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

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение………......................................................................................................................... 3

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

1.1. Центр тяжести……………………………………………………………………….4

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

1.3. Виды равновесия……………………………………………………………………..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

2.3. 1.Балансирующая балерина…………………………………………………………7

2.3.2.Весёлый пильщик…………………………………………………………………...8

2.3.3. Игрушка-перевёртыш……………………………………………………………...8

Заключение ……………………………………………………………………………………...9

Библиографический список ……………………………………………………………………10

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

ВВЕДЕНИЕ

Старые, добрые и преданные друзья детства…

Наши игрушки…

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:

1. Изучить научную литературу по теме исследования.

2. Провести опрос среди обучающихся 9-11 классов.

3. 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

2. Эксперимент

3. Анализ полученных результатов

По данной теме существует много научной литературы: статей, лекций, интернет-ресурсов. Некоторые из них я использовала в своем исследовании [1-9]. 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 )

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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!

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Элементарная физика./Под редакцией Ландсберг Г. С. М: Физматлит,2016. 612с.

2. Беседы по физике./Блудов М. И.М:Просвещение,1974.266с

3. Первая научная лаборатория : опыты, эксперименты, фокусы и беседы ./ А. И. Шапиро. - Москва : Сфера: Образовательные проекты, 2016. - 124 с.

4. Забавная физика./ Гальперштейн Л.Я. М:Детская литература, 1994. -256 с.

Интернет-ресурсы

1. https://fis.wikireading.ru/3828

2. http://fb.ru/article/175553/opisanie-kuklyi-vanka-vstanka-mojet-byit-raznyim-tak-kak-ona-predstavlena-vo-mnojestve-obrazov

3. https://mybook.ru/author/chak-palanik/dnevnik-1/citations/

4. http://www.t-z-n.ru/archives/tit.pdf

5. http://www.maam.ru/detskijsad/igrushka-perev-rtysh-vanka-vstanka-yefektivno-aktiviziruet-rech-malyshei-2-3-let.html

ПРИЛОЖЕНИЕ 1А

Условие равновесия тела

Стоит Стоит Опрокидывается

ПРИЛОЖЕНИЕ 1Б

Предел устойчивости тела

ПРИЛОЖЕНИЕ 1В

Устойчивое равновесие

ПРИЛОЖЕНИЕ 1Г

Неустойчивое равновесие

ПРИЛОЖЕНИЕ 2А

Безразличное равновесие

ПРИЛОЖЕНИЕ 2Б

Модели неваляшек

ПРИЛОЖЕНИЕ 2В

Балансирующая балерина

ПРИЛОЖЕНИЕ 3А

Весёлый пильщик

ПРИЛОЖЕНИЕ 3Б

Игрушка перевёртыш

ПРИЛОЖЕНИЕ 3В

Результаты анкетирования

14