Биомеханика в жизни кошки

Детская областная общественная организация

«Научное общество учащихся «Поиск»

МБОУ «Кормиловская СОШ» №1

Заочная научно-практическая конференция учащихся

«Первый шаг»

Тема: «Биомеханика в жизни кошки»

Учебно-исследовательская работа

Научное направление: физика

Выполнила:
Тарабанова Мария

7Б

МБОУ «Кормиловская СОШ» №1

Научный руководитель:
Прокудина Надежда

Владимировна

Учитель физики

МБОУ «Кормиловская СОШ №1»

                                      р. п. Кормиловка, Омская область, 2018 г.

Оглавление

Аннотация                                                                                3

Введение                3

Глава 1. Кошка и биомеханика                5

Глава 2.  Механические характеристики кошки.                6

2.1. Измерение массы кошки                6

2.2. Измерение объёма кошки.                7

2. 3. Измерение плотности кошки                9

2.4. Измерение давления кошки на опору                9

Глава 3. Кинематика кошки                11

3.1.Измерение средней скорости кошки        11

3.2.Ускорение кошки        13

Заключение.                13

Список литературы и Интернет-ресурсов                14

Аннотация

Работа посвящена изучению биомеханики кошки и имеет прикладной характер. Исследованы теоретически виды механического движения в жизни кошки: равномерное, равноускоренное, колебательное, вращательное. Выделены такие виды рычагов в теле кошки, как рычаги равновесия, силы, скорости.

Практически исследованы механические характеристики кошки (масса, объём, плотность тела кошки, давление кошки на опору, средняя скорость, сила тяги механическая работа и мощность).

Введение

Актуальность работы. Характерной приметой нашего времени является взаимопроникновение различных наук, рождение комплексных отраслей знаний и их бурное развитие. Буквально на наших глазах возникли такие науки, как биофизика, бионика, биохимия. Биофизика - это наука о физических и физико-химических явлениях, протекающих в живых организмах и лежащих в основе жизненных процессов, а также о действии физических факторов на живые организмы.

Как объект исследований кошка всегда привлекала учёных.  Во многих научных трудах описана способность кошки приземляться на четыре лапы, что подтверждает закон сохранения момента импульса. Пазематология (от греческого «pasema» - падение), наука о падениях кошек, представляет интерес для медицины: раскрытие секретов кошачьей живучести могло бы помочь уменьшить травматизм человека.  Но полной картины о том, какие законы механики проявляются в жизни кошки, нет.

Предмет исследования: изучение биомеханики кошки.

Объект исследования: кошка Нюша.

Гипотеза: если исследовать виды механического движения и механические характеристикикошки, можно выяснить, какие законы механики проявляются в её жизни.

Цель работы: выяснить действие законов механики на кошку.

Задачи:

1.  Изучить литературу по биомеханике и выяснить, как законы механики связаны с кошкой;
2.   Исследовать некоторые механические характеристики кошки (масса,объём, плотность тела кошки,давление кошки на опору, средняя скорость, сила тяги, механическая работа, средняя мощность, развиваемой при беге и др.);
3.  Провести систематизацию связей, обобщить результаты исследования, выявить основные закономерностибиомеханики кошки.
4.  Методы исследования: классификация, моделирование, эксперимент, анализ и синтез, метод научной абстракции, метод биоиндикации. (наблюдение за поведением живых организмов или оценка их свойств).

Глава 1. Кошка и биомеханика

Кошка - совершенство природы. Кошкам нет равных в многообразии их физических возможностей. Туловище длинное и гибкое. Кости в сравнении с размерами животного не очень большие, отличаются плотностью и гибкостью, которую увеличивают не менее крепкие мышцы и сухожилия, довольно свободно соединяющие их. Именно последнее обстоятельство наделяет кошек неподражаемой грацией и изяществом движений.

Они владеют такими приемами, как прыжки, лазанье, ползание, акробатика, умение сжиматься, молниеносно реагировать и замедленно двигаться. Люди, у которых есть кошки, живут дольше и менее подвержены стрессам и сердечным приступам [9].  Великий этолог Конрад Лоренц писал, что «некоторые животные демонстрируют свое настроение выражением морды, но никто из них так не преуспел в этом искусстве, как кошки» [6].

Биомеханика (bios - жизнь и mechanike - наука о машинах) характеризуется применением основных принципов механики, т.е. науки о механических движениях материальных тел и взаимодействиях, происходящих при этом между ними, к живым организмам. Основы биомеханики были заложены в глубокой древности (III-IV век до н.э.).  Архимед вывел закон о равновесии  плавающих тел, Аристотель и Демокрит пытались объяснить органическую жизнь с точки зрения атомизма. Галилей закладывает основы механики, Гарвей объясняет механизм кровообращения в организме животного и человека. Эти исследования стали источником идей сравнения живого организма с машинами, работающими по законам механики. Гук в конце XVI века формулирует закон механики о зависимости между деформацией и напряжением упругого тела, который лег в основу биомеханического объяснения работы  мышц .Джованни Борелли в 1679 году выпускает книгу по биомеханике «О движениях животных». Открытие Ньютоном законов механики завершило формирование базиса для биомеханических исследований.

Дальнейшее развитие биомеханики пошло по нескольким направлениям. Высотный синдром кошек был впервые описан в 1976 году доктором Гордоном Робинсоном, ветеринарным врачом нью-йоркского госпиталя ASPCA [1].

Глава 2.  Механические характеристики кошки.

2.1. Измерение массы кошки

Кости, мышцы, связки и сухожилия составляют основную часть массы тела кошки. Организм кошки состоит из различных тканей, но с точки зрения биомеханики рассматриваются только три основных компонента - жировая масса и мышечная масса, которая приблизительно на 70% состоит из воды. Таким образом, воду можно рассматривать как третий компонент, определяющий массу тела.

Массу кошки можно измерить, используя весы.

Поскольку весы электронные массу кошки сразу распознать они не могут, потому что вес маленький.

Поэтому:

1.  Вначале на весы встаю я. Записываю результат.
2.  После беру на руки кошку. Записываю результат.
3.  Из большего результата получаю меньший

4. Результаты измерений занесём в таблицу.

Таблица 1

Вывод: Таким образом, mкошки = 4 кг, причём 4*0,7≈2,8кг в организме кошки составляет вода (≈70%). Сравнение массы кошки Нюши массой кошек самой крупной породы Саванна(масса до 15 кг) и самой мелкой породыСкиф-тай-дон. (масса до 1,5 кг).

Масса кошки Нюши составляет 27% от максимальной массы кошек самой крупной породы Саванна, 100%от среднегозначения массы домашней кошки, и на 37.5% больше максимальной массы самой мелкой породыСкиф-тай-дон

2.2. Измерение объёма кошки.

Используя ведро в комнате, теплую воду, линейку, карандаш, определим объем кошки.

      1.Вычисли объем ведра. (обычно он написан на ведре)

2.Нальём в ведро 10 литров теплой воды. (можно использовать литровую банку). Отметим уровень воды.

 3. Погрузим кошку в сумке или пакете в воду и отметим её новый уровень.

 4. Вытащим из ведра кошку.

 5. Дольем до отметки воды той же литровой банкой (считая каждый раз, когда выливает воду)

 6.  Когда дольем до отметки количество литров будет ровно объемукошки

Таблица  2

Для того чтобы измерить объем головы кошки я воспользовалась методом научной абстракции. Для этого я нашла в доме предмет по весу и размеру похожий на голову кошки (это оказался болгарский перец)

Поэтому:

1.Я налила в кастрюлю воды и отметила уровень воды.

2.Погрузила туда перец и отметила новый уровень воды

3.Вытащила из кастрюли перец

 4.Долила мерным стаканчиком воду по отметки

И получила ответ: ≈ 260 мл

2. 3. Измерение плотности кошки

Плотность, по определению - физическая величина, численно равная отношению массы тела к его объему. Результаты измерений массы и объёма возьмём из предыдущих опытов.

1.  Проведём расчет по формуле , где m к - масса кошки;   V– объём тела кошки
2. V = 3460 мл=3460см3
3. m = 4000г
4. =4000: 3460см3= 1.15
5. Результаты занесём в таблицу 3.

Таблица  3

Вывод: сравнивая плотность кошки, которая равна 1.15, с плотностью человека , и с плотностью воды, мы видим, что плотность человека равна плотности воды, т.к. человек в основном состоит из воды, а плотность кошки незначительно больше.

2.4. Измерение давления кошки на опору

Давление на опору кошки рассчитаем из двух положений (сидя и лежа) по формуле:=

Fтяж = 4*10≈ 40H

S – площадь опоры кошки, которую я вычисляла по площади фигур, получаемых очертаниями соответствующих контуров на бумаге в клетку. S одной клетки ровна : 0,25см2Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4

Таблица 5

Давление кошки на пол

P, Па

Вывод: кошка в разных положениях оказывает разное давление. Чем меньше площадь опоры, тем больше давление кошки на пол, то есть максимальное давление кошка оказывает в положении стоя, минимальное – в положении лёжа.

Глава 3. Кинематика кошки

Кинема́тика (греч. κινειν — двигаться) в физике — раздел механики, изучающий математическое описание (средствами геометрии, алгебры, математического анализа…) движения идеализированных тел (материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальная жидкость), без рассмотрения причин движения (массы, сил и т. д.). Исходные понятия кинематики — пространство и время.

Кинематику движения обеспечивают задние конечности с хорошо развитой мускулатурой. Передние конечности служат для поддержания тела. Анатомо-физиологические особенности кошки влияют на кинематику её движений. Двигательные возможности зависят от особенностей телосложения: длины и массы тела; пропорций туловища, конечностей.

Пропорции и размеры тела у кошек существенно различаются, неодинаковы и их двигательные возможности. При ходьбе и беге длина и частота шагов обусловлены размерами тела и длиной ног. Движение головы осуществляется с помощью позвонков шейного отдела, которые подвижно соединены друг с другом. Кошка способна повернуть голову на 180°, что не может сделать ни одно млекопитающее.

Особенность позвоночника заключается в его необычайной гибкости. Эластичные межпозвоночные хрящевые прокладки обеспечивают вращательные движения и невероятные изгибы.  Сильные связки мышц позволяют животному хорошо прыгать. Это важно во время охоты. Высота прыжка кошки – до 3 м. Длина прыжка может превышать в 15 раз длину тела.

3.1Измерение средней скорости кошки

Кошка при беге может развивать скорость до 50 км/ч ≈ 14 м/с.

1. При помощи рулетки измеряем расстояние.

2. Время движения измеряем при помощи секундомера.

3. Произведём  расчет скорости по формуле,где S –путь,  t - время движения

4. Результаты измерений запишем в таблицу.

Таблица 6

Таблица 7

Вывод: сравнивая полученные данные, мы видим, что при беге на дистанцию скорость кошки составляет 3.57% от максимально возможной (14 м/с). При беге по заданию -  7.85 % от максимально возможной.  

3.2 Ускорение кошки

Эксперименты советских исследователей дали   ответ на вопрос, почему первой из живых существ в космос полетела Лайка, а не Мурка. Оказывается, кошки переносят двадцатикратное ускорение, а собаки — восьмидесятикратное!

Заключение.

Работа посвящена изучению биомеханики кошки. Я выяснила, как законы механики проявляются в жизни кошки Этим и объясняется новизна моей работы. Мною были исследованы теоретически биомеханика конечностей кошки и виды механического движения в жизни кошки: равномерное, равноускоренное.

Практически исследованы механические характеристики кошки Нюши (масса, объём, плотность тела кошки, давление кошки на опору, средняя скорость, сила тяги, механическая работа и мощность кошки, развиваемой при беге). По результатам исследований составлены таблицы и построены диаграммы. На основании эксперимента сделаны выводы.

Список литературы и Интернет-ресурсов

1.  Перышкин. Физика 2014. 7 Класс
2.  http://udivitelno.com/animals/item/590-koshka-porody
3.  http://mykoshka.ru/samye-malenkie-porody-koshek-v-mire-s-fotografiyami-i-nazvaniyami/
4.  https://www.petspoint.ru/articles/morfologiya-i-anatomiya-110/anatomiya-koshek.html
5.  https://www.skyrace.club/primefc/biomech.pdf