Исследование механических параметров человека

Конкурс научных проектов школьников

в рамках краевой научно-практической конференции «Эврика»

Малой академии наук учащихся Кубани

Исследование механических параметров человека.

Секция: «Физика»

Автор:

                                                   Ерёменко Марина Юрьевна, 11класс,

                                                       МОУ СОШ №5  МО Кореновский район,

                    ст. Платнировская.

                             Научный руководитель:

                                          Коломиец Наталия Леонидовна,

                                             учитель     физики МОУ СОШ №5                                                                  

                              МО Кореновский район,

                     ст. Платнировская.

г. Кореновск

2009

 «Исследование механических параметров человека»

Работу выполнила: ученица

11 кл. МОУ СОШ №5

МО Кореновский район

Ерёменко Марина Юрьевна

Содержание                                                                                                                         стр.

1. Введение ………………………………………………………………………………....2
2. Плотность тела человека………………………………………………………… ...…...3

1. Теоретическая часть……………………………………………………………..3
2. Практическая часть…………………………………………………………..…..3

1. Определение плотности тел нескольких

человек и сравнение полученных результатов…………………….............3

3. Скорость реакции человека………………………………………………….………….4

3. Теоретическая часть……………………………………………………………..4
4. Практическая часть………………………………………………………………5

1. Определение времени реакции человека…………………………………..5
2. Сравнение скорости реакции двух человек………………………….…….6
3.  Сравнение времени  реакции водителей……………………………….….7

4. Жизненная ёмкость лёгких человека…………………………………………….……..8

5. Теоретическая часть……………………………………………………………..8
6. Практическая часть……………………………………………….………...…..10

1. Определение жизненной емкости легких теоретическим методом…..…10
2. Определение жизненной емкости легких

практическим способом при помощи шарика……………………..……..10

5. Заключение………………………………………………………………………...……11

Список используемой литературы…………………………………………………..…….13

Приложения………………………………………………………………………………....14

 «Исследование механических параметров человека»

Работу выполнила: ученица

11 кл. МОУ СОШ №5

МО Кореновский район

Ерёменко Марина Юрьевна

1. Введение.

В современном мире все чаще и чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека. Это связанно с бурным развитием таких наук как медицина, биофизика, психология и др.

 На  школьных  уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Но исследование проявлений законов физики в организме человека играет, безусловно, важную роль. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов поможет установить причинно-следственные связи в живой и не живой природе, раскрыть единство окружающего мира, показать единство законов природы и применимость законов физики и к живым организмам.

Тема данной работы «Исследование механических параметров человека».

Объект исследования: Законы физики в организме  человека.

Предмет исследования: Механические параметры человека: объем и плотность   тела, время реакции человека, жизненная емкость легких.

Цель данной работы: определить некоторые механические параметры человека, выяснить зависимость определенных практическим путем механических параметров от индивидуальных особенностей человека (возраст, профессия, образ жизни, самочувствие  и т. п.), установить значение этих параметров для жизнедеятельности человека.

Источниковой базой  для проведения исследования является:

-  теоретический  материал о проявлении  законов физики в организме человека;

-  результаты практических работ по определению некоторых механических параметров организма человека.  

В процессе исследования поставлены  следующие задачи:

 - изучить  и проанализировать теоретический  материал о проявлении  законов физики в организме человека;

 - провести практические работы по определению некоторых механических параметров организма человека;

- проанализировать и обработать результаты практических измерений, необходимых для определения механических параметров человека;

- обобщить результаты исследования и сделать выводы о зависимости механических параметров человека от его индивидуальных особенностей.

В работе использовались следующие  научные  методы исследования:

- анализ и обработка  теоретического материала о применении законов физики к организму человека (применение законов механики для определения механических параметров человека);

- постановка опытов и проведение практических измерений для определения механических параметров человека;

- анализ и обработка результатов измерений, полученных опытным путем;

- обобщение результатов исследования и выводы.

«Исследование механических параметров человека»

Работу выполнила: ученица

11 кл. МОУ СОШ №5

МО Кореновский район

Ерёменко Марина Юрьевна

2. Плотность тела человека.

1. Теоретическая часть.

Понятие «Плотность» имеет очень широкое применение во всех областях физики. Плотность — это физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма.

Теперь о человеке. Известно, что в целом плотность тела человека очень близка к плотности воды, так как человек на 60-90 % состоит из неё.[2]* (* - ссылка на литературу.)

Средняя плотность тела человека в разных источниках составляет от 870  до 1120 кг/м3  

Точной цифры нет, потому что плотность каждого человека различна и зависит от особенностей индивидуального строения, а ещё от объема воздуха в легких.

 Также считается, что полный человек имеет меньшую плотность, мускулистый – большую; так как удельная плотность жира 0. 918 г/см3  , а плотность мышц - 1.049 г/см3  

Чаще всего средняя плотность тела человека принимается за 1036 кг/м3.[4] 

2. Практическая часть.

1. Определение плотности тел нескольких человек и сравнение полученных результатов.

Производим измерения длины (a) и ширины (b) ванны. После чего ванна заполняется водой. Ставиться метка, обозначающая уровень воды в ванной. Человек погружался в воду с головой. Ассистент ставит метку, помечая, таким образом, новый уровень воды в ванной. Измеряет высоту подъема воды (h). Вычисляем объем вытесненной воды, а, следовательно, и объем тела человека (V).      

V= a b h

Вычисляем плотность человека по формуле:

,

где m - его масса, V – объем, полученный экспериментальным путем.

Форма ванны не представляет собой параллелепипед, но так как формы разных моделей ванн сходны, то погрешности измерения будут приблизительно равны, а значит, на чистоте эксперимента эти погрешности  отражаться не будут.  

Анализ полученных результатов:

Плотность тела зависит от пола (Средняя плотность тела парней выше, чем у девушек), от образа жизни (Плотность тела спортсменов выше. Следует отметить, что просматривается зависимость плотности тела человека от выбранного вида спорта.) (см. Приложение № 1, Таблица №2.) .

«Исследование механических параметров человека»

Работу выполнила: ученица

11 кл. МОУ СОШ №5

МО Кореновский район

Ерёменко Марина Юрьевна

3. Скорость реакции человека.

3. Теоретическая часть.

Скорость реакции является одним из основных качеств живого организма. Очень важно быстро реагировать на внешние раздражающие воздействия, потому что среди них могут быть опасные или даже смертельные.

От начала действия раздражителя до момента реакции всегда проходит определенное время, после чего включаются мышечные механизмы ответного действия, быстрота которых уже зависит от скорости движений тела. Время задержки определяется скоростью обмена веществ и является индивидуальной особенностью каждого организма. Оно не поддается тренировке, потому что невозможно увеличить скорость передачи нервных импульсов.

Скорость реакции человека определяется работой нервной системы и скоростью работы мышц. [7]

У человека среднее время реакции на визуальный сигнал составляет 0,1-0,3 секунды. [3] (см. Приложение № 2.).

Время реакции - важнейшая характеристика организма человека. Как ни странно, лидерские качества человека тоже зависят от времени реакции. А также, одним  из самых важных качеств водителя является его время реакции на изменение дорожной обстановки.  Временем реакции называется промежуток времени от момента появления зрительного или слухового сигнала об изменившейся обстановке до соответствующего ответного действия водителя. Например, время до нажатия на тормозную педаль или поворота рулевого колеса от момента появления сигнала. Реакция у различных людей неодинакова. Например, время реакции является одной из важнейших  характеристик водителей,  у большинства водителей время реакции лежит в пределах от 0,5 до 2,0 с.[4]

Экспертиза ГИБДД и МВД использует более точные формулы и методики для определения времени реакции водителя. Но чаще всего при анализе ДТП экспертам важнее знать время начала торможения или тормозной путь, в этом случае

время реакции водителя по стандарту принято считать 0.8 с.  

Разумеется, всегда желательно, чтобы время реакции было как можно меньше (что соответствует большей скорости реакции), так как  торможение автомобиля фактически начинается только по истечении этого времени.

Если, например, автомобиль движется со скоростью 90 км/ч, то за 1 сек он проходит 25 м. Следовательно, если время реакции водителя равно 1 с, то на протяжении 25 м тормоза автомобиля даже не будут приведены в действие! Таким образом, "цена" всего лишь одной десятой доли секунды в этом примере  2,5  м движения автомобиля. (см. Приложение № 3.), что может стоить жизни перебегающему дорогу человеку, видящему автомобиль на достаточном по его мнению расстоянии.

4. Практическая часть.

1. Определение скорости реакции человека.

Берется деревянная линейка 50 см в длину, на ней ставиться засечка (посередине). На стене делается отметка.

Ассистент прижимает вертикально расположенную линейку к стене так, чтобы засечка на ней совпадала с отметкой на стене.

Затем, отвлекая внимание участника эксперимента, отпускает линейку в свободное падение. Участник должен остановить падение линейки, так быстро, как сможет.

Ассистент отмечает новое положение засечки линейки и производит замер её полета (h), т.е. расстояние между отметками на стене.

Скорость реакции вычисляется по формуле:  t=2 hg,

где   g - ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с., t –скорость реакции, с,  h - расстояние между отметками на стене [3](см. Приложение № 4.).

Анализ полученных результатов:

Знак « - » обозначает, что участник опыта не успел остановить линейку до того как она коснулась пола. Количество участников с замедленной реакцией оказалось равно 70%.

2. Сравнение скорости реакции двух человек.

Сравнить скорость реакции двух человек можно и более простым способом.

Первый партнер становится напротив и располагает открытую ладонь так, чтобы второму было удобно по ней бить своей ладонью. Второй партнер бьет по ладони первого в произвольные моменты времени. Задача первого - убрать ладонь (один балл), задача второго – попасть (один балл), в случае неудачи того или другого – 0 баллов. Ведется счёт (наибольшее число очков – лучшая скорость реакции). Затем партнеры меняются. (см. Приложение № 5.)

Анализ полученных результатов:

Скорость реакции человека (см. Приложение №5) зависит от индивидуальных особенностей партнеров.

У одних участников опыта (Витя) скорость реакции не зависит от особенностей источника сигнала (индивидуальных особенностей партнера); у других (Марина, Вадик, Кирилл)  скорость реакции зависит от особенностей источника сигнала; у третьих (Саша) скорость реакции всегда меньше независимо от особенностей источника сигнала (всегда меньше, чем у партнера).

Таким образом, по результатам опыта участник Витя - обладает максимальной скоростью реакции. Марина, Вадик, Кирилл – обладают хорошей скоростью реакции, но она зависит от особенностей источника сигнала, а значит не во всех случаях от этих участников можно ожидать должной скорости реакции (Например, Витя отреагирует мгновенно торможением и на красный сигнал светофора, и на перебегающего неожиданно улицу человека. Марина, Вадик, Кирилл – отреагировав мгновенно на красный сигнал светофора, могут не сразу отреагировать на перебегающего улицу человека.)

Данным способом можно определить максимальную, среднюю,  минимальную скорость реакции, не измеряя отдельно скорость реакции каждого участника опыта, а сравнив полученные результаты.

3. Время реакции водителей.

Ассистенты договариваются с водителем о скорости движения транспортного средства (водитель выбирает удобную для него скорость в соответствии с личным транспортным средством) и о ключевом слове, обозначающим остановку (например, слово «Стоп»). Один ассистент договаривается с другим о месте, в котором водитель должен начать торможение (были выбраны три пункта - пересечение улиц Некрасова и Третьякова, Хлеборобской и Третьякова, Маркова и Третьякова.). Водителю не сообщается это место. Первый ассистент садится в машину с водителем и от точки начала эксперимента (пересечения улиц Кучерявого и Третьякова) начинает движение с водителем  по прямой (по одной улице). (см. Приложение № 6.) Набрав определенную скорость (обговоренную ранее), водитель должен постараться двигаться равномерно. Доехав до места торможения, первый ассистент произносит ключевое слово. Водитель должен среагировать и начать торможение. После полной остановки транспортного средства второй ассистент, наблюдавший за торможением, измеряет тормозной путь. Примерное время реакции водителя определяем по таблице (см. Приложение № 3.). Данный опыт повторяем 3 раза для каждого водителя, определяя после эксперимента среднее время реакции.

Главная задача опытов - измерить тормозной путь и вычислить скорость реакции водителя по специальной таблице. Но при этом не должна была создаваться помеха уличному движению. Из-за этой проблемы пришлось подбирать время проведения опытов. (В основном это было ранее утро, когда движение в выбранном районе отсутствует). Еще одна проблема была в том, что все опыты по разным обстоятельствам нельзя было провести в один день, а погодные условия могли повлиять на состояние покрытия дороги и, следовательно, на точность опытов.  Учитывая это, все опыты проводились при сходных погодных условиях (покрытие дороги должно быть сухим). Измерения проводились по три раза, в таблицу вносилось среднеарифметическое значение трех результатов.

Чистота измерений в экспериментах осложнялась тем, что каждый водитель участвовал в опыте на своем транспортном средстве (разные технические характеристики и возможности). Это обстоятельство нельзя было изменить, так как каждый водитель привык к вождению именно своего транспортного средства и переход на другое мог внести еще более существенную разницу в условия проведения опыта для каждого водителя (см. Приложение № 7., Таблица №1.)

            Эти же опыты  проводились после изменения состояния водителя   (см. Приложение № 7, Таблица №2.)

Анализ полученных результатов:

Скорость реакции не зависит от стажа вождения, от вида транспортного средства, от возраста водителя. Предполагаю, что она определяется индивидуальными особенностями организма человека (Скорость реакции разная у всех людей с рождения – определяется особенностями нервной системы человека, его эмоциональными и психическими характеристиками). Но опыты показали, что при плохом самочувствии или сильной усталости скорость реакции ухудшается.

В двух разных опытах, связанных с определением  скорости реакции, принимал участие   Вадик Я..  Результаты опытов оказались сходны, а значит, эти методы можно считать эффективными.

Из проделанных опытов видно, что время реакции участвовавших в эксперименте водителей не совпадает с эталонным временем, принимаемым экспертами ГИБДД  равным 0,8 с. Таким образом, участники эксперимента могут являться, особенно при неблагоприятных условиях на дорогах, потенциальной угрозой совершения ДТП.

«Исследование механических параметров человека»

Работу выполнила: ученица

11 кл. МОУ СОШ №5

МО Кореновский район

Ерёменко Марина Юрьевна

4. Жизненная ёмкость лёгких человека.

5. Теоретическая часть.

Лёгкие у человека — парный орган дыхания. Лёгкие заложены в грудной полости, прилегая справа и слева к сердцу, имеют форму полуконуса, основание которого расположено на диафрагме, а верхушка выступает на 1-3 см выше ключицы. Правое лёгкое состоит из 3, а левое из 2 долей. Скелет лёгкого образуют древовидно разветвляющиеся бронхи. Каждое лёгкое покрыто серозной оболочной — легочной плеврой и лежит в плевральном мешке. Внутренняя поверхность грудной полости покрыта пристеночной плеврой. С внутренней (сердечной) поверхности в лёгких имеется углубление — ворота лёгких. В них входят бронхи, легочная артерия, и выходят две легочных вены. Легочная артерия ветвится параллельно ветвлению бронхов. При вдохе давление в легком ниже атмосферного, а при выдохе — выше, что дает возможность воздуху поступать внутрь легкого.[2,6] (см. Приложение № 8.)

Процесс внешнего дыхания обусловлен изменением объема воздуха в легких в течение фаз вдоха и выдоха дыхательного цикла. При спокойном дыхании соотношение длительности вдоха к выдоху в дыхательном цикле равняется в среднем 1:1,3. Внешнее дыхание человека характеризуется частотой и глубиной дыхательных движений.

Частота дыхания человека измеряется количеством дыхательных циклов в течение 1 мин и ее величина в покое у взрослого человека варьирует от 12 до 20 в 1 мин. Этот показатель внешнего дыхания возрастает при физической работе, повышении температуры окружающей среды, а также изменяется с возрастом. Например, у новорожденных частота дыхания равна 60—70 в 1 мин, а у людей в возрасте 25—30 лет — в среднем 16 в 1 мин. [2,7]

Глубина дыхания определяется по объему вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в течение одного дыхательного цикла. Произведение частоты дыхательных движений на их глубину характеризует основную величину внешнего дыхания — вентиляцию легких. Количественной мерой вентиляции легких является минутный объем дыхания — это объем воздуха, который человек вдыхает и выдыхает за 1 мин.

Величина минутного объема дыхания человека в покое варьирует в пределах 6—8 л. При физической работе у человека минутный объем дыхания может возрастать в 7—10 раз.

          Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – это показатель внешнего дыхания, представляющий собой объем воздуха, выходящего из дыхательных путей при максимальном выдохе, произведенном после максимального вдоха. (см. Приложение № 9.) Полная ёмкость лёгких примерно равна 5000 см³, обычный вдох составляет 500 см³, жизненная (при максимальном вдохе и выдохе) — приблизительно 3500—4500 см³.

В зависимости от его модификации возможно определение этого показателя тремя методами: ЖЕЛ вдоха, ЖЕЛ выдоха и двухстадийное определение ЖЕЛ

Для определения ЖЕЛ вдоха (метод 1) после нескольких спокойных дыхательных циклов человека инструктируют выдохнуть весь возможный объем воздуха из легких. При этом задействуется резервный объем выдоха. Сразу же вслед за этим его просят из положения полного выдоха как можно более глубоко вдохнуть, до ощущения максимального наполнения легких воздухом, тем самым задействовав резервный объем вдоха.

Для определения ЖЕЛ выдоха (метод 2) человек сначала делает максимально полный вдох из положения спокойного выдоха, а затем из положения полного вдоха максимально полно завершает выдох.

Двухстадийное определение ЖЕЛ (метод 3) - после спокойного вдоха человек делает максимально полный выдох, затем возвращается к обычному спокойному дыханию и лишь после нескольких дыхательных движений делает максимально полный вдох из положения спокойного выдоха.[2,5,6]

6. Практическая часть.

1. Определение жизненной емкости легких теоретическим  методом.

Теоретическое значение ЖЕЛ можно вычислить по формуле [2]:

Для юношей -  ЖЕЛ = [рост (м) •5,2 – возраст (лет)•0,022] – 4,2

Для девушек - ЖЕЛ = [рост (м) •4,1 – возраст (лет)•0,018]– 3,7

Норма ЖЕЛ:     для юношей 2,8 – 3,8 л

                           для девушек 2,5 - 2,8 л

2. Определение жизненной емкости легких практическим способом при помощи шарика.

Человек делает глубокий вдох через нос и максимальный выдох в шарик. Не отнимая шарик ото рта, повторяем эти действия 3 раз. Измеряется диаметр шарика. Объем вычисляем по формуле:

V = πd36

Где d – найденный диаметр шарика.

Разделив полученный объём шара на 3, получаем ЖЕЛ. (см. Приложение № 10. )

Анализ полученных результатов  двух опытов:

Значения ЖЕЛ, определенные практическим путём при помощи шарика и с помощью  формул, разработанных специалистами-биологами,  приблизительно совпадают. Таким образом, с помощью шарика можно определить достаточно точно значение ЖЕЛ.

Значения ЖЕЛ не у всех участников соответствуют установленным нормам. Считаю, что данным участникам эксперимента необходимо обратиться к специалистам, т. к. отклонение значения ЖЕЛ от нормы свидетельствует о возможно неправильном развитии грудной клетки.

  «Исследование механических параметров человека»

Работу выполнила: ученица

11 кл. МОУ СОШ №5

МО Кореновский район

Ерёменко Марина Юрьевна

5. Заключение.

В данной исследовательской работе опытным путем  были определены некоторые механические параметры человека: плотность тела; скорость реакции человека, в том числе и время  реакции водителей при торможении транспортного средства;  жизненная  емкость  легких человека.  

В результате опытов было выяснено, что плотность тела человека определяется не только природой (зависимость от пола человека), но также зависит и от самого человека, от образа его жизни: питания, режима дня, занятия спортом. Следует отметить, что меньшая плотность тела человека по сравнению со сверстниками свидетельствует о физической слабости человека, о слабых мышцах (плотность жировой ткани, намного меньше мышечной), о возможности непереносимости им тяжелых физических нагрузок.  

При измерении времени и скорости реакции участников эксперимента было выяснено, что у многих участников скорость реакции очень замедленная (см. Приложение №4). У некоторых участников эксперимента скорость реакции зависела от особенностей источника сигнала, у некоторых – нет (см. Приложение №5).  По результатам опытов можно сделать вывод, что скорость реакции разная у всех людей с рождения – определяется особенностями нервной системы, эмоциональными и психическими характеристиками человека. Однако опыты показали, что при плохом самочувствии или сильной усталости скорость реакции ухудшается.

Многие профессии требуют усиленного внимания и хорошей скорости реакции, поэтому при выборе профессии и приеме на работу эти характеристики человека являются немаловажными.

Измерения ЖЕЛ участников эксперимента  показали, что некоторым участникам эксперимента, у которых наблюдалось отклонение от нормы, возможно необходимо обследовать свой организм у специалистов.

Человек – существо многогранное: он покорил высочайшие горные вершины, опустился в самые глубокие точки Мирового океана, побывал на Луне, расщепил атомное ядро. Но чаще всего мы не задумываемся, а что же мы представляем собой, что мы можем сделать, какими возможностями и ресурсами обладаем?  От ответов на эти вопросы зависит выбор жизненных целей человека,  его образа жизни, выбор  профессии. Поэтому знание    особенностей своего организма с точки зрения законов физики, безусловно, важно и необходимо.

«Исследование механических параметров человека»

Работу выполнила: ученица

11 кл. МОУ СОШ №5

МО Кореновский район

Ерёменко Марина Юрьевна

Список используемой литературы  

1.  Ц.Б.Кац «Биофизика на уроках физики», Просвещение, Москва, 1988

2.  А.Н.Ремизов, А.Г.Максина  «Медицинская и биологическая физика», Дрофа, Москва, 2003

3.  М.В.Волькенштейн «Биофизика», Наука, Москва, 1988

4.  А.Б.Рубин «Биофизика» Высшая школа, Москва, 1987

5. К.Ю.Богданов «Физик в гостях у биолога», Наука, Москва, 1986

6. В.Р.Ильченко «Перекрестки физики, химии, биологии», Просвещение, Москва, 1986

7. А.Г.Хрипкова «Физиология человека», Просвещение, Москва, 1971

8. Б.Р.Иваницкий «Мир глазами биофизика», Москва, 1985

9. Дж.Мэрион. «Общая физика с биологическими примерами», Москва, 1986

10.  А.В.Хуторской «Увлекательная физика», Москва, 2000

Приложения

Приложение № 1.

Таблица 1.  Плотности тел людей, участвующих в эксперименте.

Таблица 2. Сравнение  плотностей тел людей с учетом отношения к спорту.

Приложение № 2.

Таблица. Время реакции человека на разные виды раздражающих сигналов.

Приложение № 3.

Таблица.  Зависимость тормозного пути (м) от времени реакции водителя (с) и скорости движения автомобиля (км/ч). (Таблица разработана специалистами по изучению эмоционального и психического состояния человека, взята из сети Интернет)

Приложение № 4.

Таблица. Определение времени реакции разных людей.

Приложение № 5.

Таблица. Сравнение скорости реакции двух человек.

Приложение № 6.

Схема улиц в районе проведения опытов,  связанных с определением скорости  реакции водителей. (Синим  цветом обозначена точка начала движения, красным - обговоренная точка начала торможения. Каждый водитель трижды стартовал, и в каждом случае были использованы одна и та же точка начала движения  и те же точки начала торможения.)

Приложение № 7.

Таблица 1.Определение  времени  реакции водителей.

Таблица 2. Измерение времени реакции водителей

при плохом самочувствии или сильной усталости.

Приложение № 8.

Схема лёгких человека.                                                   1-Трахея

2-Лёгочная артерия

3-Лёгочная вена

4-Альвеолярный ход

5-Альвеолы

6-Сердечная вырезка левого лёгкого

7-Бронхиолы

8-Третичные бронхи

9-Вторичные бронхи

10-Главные бронхи

11-Гортань

Приложение № 9.

Жизненная ёмкость легких.

Приложение № 10.

Таблица. Вычисление теоретического значения жизненной емкости легких, сравнение его с практическим и нормальным значением.