будет крутиться, то бусинки, нанизанные на нитки будут располагаться вдоль радиусов кружка, натягивая нити и наглядно обнаруживая действие центробежной силы.

Кстати, ты изготовил маленькую центрифугу, и бусинки на ней, вращаясь, испытывают такие же нагрузки, что и космонавт при тренировке на центрифуге перед полетом в космос.

Знаете ли вы?

Антенны из дерева

По мнению индийских специалистов, в качестве телевизионных антенн лучше всего использовать. кокосовые пальмы. Исследования показали, что их древесина прекрасно проводит слабые высокочастотные сигналы.

Кроме того, в отличие от металла пальмы не боятся коррозии.

Герою знаменитого романа Герберта Уэллса «Человек-невидимка» удалось так изменить оптический коэффициент преломления своего тела, что он стал невидимым.

Каким, по вашему мнению, должно быть значение этого коэффициента? Мог ли человек-невидимка видеть что-нибудь сам?

Любознательным

Часы на вершине горы

Почему часы с пружинным заводом на вершине горы идут иначе, чем на морском побережье?

Оказывается.
Так как на вершине горы давление меньше и вязкость воздуха понижена, то часы там должны идти быстрее.

Прообразом волчка является пластина конусообразной формы из рога или кости. Такие «игрушки» археологи довольно часто встречают при раскопках стоянок первобытных людей. Эта игрушка давно отпраздновала 100-летний юбилей, в нее играют дети с давних времен и она уже считается классической игрушкой для самых маленьких. Конечно, это волчок или юла. Где именно появились первые волчки неизвестно. Но доподлинно установлено, что играли в них на всех континентах. В Австралии в те далекие времена волчок представлял собой длинный плоский кусок дерева с привязанной веревкой к одному из его концов. Он считался магическим, благодаря нанесенным на него заклинаниям и рисункам. В древней Японии волчки были неотъемлемым атрибутом актеров и фокусников, которые показывали с их помощью завораживающие иллюзионные шоу, пользующиеся огромной популярностью на протяжении длительного времени. В Африке волчки применялись также как веретено для пряжи и розжига огня. А в Древней Греции с волчками игрались не только дети, но и взрослые, организуя целые турниры. О чем говорят найденные археологами манускрипты. Во времена Средневековья волчок был сделан из дерева и имел примитивную форму и и раскручивался двумя ладонями. Это могло быть простое яблоко или груша, нанизанная на прут, или обыкновенный желудь, в редких случаях – морская раковина, наполненная воском для равновесия. Но с течением времени форма волчков усложнялась, мастера придумывали новые оригинальные решения, как сделать изделие интересней, эстетичней и практичней.

Переломным моментом стал 1880 год, когда однажды талантливый и предприимчивый немецкий игрушечный мастер Лоренцо Больц решил создать юлу для маленьких детей, чтобы она была и интересна для них, и безопасна. Он придумал вставить механизм с гайкой – вращающуюся ручку, который позволял ей крутиться без раскручивания, ведь маленькие детки не могли еще выполнять этих действий. Игрушка сразу же была запатентована. Но совершенствование игрушки продолжалось. Вскоре ученик Лоренцо –Питер Больц наделил волчок голосом. Он придумал проделать небольшие отверстия в игрушке, через которые бы проходил воздух и во время кружения издавал жужжащий звук. И уже в 1937 году игрушка могла проигрывать несложные детские мелодии. Так на свет появился музыкальный волчок, который сразу заслужил успех у детской аудитории. В Советском Союзе юла появилась на прилавках игрушечных магазинов лишь в 1960-е годы.

Описание игрушки

Волчок, или юла – это игрушка, вращающаяся вокруг своей оси, при этом сохраняющая опору и удерживающаяся в вертикальном положении. При уменьшении скорости вращения угол наклона уменьшается, и, в конце концов, при полной остановке он падает. Прообразом волчка является пластина конусообразной формы из рога или кости. Юла – это игрушка, которая во время вращения сохраняет устойчивость на одной точке опоры. Для малышей существуют модели, которые заводятся простым нажатием на кнопку. Это может сделать сам малыш или его родители, а ребенок с удовольствием будет наблюдать за вращающимся волчком. Есть классические модели юлы, изготовленные из пластика, дерева или металла. Некоторые модели при вращении издают шуршащий звук, если внутри волчка находятся много ярких фигурок или шариков, или даже играют простую мелодию. Знакомить детей с юлой лучше пораньше, где-то с шести месяцев. Пусть ребенок потрогает ее, повертит в руках и посмотрит, как родители делают так, что бы она вертелась, издавала звуки.

Как играть?

Посадите малыша возле себя на пол и покажите ему игрушку. Запустите юлу, яркие краски, шуршащие звуки или мелодия, которые издает игрушка, привлекут внимание малыша. Пусть он посмотрит, как игрушка кружится, а затем дате ему самому попробовать запустить юлу. Вместе запустите волчок, потом дайте ребенку попробовать это сделать самому.

Плюсы и минусы

Играя с волчками, дети развивают мелкую моторику рук и учатся выстраивать причинно-следственные связи. Игры с юлой развивают наблюдательность и упражняют внимание малыша, вырабатывают зрительно-моторную координацию; отрабатывают новые движения и совершенствуют уже имеющиеся. Модели волчков для детей от трех лет совмещает в себе игру и познание мира. Играя в юлу, ребенок может освоить счет, названия животных, геометрических фигур, цифры и буквы, цвета. Музыкальная модель развивает музыкальный вкус и слух у детей.

Новый век

Сейчас на прилавках магазинов можно увидеть музыкальную юлу, юлу со световыми эффектами, с различными фигурками или шариками внутри пластмассового конуса, юлу на подставке или без, и многие-многие другие модели. С появлением различных новых персонажей и мультгероев нашего времени, юла так же обрела новый образ с изображениями детских кумиров.

Производство

В СССР уже в 1960-х годах юлу делали из самых разных материалов: дерева, пластика, самых разных размеров и цветов. Сегодня она так же выпускается многими известными производителями игрушек. Из наиболее популярных и известных: «Stellar», «Simba», «Little Tikes», «B Dot», «Kiddieland» и другие. Все они настроены на совершенствование предыдущих стандартных моделей и, конечно же, использовать только качественные материалы. Некоторые производители, не имеющие сертификатов и разрешений на производство, пренебрегают этим важным условием. Поэтому перед покупкой обязательно нужно ознакомиться с производителем.

В современном мире, пожалуй, не каждый ребёнок знает что такое юла, а меж тем волчок или юла — это древнейший предмет, который появился по оценкам учёных более пяти тысяч лет назад. Принцип его действия прост: центробежная сила удерживает волчок на острие. А вот материалы, из которых делали эту игрушку, были самые разные. Береста, войлок, кожа, дерево, кости. Индейцы Северной Америки использовали восковые пластинки, а африканские племена — тыквенные корки. Информация о том, кто первый изобрёл волчок, до наших дней не дошла. Археологи находили прообразы волчков на всех континентах кроме Антарктиды. Вот откуда такое обилие материалов и разновидностей у этой игрушки. Каждый народ делал и называл волчок на свой манер

Существует китайский волчок или Тип-топ — волчок, обладающий свойством переворачиваться в процессе вращения.

Широко распространён дрейдл. Это четырёхгранный волчок (на каждой из сторон написано слово на иврите) с осью для вращения. Согласно традиции, дети играют с ним во время еврейского праздника Ханука. У игры в этот волчок существуют даже свои правила.

Тромпо — популярная в Латинской Америке игрушка, волчок грушевидной формы. Для его раскручивания используется верёвочка. В Испании эта игрушка известна под названием пеон, в ряде стран Южной Америки — как рунчо или пеонца.

А на Руси излюбленной забавой была игра в кубáрь. Кубарь — это цилиндр небольшого диаметра и высоты со стёсанным нижним концом до формы конуса. К нему необходим кнутик на короткой палочке или просто верёвка длиной 50-80 сантиметров. Кубарь раскручивали при помощи верёвочки. А затем, подхлёстывая кубарь, контролировали его скорость вращения и заставляли двигаться в нужном направлении. Недаром появилась народная поговорка «скатиться кубарем», то есть скатиться вращаясь.

Существует даже волчок из скрепки! Он был придуман в 1986 году японским профессором-физиком Такао Сакаи из университета Тохоку в Сэндай. Учёный хотел продемонстрировать законы физики и использовал подручный материал.

Пожалуй, одной из разновидностей волчка можно считать и левитрон. Это волчок на магнитной подушке. В коробке по определённой системе располагают магниты. Сам волчок имеет стандартную форму и тоже является магнитом. При раскручивании этот волчок массой около 20 граммов способен зависнуть в воздухе. Так как магниты под ним постоянные, левитрон не требует источника электрического тока. Волчок испытывает силу трения только о воздух, поэтому парить он может довольно долго.

Чем хороша для детей эта, простая на первый взгляд, игрушка? Во-первых, она развивает мелкую моторику рук. Тренирует координацию движений. Демонстрирует причинно-следственные связи (кручу — предмет двигается, не кручу — останавливается). С помощью юлы хорошо учить цвета, так как эта игрушка обычно выпускается ярко раскрашенной.

Волчок обычно воспринимается, в первую очередь, как детская игрушка. Однако и взрослые находят ему применение. В Древней Греции запуск волчка, вероятно, считался спортом, о чём можно судить по найденным осколкам ваз. Механизм волчка использовался для добывания огня, как веретено. В середине прошлого века в Америке для популяризации игрушки компания-производитель стала организовывать чемпионаты по запуску волчка. Призом в таком виде спорта была денежная сумма в 5 тысяч долларов. Участников на соревнования собиралось множество, но компания всё-таки обанкротилась, и чемпионаты канули в лету.

В телевизионной игре «Что? Где? Когда?» вопросы для знатоков выбираются с помощью волчка «Скачущий всадник» со стрелкой-указателем.

Сейчас искусство обращения с волчком — это прерогатива жонглёров. В 1993 году на соревнованиях Международной Ассоциации Жонглёров было отмечено наградой виртуозное выступление Masahiro Mizuno. Также, волчок — это простейший пример гироскопа, являющегося важнейшим элементом целого ряда навигационных приборов. В Нидерландах даже установлен памятник этой замечательной игрушке на все времена — юле.

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Курс профессиональной переподготовки

Руководство электронной службой архивов, библиотек и информационно-библиотечных центров

Курс повышения квалификации

Охрана труда

Курс профессиональной переподготовки

Библиотечно-библиографические и информационные знания в педагогическом процессе

«Учись, играя: эффективное обучение иностранным языкам дошкольников»

Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей

Более 2 500 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения

Описание презентации по отдельным слайдам:

Магаданское государственное автономное профессиональное образовательное учреждение
«Строительно –технический лицей»

Устройство и принцип работы волчка

История волчка
Волчок - это незамысловатая с виду игрушка, которой развлекались дети всех времен и народов. Но она обладает целым рядом удивительных и на первый взгляд необъяснимых свойств!

Ж. Б. Шарден. Мальчик с волчком. 18 век.

Толкнём волчок, вращающийся против часовой стрелки в направлении, показанном на рисунке. Под воздействием приложенной силы он наклонится влево. Точка А при этом двигается вниз, а точка В вверх. Обе точки согласно закону инерции окажут сопротивление толчку, пытаясь вернуться в исходное положение. В результате возникнет прецессионная сила, направленная перпендикулярно направлению толчка. Волчок отвернёт влево под углом 90о по отношению к приложенной к нему силе. Если вращение происходило бы по часовой стрелке, он отвернул бы вправо под таким же углом

Если попытаться толкнуть вращающийся волчок, он качнётся и снова примет вертикальное положение. Более того, если его подбросить, то его ось всё равно сохранит своё направление. Это свойство волчка используется в технике.
На основе волчка созданы и гироскопические стабилизаторы. Быстро вращающийся диск препятствует изменению оси вращения, «гасит» качку на кораблях. Такие стабилизаторы используются также в вертолётах для стабилизации их равновесия по вертикали и горизонтали.

Гироскоп стал важнейшим элементом навигационных систем самолетов и морских судов.
В авиации применяется прибор, который называется авиагоризонт. Это гироскопический прибор, с помощью которого определяют углы крена и тангажа

Юла содержит механизм, в котором для раскручивания используется винтообразный осевой стержень. Во время испускания этого стержня вниз осуществляется винтовая передача.
Винтовая передача – механическая передача, преобразующая вращательное движении в поступательное или наоборот.

Винтовая передача состоит из винта и гайки.
Винтовые передачи делятся на:
•Передача скольжения
•Передачи качения
•Шариковинтовые передачи
•Роликовинтовые передачи качения

Передаточное отношение равно 𝐢= П𝐝 𝐏𝐢
d – диаметр окружности, по которой перемещается точка приложения силы

𝐏𝐢 - ход винта
𝐏𝐢 = PxN
P – шаг резьбы, N – число заходов резьбы.

У волчка есть «родственники». Это велосипед и винтовочная пуля. На первый взгляд они абсолютно разные. Что же их объединяет?
Каждое из колёс велосипеда можно рассматривать как волчок. Если колёса неподвижны, велосипед валится на бок. А если они катятся, то и он сохраняет равновесие.
А пуля, выпущенная из винтовки, также вертится в полёте, как и волчок. Она ведёт себя так, потому что в стволе винтовки сделаны винтовые нарезы. Проносясь по ним, пуля получает вращательное движение. И в воздухе она сохраняет то же положение, что и в стволе, острым концом вперёд. Точно так же вращаются и пушечные снаряды.

Читайте также: