Экспериментальное определение некоторых физических параметров человеческого тела

Муниципальное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №6

Центрального района  Волгограда

Экспериментальное определение некоторых физических параметров человеческого тела

                                                 Волгоград 2012                    

Оглавление

Введение.

Человек является одним из объектов изучения физики и  порой возникает необходимость знать параметры человека, а именно объём, площадь поверхности тела и некоторые другие.

Если рассмотрим геометрические тела, то их объём и площадь поверхности выражаются через их постоянные параметры. Например, у цилиндра объём вычисляется по формуле V=πR2Н, а площадь поверхности находим по формуле S=2 πR (R+H). Как знаем, для данного цилиндра радиус основания и высота являются постоянными величинами. Число 1 является коэффициентом.

Аналогично, при нахождении объёма конуса по формуле V=1/3 πR2H коэффициентом выступает число 1/3.

Если посмотреть внимательно, то можно увидеть, что отдельные части человеческого тела являются геометрическими телами. Например, пальцы -     это цилиндры, а бедро -усечённый конус. Голову человека можно считать эллипсоидом вращения.

Целью данной работы является экспериментальное определение некоторых физических параметров человеческого тела и получение формул для нахождения объёма и площади поверхности человека в связи с его массой и ростом.

Задачи:

Экспериментальное определение объёма человека        

 Нахождение формулы для определения объёма человека        

Расчет плотность человека

Экспериментальное определение площади поверхности тела человека        

Определение зависимости объёма  легких человека от площади его поверхности.

Предмет исследования- человек, а объектом  исследования являются физические параметры человеческого тела;

Методы исследования- 

методы систематизации теоретического материала;

исследовательские методы;

обобщение накопленного материала;

изучение и анализ научной и публицистической литературы по проблеме исследования;

эксперимент;

обработка и анализ данных эксперимента;

сопоставление данных эксперимента с литературными и справочными данными.

Глава I

Нахождение объёма человека

 1.1 Формула для определения объёма человека

Для определения объёма конкретного человека нужно поступить следующим образом. В ванну налить определённое количество воды и зафиксировать уровень. Затем в эту ванну полностью погружается человек, после чего снова отмечается уровень воды. Человек выходит из ванны. Так как человек выходит из ванны мокрым, осторожно доводим уровень воды до первоначальной черты. После чего с помощью мерного сосуда нужно аккуратно долить воду до второго уровня (Приложение 1). Объём долитой воды равен объёму человека. Предварительно каждый участник эксперимента проходил взвешивание в медицинских весах и измерение роста с помощью ростомера. Например, при массе 57,5 кг и росте 170 см объём человека равен 54 литра. В эксперименте участвовало 14 человек, среди которых члены семьи, одноклассники и знакомые из социальных сетей, т.е. опыты проводились, в том числе и дистанционно. (Приложение 2).

Я поставил  целью получить формулу для определения объёма человека, если известен его рост и масса. Связь между объёмом и ростом  очевидна:

V=kmh

Где m - масса в кг, h - рост в метрах, k - некоторый коэффициент пропорциональности.^[1] 

Например, для первого участника эксперимента имеем:

V=kmh

K=v/mh

K=57000 см2/60 кг•1,73м=549 см2/кг•м.

Для второго участника аналогично :

k=552  см2/кг•м .

Проведя несколько таких опытов (Приложение 2), было  получено среднее значение коэффициента

k=551 см2/кг•м .

 В итоге формула для определения объёма человека имеет вид :

V=551mh    (1)

Если объём человека будем измерять в м3, то данная формула записывается в виде:

V=5,51•10-4mh,

K=5,51•10-4 м2/кг   (2).

Вывод: Формулы (1), (2) позволяют легко определить объём человека нормального телосложе-

ния. Ведь любой уважающий себя человек знает свой рост и массу, тем более в школьном возрасте. Объём человека необходимо знать для расчета выталкивающей силы, что важно для подводного плавания и воздухоплавания. Так же необходимо учитывать объём, занимаемой человеком в ограниченном пространстве, например, в подводной лодке, в кабине самолёта или салоне автомобиля. Поэтому считаю, что эта формула имеет прикладное значение.

Эти формулы с успехом можно применять в школе на уроках физики при изучении тем о плотности вещества, при расчётах выталкивающей силы. В этом случае объектом изучения становится конкретный ученик данного класса, что особенно занимательно.

1.2 Плотность человека

Как известно, неподвижный человек в воде тонет. Это значит, плотность человека больше плотности воды. Я решил узнать, чему равна плотность людей, участвовавших в наших экспериментах. Поставив в известную формулу p=m/V, было определено, что значения плотности участников экспериментов колеблется в пределах от 1058 до 1062 кг/м3. Среднее значение плотности человека получилось равным р=1060 кг/м3.

В справочнике А. С. Еноховича [2] плотность человека принята равным 1036 кг/м3. Но этому справочнику уже более 40 лет. За это время с современным человеком произошли большие изменения. Качественно улучшилось питание, появились новые медицинские аппараты и витамины, которые благоприятно влияют на рост и развитие ребёнка. Идёт акселерация. Следовательно, рост и масса детей сорокалетней давности и 21 века отличаются в пользу последних. Поэтому считаю, что полученное значение плотности человека очень близко к истине.

Глава II

Площадь поверхности тела человека

2.1 Измерение площади поверхности тела человека

Человек имеет очень сложную конфигурацию, а форму поверхности тела человека невозможно даже описать.  Мне показалось возможным измерить площадь поверхности человека, и связать значения площади с его ростом и массой. Для измерения площади поверхности человека был использован медицинский бинт шириной 5 см. Обматывая части тела таким бинтом, я сумел измерить площадь поверхности тела участников эксперимента. В эксперименте участвовало 10 человек. Всех участников пришлось объединить в группы по возрастам и по гендерному признаку (Приложение 3). При массе 60 кг и росте 173 см площадь поверхности человека равна 18260 см2 или примерно 1,83 м2. А при массе 57,5 кг и росте 170 см площадь человека равна 16700 см2 или 1,67 м2.

Общий вид формулы S=bmh, где b=S/mh.

Среднее значение коэффициента получается равнымТаким образом, формула

для расчёта площади поверхности человека в связи с его массой и ростом имеет вид

 (3). Если площадь поверхности измерить в м2, то формула (3) записывается в виде

S=0,167√mh

А можно определить площадь поверхности тела человека с помощью номограммы ( Приложение 4). В этом эксперименте участвовало 50 человек (Приложение 5).

2.2 Объём человека и площадь его поверхности

Объём человека можно вычислить по формуле (1), а площадь поверхности тела - по формуле (3). Поделим формулу (1) на (2). Имеем V:S=551 mh:174 mh. Получаем V:S=3,17. Как известно, отношение длины окружности к его диаметру есть число 3,14. Я уверен, что если измерения объёма и площади поверхности человека производить более точно, то после деления V:S получилось бы число очень близкое к 3,14. Поэтому формулу связи между объёмом человека и площадью его поверхности можно записать в виде

2.3 Определение дыхательного объёма лёгких по площади поверхности его тела

С помощью соотношений, которые используются  в клинической медицине  для диагностики заболевания лёгких, можно рассчитать объем легких человека  при его дыхании. Для этого необходимо знать площадь поверхности тела. Можно для расчета использовать формулу:

 S=0,167, где

S-площадь поверхности (м2);      m-масса тела (кг);        l- длина тела (м). А затем определяем объём лёгких человека по формулам:

V=2,5·10-3S – для мужчин                V=2·10-3S – для женщин, где

V-объём (м3);        S-площадь (м2).

Итак, используя медицинские способы определения дыхательного объёма лёгких по площади поверхности его тела, я пришел к выводу, что данная зависимость  физических величин линейна (Приложение 6).

2.4 Одежда из баллончика

     Изобретена одежда, которая напыляется на тело. Если дальше так пойдет, то роль закройщиков и портных отойдет в прошлое. Испанский модельер Мануэль Торрес на Лондонской неделе моды презентовал новую уникальную технологию производства одежды. На презентации своего изобретения Мануэль Торрес за четверть часа одел мужчину в футболку из… спрея. И это не какой-нибудь там боди-арт, а настоящая одежда с задаваемыми свойствами.

     Совместно с химиками из Имперского колледжа в Лондоне Торрес разработал уникальный спрей, содержащий в растворе специальные волокна и полимеры, которые при распылении на кожу застывают. Таким образом можно получить одежду без швов с разной текстурой ткани – от льна до шерсти.

     Созданная с помощью спрея одежда в носке ничем не отличается от обычной: её так же можно стирать. К тому же не возникает проблем с подбором размера, ведь одежда создается в соответствии с особенностями фигуры. А для того, чтобы такое платье создать, необходимо знать хотя бы приблизительно площадь своего тела.

     Создатели «жидкой одежды» считают, что их изобретение раздвинет горизонты современной моды, ведь можно будет создавать самые неожиданные предметы одежды. Также создана компания, которая будет разрабатывать и другие способы применения новой технологии: гигиенические салфетки, напыляемые бактерицидные повязки, обивочные ткани для мебели и автомобилей.

Итоги работы:

Экспериментально был определен объём человека;        

Была определена линейная зависимость между ростом человека и объемом его тела, а также вычислен коэффициент этой зависимости;

Рассчитана плотность человека, значение которой не разнится с табличным;

 Экспериментальное определение площади поверхности тела человека; проверка формулы Дюбуа         и нахождение площади поверхности тела человека с помощью номограммы;

Определение зависимости объёма легких человека от площади его поверхности

Заключение

Человек является объектом изучения физики.

Человек имеет очень сложную конфигурацию, но проведя несложные расчёты с большой точностью можно определить свой объём и площадь поверхности тела. Определять свои параметры, объём всего тела и объем легких, плотность, площадь поверхности очень интересно, познавательно и увлекательно.

Формулы для нахождения площади поверхности человека с успехом можно использовать на уроках физики для расчёта силы атмосферного давления.

 Также эту формулы можно применять в больнице в ожоговом центре для расчёта площади, поражённого ожогом кожного покрова. Рассчитав полную площадь тела пациента, визуально оценив поражённую площадь можно вычислить необходимую площадь кожи для пересадки больному.

 Уверен, что экспериментально подтвержденные мной формулы займут достойное место в арсенале учителей физики и математики, сделают их уроки более занимательными.

Список источников и  использованной литературы:

Балабанов  Е.И. «Кожа человека», Механические свойства. Теплопередача. Аналитический обзор, Москва, 2001г.

Блудов М.И. «Беседы по физики», Москва, Просвещение, 1992г.

Горбушин Ш.А. «Азбука физики», Ижевск, Удмуртия, 1992г.

Монастырский Л.М.  «Физика за два года», АО Аспект прогресс, Москва, 1994г

Чандаев С.А.  «Физика и человек», АО Аспект прогресс, Москва, 1994г.

http://www.infomaniya.ru/

http://nauka21vek.ru/

Приложение 1

Фотоотчет об этапах исследования

Приложение 2

Физические параметры участников  эксперимента

Группы участников : учащиеся в МОУ СОШ № 6; семья автора работы ; знакомые из социальных сетей.

           Приложение 3

Определение площади поверхности человеческого тела

Приложение 4

Определение площади поверхности его тела с помощью номограммы

Для этого нужно соединить при помощи линейки прямой линией показатели массы и длины тела. Точка пересечения этой прямой со шкалой S даст значение площади поверхности.

Приложение 5

Результаты исследований по определению площади поверхности его тела с помощью номограммы

Приложение 6

Определение дыхательного объёма лёгких по площади поверхности его тела

Приложение 7

Черновик

Физические параметры участников эксперимента