Физика в игрушках неваляшка

Обновлено: 24.01.2025

Презентация проектно - исследовательской работы учащихся седьмого класса по физике. Исследование принципа действия игрушки неволяшки.

Просмотр содержимого документа
«Презентация проектно - исследовательской работы: "Физика в игрушке."»

Физика в игрушке НЕВАЛЯШКЕ

Авторы работы

учащиеся 7 «А» класса:

Мищенко Екатерина

Чичерина Мария

Фофанов Георгий

Мартишонок Анна

Цель работы:

Выяснить, каким физическим законам подчинено поведение этой игрушки.

1. Познакомиться с понятием центра тяжести тела и
правилами его нахождения.

2. Познакомиться с видами равновесия существующего в
природе.

3. Изучить историю появления игрушки «Неваляшки» в
России.

4. Изучить принципы работы игрушки «Неваляшки».

1. Знакомство с литературой и Интернет – источниками по
исследуемым вопросам.

2. Создание компьютерной презентации по результатам
выполненной работы.

3. Создание модели «Неваляшки» собственными руками.

Центр тяжести:

Центр тяжести – это точка, через которую при любом положении тела проходит линия действия его силы тяжести.

Центром тяжести твердого тела называется неизменно связанная с этим телом точка С, через которую проходит линия действия равнодействующей сил тяжести данного тела, при любом положении тела в пространстве.

Центр тяжести применяется при исследовании устойчивости положений равновесия тел и сплошных сред, находящихся под действием сил тяжести

Методы определения центра тяжести тел:

Метод симметрии. Если однородное тело имеет плоскость, ось или центр симметрии, то центр тяжести тела лежит соответственно в этой плоскости, на этой оси или в этом центре. Например, центр тяжести однородного круглого конуса лежит на его оси, а центр тяжести однородного шара — в его центре.

Метод группировки. Если тело можно разбить на конечное число таких частей, для каждой из которых положение центра тяжести известно, то координаты центра тяжести тела могут быть определены, и притом точно, непосредственно по формулам, если рассматривать в них:

координаты - й частицы тела; вес - й частицы тела,

а вес всего тела.

Виды равновесия:

Равновесие тела называют устойчивым, если при отклонении от него возникают силы, возвращающие тело в положение равновесия (рис. 1 положение 2). В устойчивом равновесии центр тяжести тела занимает самое низшее из всех близких положений. Положение устойчивого равновесия связано с минимумом потенциальной энергии по отношению ко всем близким соседним положениям тела.

Равновесие тела называют неустойчивым , если при самом незначительном отклонении от него равнодействующая действующих на тело сил вызывает дальнейшее отклонение тела от положения равновесия (рис. 1 положение 1). В положении неустойчивого равновесия высота центра тяжести максимальна и потенциальная энергия максимальна по отношению к другим близким положениям тела.

Равновесие, при котором смещение тела в любом направлении не вызывает изменения действующих на него сил и равновесие тела сохраняется, называют безразличным (рис. 1 положение 3). Безразличное равновесие связано с неизменной потенциальной энергией всех близких состояний, и высота центра тяжести одинакова во всех достаточно близких положениях.

Неустойчивое

Безразличное

Тело, имеющее ось вращения (например, однородная линейка, которая может вращаться вокруг оси, проходящей через точку О, изображенная на рисунке 2), находится в равновесии, если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, проходит через ось вращения. Причем если центр тяжести С выше оси вращения (рис. 2,1), то при любом отклонении от положения равновесия потенциальная энергия уменьшается и момент силы тяжести относительно оси О отклоняет тело дальше от положения равновесия. Это неустойчивое положение равновесия. Если центр тяжести находится ниже оси вращения (рис. 2,2), то равновесие устойчивое. Если центр тяжести и ось вращения совпадают (рис. 2,3), то положение равновесия безразличное.

Тело, имеющее площадь опоры, находится в равновесии, в том случае, если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, не выходит за пределы площади опоры этого тела. То есть за пределы контура образованного точками соприкосновения тела с опорой. Равновесие в этом случае зависит не только от расстояния между центром тяжести и опорой (т.е. от его потенциальной энергии в гравитационном поле Земли), но и от расположения и размеров площади опоры этого тела. На рисунке 2 изображено тело, имеющее форму цилиндра. Если его наклонить на малый угол, то оно возвратится в исходное положение 1 или 2. Если же его отклонить на угол (положение 3), то тело опрокинется. При заданной массе и площади опоры, устойчивость тела тем выше, чем ниже расположен его центр тяжести. То есть чем меньше угол между прямой, соединяющей центр тяжести тела и крайнюю точку соприкосновения площади опоры с горизонтальной плоскостью.

Принцип действия НЕВАЛЯШКИ:

Неваляшка является примером гениальной инженерной конструкции. Это конструкторское решение используется в судостроении. В чем суть этой конструкции? Мы знаем, что тело имеет устойчивое положение при условии, когда точка опоры находится выше центра тяжести. В неваляшке все наоборот, но свалить ее нельзя, она упорно возвращается в вертикальное положение. Дело в том, что форма нижней части и груза выбрана так, что при наклоне точка опоры смещается в сторону наклона, и между векторами силы тяжести и реакции опоры начинают действовать через рычаг, неваляшка стремится занять такое положение, когда эти векторы совпадут по линии между точкой опоры и центром тяжести. Это возможно только при вертикальном положении неваляшки. У кораблей и судов центр тяжести всегда выше центра давления (опоры), но они сохраняют остойчивость даже при значительном крене корпуса, здесь тоже действует принцип неваляшки .

Представлена работа, в которой рассмотрены теоретические вопросы статики тела и модели неваляшек изготовленных самостоятельно обучающейся.

Просмотр содержимого документа
«Исследовательская работа "Неваляшка"»

ОБЛАСТНАЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ЮНОСТЬ ПОМОРЬЯ»

Направление: физика

Физическая природа игрушек

Исследовательская работа

Выполнена ученицей 9 «А» класса муниципального

бюджетного образовательного учреждения «Средняя

школа №3 города Няндома»,

Мельниковой Елизаветой Максимовной

Научный руководитель – учитель физики муниципального бюджетного образовательного учреждения

«Средняя школа №3 города Няндома»,

Соколова Татьяна Анатольевна

г. Архангельск, 2018

Глава I. О центре тяжести и условии равновесия………………………………………….. 4

1.2. Условие равновесия твёрдых тел………………………………………………….. 4

Глава II. Модели игрушек со смещённым центром тяжести………………………………..6

2.1. Анализ опроса обучающихся 9-11 классов ………………………………………..6

2.2.Из истории появления неваляшки ………………………………………………….6

2.3.Устройство неваляшки и изготовление её модели…………………………………7

Приложение 1А. Условие равновесия тела…………………………………………………. 11

Приложение 1Б Предел устойчивости тела………………………………………………….11

Приложение 1В Устойчивое равновесие……………………………………………………..11

Приложение 1Г Неустойчивое равновесие…………………………………………………. 11

Приложение 2А Безразличное равновесие……………………………………………………12

Приложение 2Б Модели неваляшек………………………………………………………..…12

Приложение 2В Балансирующая балерина…………………………………………………. 12

Приложение 3А Весёлый пильщик……………………………………………………………13

Приложение 3Б Игрушка перевёртыш………………………………………………………. 13

Приложение 3В Результаты анкетирования………………………………………………..…13

Старые, добрые и преданные друзья детства…

Я люблю Новый год. Люблю всей семьёй наряжать ёлку, разбирать новогодние игрушки. Как обычно, в декабре мы достали коробку с игрушками, и моё внимание привлёк необычный Дед Мороз. Почему я не видела его раньше? Мама сказала: «Он какой-то с дефектом. Должен качаться, как неваляшка, но у него это не получается, видимо, сломался». Я удивилась: что может сломаться в неваляшке? Может быть, всё дело в устройстве игрушки? А может быть, в законах физики? Я захотела решить эту проблему: изучить устройство неваляшки и выяснить физическую природу данной игрушки.

Чак Паланик сказал: «В мире нет ничего особенного. Никакого волшебства. Только физика». [5] Значит, эта наука является основой для объяснения многих окружающих нас явлений.

Детство невозможно представить без игрушек. Именно через них ребенок познаёт природу вещей, начинает познавать мир, готовится к взрослой жизни. Игрушки – это не просто развлечение. В настоящее время игрушки высокотехнологичны, их использование предполагает выполнения определённого алгоритма, который не заставляет задуматься. Но ведь в игре у ребенка формируется познавательная активность. В этом и состоит актуальность темы нашей исследовательской работы. Я убеждена, что данная тема интересна не мне одной. Ведь физики тоже любят играть!

Целью моего исследования является изучение принципа работы неваляшки. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Изучить научную литературу по теме исследования.

Провести опрос среди обучающихся 9-11 классов.

Предложить возможные варианты игрушек, принцип работы которых аналогичен принципу работы неваляшки.

Объектом исследования является физика детских игрушек.

Предмет исследования: устройство и принцип действия неваляшки.

Методы исследования: 1. Анализ используемой литературы

3. Анализ полученных результатов

По данной теме существует много научной литературы: статей, лекций, интернет-ресурсов. Некоторые из них я использовала в своем исследовании 3. Практическое значение работы: подготовленный материал может быть использован на уроках физики, занятиях элективного курса и кружка по физике с целью усиления познавательного интереса к предмету и его практической направленности.

ГЛАВА I. О ЦЕНТРЕ ТЯЖЕСТИ И УСЛОВИИ РАВНОВЕСИЯ

1.1. Центр тяжести

Знакомясь с литературой по данному вопросу, я поняла, что неваляшка – это игрушка со смещённым центром тяжести. Значит, изучение надо начать со знакомства с этим понятием. Что же такое центр тяжести? Первым это понятие ввёл Архимед, формулируя его так: «. центром тяжести некоторого тела является некоторая расположенная внутри него точка, обладающая тем свойством, что если за нее мысленно подвесить тяжелое тело, то оно останется в покое и сохранит первоначальное положение». В более современном определении сказано, что центр тяжести – это такая точка приложения равнодействующей сил тяжести, действующих на все части тела, которая не изменяет своего положения при любых переворотах тела.[1]

1.2. Условие равновесия твёрдых тел

Кроме понятия центра тяжести, надо выяснить, при каких условиях тело находится в равновесии. Физическое понятие равновесия – состояние неподвижности, покоя, в котором находится какое-либо тело. Из второго закона Ньютона следует, что если геометрическая сумма всех внешних сил, приложенных к телу, равна нулю, то тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. В этом случае принято говорить, что силы, приложенные к телу, уравновешивают друг друга. Если же действующие на тело силы не компенсируют друг друга, то появляется равнодействующая сил, изменяющая движение или положение тела. [1]

Особым случаем является равновесие тела на опоре. В этом случае упругая сила опоры приложена не к одной точке, а распределена по основанию тела. Тело находится в равновесии, если вертикальная линия, проведенная через центр масс тела, проходит через площадь опоры. Если же эта линия не пересекает площадь опоры, то тело опрокидывается (Приложение 1А).

Предел устойчивости тела, стоящего на наклонной плоскости, удобно оценивать углом наклона. Предельный угол наклона можно определить геометрически:tgα = 2h / L, где L – длина опоры, h – высота центра тяжести над опорой. (Приложение 1Б). Чем больше L, тем ниже располагается центр тяжести тела, т.е. чем меньше h, тем устойчивей тело на опоре. Значит, можно сделать вывод, что наиболее устойчиво то тело, у которого площадь опоры больше и центр тяжести расположен ниже, так как его можно отклонить без опрокидывания на больший угол.

1.3. Виды равновесия.

Существуют три вида равновесия: устойчивое, неустойчивое, безразличное. Устойчивое равновесие. Если попытаться вывести тело из состояния устойчивого равновесия, то обязательно возникнет сила, возвращающая его в исходное равновесное состояние. Шарик на дне чаши находится в единственном состоянии устойчивого равновесия. В этом положении линия, соединяющая точку опоры и центр тяжести тела, вертикальна (Приложение 1В).

Неустойчивое равновесие. Если чуть-чуть сдвинуть или отклонить тело, находящееся в состоянии неустойчивого равновесия, то возникает сила, стремящаяся ещё больше отклонить его от равновесного состояния (Приложение 1Г).

Безразличное равновесие. При любых малых отклонениях тела от положения равновесия равновесие не нарушается (Приложение 2А).

ГЛАВА II. МОДЕЛИ ИГРУШЕК СО СМЕЩЕННЫМ ЦЕНТРОМ ТЯЖЕСТИ

2.1.Анализ опроса обучающихся 9-11 классов

Я решила выяснить, какие игрушки «с загадкой» были в детстве у старшеклассников нашей школы, хотелось ли им посмотреть, что у игрушек внутри, какая наука помогает понять как «работают» игрушки и для чего они предназначены? В опросе приняли участие 100 обучающихся 9-11 классов.

Результаты анкеты оказались очень интересными. (Приложение 3) Как показали ответы, ребятам интересны игрушки с загадкой (75%). Однако 8% старшеклассников не смогли вспомнить своих детских игрушек! Среди названных игрушек были юла и машинки на пульте, головоломки и конструкторы, ребята упоминали даже йо-йо, но лидировали …неваляшки (32%). Учащиеся написали, что им было интересно узнать, что у игрушек внутри. Большинство опрошенных считают, что основным предметом, объясняющим работу игрушек, является физика. И главное: игрушка должна развивать ребёнка. А для этого нужны знания по физике.

2.1. Из истории появления неваляшки

Если легенды правдивы, то история неваляшки начинается в VI веке нашей эры. Именно тогда в Китае жил монах индийского происхождения по имени Бодхидхарма. В монастыре Шаолинь он основал буддийскую секту «чань» (в Японии – «дзэн»). Ради достижения наивысшего просветления монах на протяжении девяти лет сидел в одной позе, предаваясь размышлениям и молитвам. В результате Бодхидхарма потерял силу рук и ног. Поступок монаха оценили японцы, которые стали воспринимать его как некое божественное существо без ног и рук. Так в Японии появились первые Дарумы – неваляшки, не имеющие рук и ног. Обычно японская неваляшка раскрашена в красный цвет – это традиционный цвет одежды буддийских священнослужителей. По традиции глазницы Дарумы пустые (по легенде монах потерял не только ноги руки, но и зрение). Неваляшка также считается символом стойкости и выносливости.

Первые русские деревянные неваляшки появились на ярмарках в начале XIX века. Тогда их называли «кувырканами». «Кувырканы» изображались в виде богатых купцов, разодетых в роскошные одеяния, а также клоунов (скоморохов). Неваляшек вырезали ножом из липы или точили из дерева на токарном станке. Сначала делали две половинки. Снизу, внутри круглой деревянной болванки, расположенной у основания куклы, закрепляли грузик. Именно он и не даёт игрушке упасть, лечь, поддерживая его равновесие. Потом две половинки аккуратно склеивали, расписывали неваляшку красками, сушили и покрывали лаком. Внутри подвешивали маленький бубенчик, и при качании раздавался мелодичный перезвон. На Руси неваляшек ещё называли Ваньками-встаньками. [7]

2.2 Устройство 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.

Первую неваляшку я изготовила из капсулы киндер-сюрприза. Для этого в одну из частей капсулы я поместила несколько гаек и залили их расплавленным воском. Затем закрыли капсулу, дали воску застыть и украсили получившуюся игрушку. (Приложение 2Б)

Вторую модель я выполнила из куриного яйца. Сделала в нём небольшое отверстие, вылила содержимое и дала скорлупе высохнуть. Затем осторожно поместила туда небольшой груз и залила его воском.

Чтобы ещё раз убедиться, что равновесие тела зависит от положения центра тяжести по отношению к точке опоры, я сделала еще одну неваляшку, но налила в неё больше расплавленного воска. Равновесие этой игрушки оказалось не таким устойчивым. Причина такого поведения игрушки – смещение центра тяжести.

Изготовление неваляшек из скорлупы яиц оказалось несложным, так как сместить центр тяжести вниз легко. Затем я решила проверить, легко ли сделать неваляшку из более тяжёлых предметов? Поэтому для изготовления четвёртой модели я взяла два детских резиновых мяча. Они имеют большую, по сравнению с первыми моделями, массу, а значит, для устойчивого равновесия грузило должно быть тяжёлое. Поэтому для реализации этого я использовала роликовый подшипник и металлический шар. В большой мяч поместили тяжёлый груз и зафиксировали его с помощью алебастра, так как он позволяет ещё больше утяжелить нижнюю часть игрушки для устойчивого равновесия. Здесь важно не сделать уровень алебастра высоко, так как это приведёт к подъёму центра тяжести и, как следствие, игрушка будет иметь неустойчивое равновесие. Затем присоединили при помощи клея верхний мяч. Неваляшка получилась.

2.3.1.Балансирующая балерина.(Приложение 2В)

Читая литературу по интересующему меня вопросу, я нашла описание других игрушек со смещённым центром тяжести и решила их изготовить.

В 7 классе на уроках физики мы узнали, что каждое тело имеет центр тяжести. У предмета правильной формы центр тяжести находится в центре. А как определить центр тяжести плоской фигуры неправильной формы, например, балерины? Я решила сама смастерить такую игрушку и определить её центр тяжести. Для этого вырезала из картона фигурку и проколола ее в нескольких местах вблизи края отверстия. В пробку, закреплённую в штативе, я воткнула иголку и повесила на ней фигурку балерины за центральное отверстие (при этом она свободно качалась). Потом сделала отвес и поместила его на ту же иглу. Провела линию, которая совпала с нитью. Затем всё повторила, подвесив предмет за другое отверстие. Так проделала несколько раз. Точка пересечения линий должна была показать положение центра тяжести балерины. Я положила фигурку центром тяжести на острие ножниц, и она удержалась в равновесном состоянии. Я попыталась поставить балерину вертикально, но она упала, так как центр тяжести находился выше точки опоры. Чтобы «заставить» балерину балансировать, надо было сместить центр тяжести ниже точки опоры. С этой целью я прикрепила к ногам балерины проволочку, к которой прикрепила несколько шайбочек. Получилась очень грациозная балерина – она балансировала на штативе. А все потому, что у игрушки смещён центр тяжести. И основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой. Это и позволяет балерине стоять и не падать.

2.3.2.Весёлый пильщик[4]

Мой пильщик сделан из пробки, в которую воткнуты две спички- ноги и спичка - шея; на шею насажена голова. Картонные руки приклеены к туловищу. Я согнула под прямым углом концы толстой проволоки, длиной 50 см. По 5 см загнула с каждого конца. Один конец пропустила сквозь туловище пильщика, другой – сквозь тяжелый груз (кусок пластилина). Поставила пильщика на край стола, противоположный тому, у которого сидят зрители, чтобы скрыть от них нижний конец проволоки с грузом. Пильщик стоял на ногах совершенно прямо. Легким толчком я заставила его раскачиваться так, чтобы проволока не прикасалась к краю стола. И он стал равномерно покачиваться то вперед, то назад, совсем как настоящий пильщик! Я приклеила вдоль вертикальной части проволоки зубчатую полоску бумаги. Зубцы этой бумажной пилы вошли в прорез, сделанный в дощечке, на которую мы и поставили пильщика. Моим одноклассникам показалось, что пильщик действительно пилит эту дощечку. (Приложение 3А) Как только мы смещали груз вдоль проволоки, равновесие игрушки нарушалось по мере поднятия груза. Происходит это всё по той же причине – в результате смещения центра тяжести тела.

2.3.3. Игрушка перевёртыш Ванька-встанька

Ещё в интернете[7] я нашла описание игрушки-перевёртыша Ваньки-встаньки. Внутри игрушки находится незафиксированный груз, который при наклоне смещается вниз, а значит, и центр тяжести смещается тоже. Это заставляет игрушку перевернуться. Я смастерила ее из футляра от киндер-сюрприза, а внутрь поместили шарик. Чтобы Ванька-встанька не отклонялся в сторону, поместила его в коробку. (Приложение 3Б )

Знакомство человека с окружающим миром начинается с общения с яркими и красивыми игрушками. Мир современных игрушек безграничен – они вращаются, движутся, звучат, светятся. Но главная их роль заключается в том, что игрушки должны развивать ребёнка, расширять его кругозор, побуждать желание узнать новое, непонятное. А физика как никакая другая наука помогает в этом. Мои слова подтверждают результаты анкеты, проведённой среди обучающихся 9-11 классов. Опрашиваемые также считают, что игрушки должны развивать интеллект, расширять кругозор и др.

В результате исследования я изучила принцип работы неваляшки. В его основе лежат строгие понятия и законы физики: центр тяжести, второй закон Ньютона, условия равновесия тела. Эти знания помогли нам самостоятельно смастерить эти замечательные игрушки.

Сейчас я знаю, что у нашего Деда Мороза центр тяжести немного смещён в сторону, поэтому он ведёт себя так необычно.

Изготовление своими руками игрушек на основе физических законов является интересным и увлекательным занятием. С их помощью можно показывать физические фокусы, развлекать и занимать друзей. Для этого подойдёт очень простой цилиндр, в котором грузило смещено на боковую сторону, что заставляет его катиться не под горку, а … в горку! Или необычные капсулы из-под лекарств, которые изготовлены по принципу неваляшки.

В следующем учебном году я хочу продолжить эту работу. И объектом моего исследования станет спиннер – современная игрушка для людей разного возраста. Ведь все любят играть, а не только физики!

Просмотр содержимого документа
«Презентация проектно - исследовательской работы: "Физика в игрушке."»

Физика в игрушке НЕВАЛЯШКЕ

Авторы работы

учащиеся 7 «А» класса:

Мищенко Екатерина

Чичерина Мария

Фофанов Георгий

Мартишонок Анна

Цель работы:

Выяснить, каким физическим законам подчинено поведение этой игрушки.

1. Познакомиться с понятием центра тяжести тела и
правилами его нахождения.

2. Познакомиться с видами равновесия существующего в
природе.

3. Изучить историю появления игрушки «Неваляшки» в
России.

4. Изучить принципы работы игрушки «Неваляшки».

1. Знакомство с литературой и Интернет – источниками по
исследуемым вопросам.

2. Создание компьютерной презентации по результатам
выполненной работы.

3. Создание модели «Неваляшки» собственными руками.

Центр тяжести:

Центр тяжести – это точка, через которую при любом положении тела проходит линия действия его силы тяжести.

Методы определения центра тяжести тел:

координаты - й частицы тела; вес - й частицы тела,

а вес всего тела.

Виды равновесия:

Неустойчивое

Безразличное

Принцип действия НЕВАЛЯШКИ:

В работе рассматривается физические законы и явления и принцип работы некоторых детских игрушек.

Вложение	Размер
rabota_samsonova_milana.docx	55.64 КБ

Предварительный просмотр:

Всероссийская школьная конференция

учебно-исследовательских и проектных работ

«Мир науки и творчества»

ТЕМА: ФИЗИКА В ИГРУШКАХ

учащегося 4 «Е» класса

МОУ «Средняя общеобразовательная школа №55»

Васильева Елена Николаевна

«Первые шаги в науку» - физика

Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы …………………………………………………

Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести ……………………………………….

С самого рождения нас окружают игрушки, начиная с красочной звонкой погремушки. Позднее нам хочется общаться с другими игрушками. Наверное, каждый из нас задумывался хоть раз, как работает та или иная игрушка. Многие от любопытства даже разбирали их.

Актуальность данной темы состоит в том, что детство было у каждого и интерес к строению поющей, либо просто движущейся игрушки не уменьшается с возрастом. Когда ты сам еще маленький, ты не задумываешься над тем, почему все это работает: почему юла вращается, самолет летит, почему двигается робот… Я не раз замечал, наблюдая за игрой младшего брата, как он пытается разобрать игрушку, узнать, что внутри. Дети взрослеют, и меняются их взгляды на вещи. Их уже интересуют механизмы, находящиеся в игрушках.

Цель работы: рассмотреть применение физических явлений и законов в практической деятельности человека на примере создания детских игрушек.

Объект исследования - детские игрушки, которые помогают маленькому человеку познавать окружающий мир.

1. Классифицировать игрушки по принципу действия.

2. Объяснить принцип действия игрушек на основе законов физики.

3. Провести опыты, сделать выводы.

4. Провести исследование среди моих одноклассников.

5. Познакомить с принципом работы некоторых игрушек учащихся 4-х классов нашей школы.

Гипотеза: предположим, что в основе действия любой игрушки лежат физические законы.

Методы исследования: изучение источников информации (книги, статьи, сайты), наблюдение, эксперимент, сравнение, анализ.

Основная часть

Классификация игрушек

Игрушки во все исторические эпохи были связаны с игрой – ведущей деятельностью, в которой формируется типичный облик ребенка: ум, физические и нравственные качества. Игрушки помогали ребенку развиваться и учиться.

Почти все знакомые нам игрушки можно объединить в определённые группы на основе принципа их работы.

Погремушки, дудочки, бубен, барабан, пищащие игрушки, говорящие куклы

основано на существовании архимедовой силы и атмосферного давления

Надувные «спасательные» круги, кораблики, лодочки, резиновые (полые) игрушки - уточки, лягушки и т.д., водяные пистолеты

основано на различном положении центра тяжести

Кукла-неваляшка, кукла, с закрывающимися глазами, клоун на проволоке

Машины, зверюшки, железная дорога, заводная лодочка с гребцом

Электрическая железная дорога,

электрические автомобили, роботы, детский телефон, игра “Рыболов”, магнитные шашки и шахматы

Игрушки, действие которых основано на законах оптики

Калейдоскоп, детские бинокли и подзорные трубы, детские фотоаппараты и камеры.

Я хочу рассказать об устройстве и действии некоторых из них.

1.2 Звуковые игрушки

Как большой сидит Андрюшка

На ковре перед крыльцом

У него в руках игрушка –

Погремушка с бубенцом.

Мальчик смотрит - что за чудо?

Мальчик очень удивлен,

Не поймет он: ну откуда

Раздается этот звон.

Самой первой игрушкой, которую ребенок берет в руки, является погремушка. Она относится к звуковым игрушкам. Что же такое звук? Звук – это колебания, которые распространяются в окружающей среде. Человек, воспринимает звуки, частота которых колеблется от 16 до 20 колебаний в секунду [4]. Внутри погремушки находятся шарики, бусинки, которые ударяясь о ее стенки, вызывают колебания. Эти колебания передаются окружающему воздуху и распространяются в нем. Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук.

Мы растем, и у нас появляются другие игрушки: бубны, различного рода свистульки, барабаны, свирели. Их принцип действия такой же, как и у погремушки.

Затем появляются «говорящие» куклы, но их устройство более сложное. Внутри игрушки находится кожаная коробочка с отверстиями. При наклоне куклы грузик, находящийся в коробочке, падает, заставляя воздух в ней сжиматься и выходить в отверстия. Колебания воздуха сопровождаются звуком.

1.3. Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы

Когда ребенок начинает ползать или ходить, он знакомится с другой простейшей игрушкой – мячом. Каждый малыш знает стихотворение А.Л. Барто:

Наша Таня громко плачет:

Уронила в речку мячик.

- Тише, Танечка не плачь:

Не утонет в речке мяч.

Так почему же мяч не тонет?

Оказывается, на него действует со стороны воды выталкивающая или архимедова сила (она была открыта древнегреческим ученым Архимедом). Если сила тяжести тела больше выталкивающей силы, то тело тонет. Если выталкивающая сила равна силе тяжести, то тело плавает. Если выталкивающая сила больше силы тяжести тела, то тело всплывает [1].

Выталкивающая сила зависит от объема тела.

Опыт 1. Прикрепим груз к пружине, пружина растянется. Опустим пружину с грузом в жидкость, пружина начнет сжиматься. Это происходит потому, что на груз со стороны воды действует выталкивающая или архимедова сила. В результате вес груза в жидкости уменьшается. Если к динамометру подвесить груз меньшего объёма, то длина пружины уменьшится на меньшую величину.

Так же она зависит от плотности жидкости.

Опыт 2. Опустим в сосуд с водой яйцо – оно тонет. Будем подсыпать в воду соль. По мере увеличения солёности воды яйцо всплывает. Таким образом, мы убедились, что выталкивающая сила зависит от объема тела и плотности жидкости.

На этом принципе основаны плавающие игрушки: кораблики, уточки, спасательные круги, жилеты, надувные матрасы.

К трем годам, у ребенка появляется интерес к различным механическим игрушкам. Самая простая из них – юла – древнейшая народная игрушка. Жжж-жи! Вот запустили волчок! Мы любуемся его кружением, удивляемся его устойчивости, и нам, конечно, хочется разгадать его тайну. Почему неподвижный волчок не может стоять на острие своей оси, а приведи его в быстрое движение – и, словно перед тобой совсем другой предмет, он стойко держится, вращаясь вокруг вертикальной оси? Мало того, волчок упорно сопротивляется попыткам вывести его из этого положения. Попытайтесь, толкнув его, вывести волчок из вертикального положения, опрокинуть, но волчок после толчка отскакивает в сторону и продолжает кружиться, описывая своей осью коническую поверхность.

В чем причина такой устойчивости вращения? Она тоже связана с одним из физических законов – законом сохранения момента количества движения. В этом и состоит секрет устойчивости волчка, а само это свойство сохранения устойчивости при вращении называют гироскопическим свойством. (Гироскоп – от греческого «гирос» - круг, кольцо и «скопео» - смотреть.) [4]

1. 5. Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести

У каждого тела есть центр тяжести. Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри него точка - такая, что если за неё мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение. Стоящий предмет не опрокидывается только тогда, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри основания предмета [1].

Опыт 3. Этажерка стоит, так как отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит через основание. Начнем наклонять этажерку, и пока отвесная линия будет проходить через основание, этажерка будет находиться в устойчивом положении. Как только отвесная линия выйдет за основание - этажерка упадет.

Часто для того, чтобы придать телу более устойчивое положение, центр тяжести смещают ближе к основанию.

Теперь рассмотрим, в каких положениях равновесия может находиться шар, центр тяжести которого находится в его центре.

Рассмотрим шар, лежащий на горизонтальной поверхности (рис.1).

Рис. 1. Шар в безразличном равновесии

На него действуют две силы – сила тяжести, направленная вниз и сила реакции опоры, направленная вверх. Эти силы равны по величине, направлены в противоположные стороны, уравновешивают друг друга. В этом случае, шар находится в состоянии безразличного равновесия [4].

Рассмотрим положение шара на вогнутой поверхности. Если шар находится в нижней точке, то на него также действуют две силы, и он находится в состоянии равновесия. Выведем шар из этого положения. На него опять действуют сила тяжести и сила реакции опоры, направленная под углом 90°. В результате возникает третья сила, возвращающая шар в положение равновесия. Такое положение называется устойчивым (рис. 2).

Рис. 2. Шарик в состоянии устойчивого равновесия

Если поместить тело на выпуклую поверхность и отклонить его на некоторый угол, на него также действует сила тяжести и сила реакции опоры,

но в результате сложения этих сил, возникает сила, уводящая тело от положения равновесия. Это равновесие называется неустойчивым (рис.3).

Рис. 3. Шарик, лежащий на выпуклой поверхности

Устройство и принцип работы неваляшки

Неваляшка появилась в России не так давно. Историки считают, что неваляшка пришла к нам из Японии. Эти завезённые в Россию куклы стали прообразом известной игрушки Ванька-встанька. Первые русские неваляшки, появившиеся на ярмарках в начале XIX века, назывались "кувырканами", они изображали купцов или клоунов. Такого Ваньку вытачивали на токарном станке из липы, в нижнюю часть вставляли свинцовый груз и раскрашивали яркими красками [3].

Неваляшка устроена так, что обладает положением устойчивого равновесия. Во-первых, центр тяжести ее смещен ближе к основанию, т.к. полый нижний шар заполняется чем-то тяжелым. Во-вторых, при выведении ее из положения равновесия, возникает сила, которая возвращает ее в устойчивое положение [4].

Я предложил своим одноклассникам ответить на вопросы анкеты (приложение). Было опрошено 27 человек. Результаты показаны на диаграммах.

Любимые детские игрушки

Если ты в детстве разбирал игрушки, то для чего ты это делал?

Из диаграммы видно, что самыми любимыми у моих одноклассников были плавающие игрушки. Большинство из опрошенных учеников разбирали в детстве игрушку, чтобы изучить ее внутреннее строение (11 чел.) или, чтобы понять принцип ее работы (11 чел.). Я не предполагал, что столько людей ещё в детстве интересовались этим. 3 человека злоупотребляли добротой своих родителей и ломали игрушки, чтобы получить новые в подарок. Некоторым ученикам (2 чел.) игрушки просто не нравились, и они не видели другого выхода, как сломать её.

В ходе проведенного исследования гипотеза подтвердилась. Нам удалось показать устройство игрушек, опираясь на физические законы и явления, практические опыты.

В практической части своей работы, проведя анкетирование одноклассников, мне удалось доказать, что дети с самого раннего детства проявляют любопытство и интерес к устройству и работе разных механизмов.

При выполнении этой исследовательской работы я узнал много нового, заинтересовался изучением физики и смог заинтересовать других ребят.

В дальнейшем, мне бы хотелось изучить принцип работы других детских игрушек и физические законы, лежащие в их основе, а так же принцип действия интерактивных игрушек, которые появляются в современном обществе.

У кого в детстве не было игрушки-неваляшки? Наверняка каждый хотя бы раз задавал себе вопрос о том, как она устроена и почему постоянно возвращается в исходное положение, если ее наклонить. Далеко не каждый в детстве отваживался сломать неваляшку даже при всем своем интересе. А те, кто на это все-таки пошел в силу возраста и отсутствия специфических знаний, едва ли смогли понять, как именно работает игрушка. Что ж, самое время восполнить данный пробел и во всем разобраться.

На просторах сети бытует популярная вики-легенда о том, что неваляшка пришла в Россию из Японии. На самом деле судить, откуда именно взялся Ванька-встанька – достаточно сложно. Согласиться можно главным образом с тем, что широкое распространение неваляшки в России получили в XIX веке. Тем не менее, игрушка эта достаточно старая. Свои неваляшки были в Японии – это действительно так, однако встречаются они и в других странах от Китая до Испании. Все потому, что в действительности игрушка эта достаточно простая.

Существует несколько основных видов внутреннего устройства данной игрушки, однако в основе всех их лежит один и тот же принцип: неваляшка – это тело со смещенным центром тяжести. Как известно из курса физики, любое тело имеет устойчивое положение только в том случае, когда центр его тяжести находится ниже точки опоры. В неваляшке все строго наоборот: точка опоры в ней ниже центра тяжести. Достигается это при помощи круглой формы игрушки и установки груза в нужно месте.

Работает все это предельно просто: когда ты наклоняешь неваляшку, то ее точка опоры закономерным образом смещается в сторону наклона. Однако, центр тяжести при этом не меняется и между реакцией опоры и вектором силы тяжести начинает действовать сила, которая стремится вернуть игрушку в начальное положение. Даже если кажется, что звучит все это сложно, стоит понимать – технология крайне простая. Более того, известна она была во всех развитых обществах с древних времен. Эта же технология самым широким образом применяется в судостроении, при обеспечении устойчивости борта судна.

М - центр массы. P - точка опоры тела. Зеленая стрелка - вектор опоры. Синяя стрелка - вектор центра массы. Красные стрелки - направление изменения положения неваляшки и вектора опоры, вслед за изменением точки опоры.

Так что самое главное, что есть внутри полости неваляшки – это противовес, который тянет игрушку обратно. Если кто-то разбирал советскую модель игрушки, то он должен был увидеть там загадочные спицы и плоский грузик, подвешенный на металлическом стержне. Данная система нужна в советской неваляшке лишь для того, чтобы она звенела при смене своего положения в пространстве.

Возвращаясь непосредственно к устройству, стоит отметить, что способов заставить неваляшку работать в физике очень много. Тем не менее чаще всего используется одна из пяти наиболее популярных схем. Первая – это установка медного груза правильной формы и массы на выгнутое дно игрушки. Вторая – это помещение в неваляшку катающегося внутри шара и установка в ней стенки-перегородки, которая удерживает шарик строго в нижней половине «тела». Третья – это установка груза на подвижном гибком шарнире. Такая схема хороша тем, что неваляшка может совершать дополнительные круговые движения. Третья схема – это помещение внутрь ваньки-встаньки специальной спирали с катающими по ней металлическими шариками. Четвертая схема – установка ампулы с ферримагнитной жидкостью, которая перетекает не только под действием силы тяжести, но также под влиянием магнита, висящего над ней.

Если хочется узнать еще больше интересного, то стоит почитать про нестандартные елки : идеи, которые легко воплотить в жизнь из подручных средств.

Читайте также: