Оценка механических возможностей человека

МОУ СОШ №11

                                                                                   Выполнил: ученик 11 класса

                                                                         Агабалаев Сиражудин

                                                                      Руководители: АгабалаевА.М.

                                                                      учитель физической культуры;

                                                                      Петухова Л.К. учитель физики 

г. Сургут .

Оглавление

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

Цели проекта ………………………………………………………………….6

Задачи проекта ………………………………………………………………..6

Оценка эффективности бега…………………………………………….........7

Оценка массы груза, который может поднять человек, при затрачивании такого же количества энергии, что и при скоростном беге……………………………9

Оценка силы, с которой отталкивается от земли в момент прыжка в высоту…………………………………………………………………….........10

Зависимость высоты прыжка от размера тела………………………………11

Оценка эффективности прыжков в высоту с разбега……………………….11

Оценка эффективности прыжка высоту объекта эксперимента…………... 13

Выводы…………………………………………………………………………14

Заключение………………………………………………………………….....15

Список информационных ресурсов………………………………………….16

    Введение.

Закон сохранения энергии

         Тема «Закон сохранения энергии» позволяет осуществить несколько «выходов» на гуманитарную проблематику. Это, во-первых, обсуждение энергетических возможностей человека. Применение закона сохранения энергии к разного рода механическим движениям человека, во-вторых. И наконец, в-третьих, проблема энергетического кризиса и новых видов  энергии.

          Понятие  энергии  очень  важно  для   нашей   цивилизации  и нашей   химической формы жизни. Разнообразные химические реакции,  протекающие   в  земных   живых  организмах, требуют для своего осуществления какого-то источника энергии. Этим источником является термоядерный синтез в недрах нашего светила  —  Солнца.

        В процессе эволюции за   многие  миллиарды  лет  многие формы жизни  на  Земле  приобрели  способность  извлекать энергию непосредственно из солнечного излучения с помощью удивительной  реакции  —  фотосинтеза.

В реакции  фотосинтеза  под действием  солнечного света происходит   превращение  углекислого  газа   в   воду  и  органические молекулы (углеводы).   В   качестве  побочного  продукта реакции   образуется   кислород.   Углеводы   запасают энергию в химических  связях.  Эта  энергия   по  мере  необходимости высвобождается  при окислении углеводов.

          Эти процессы протекают преимущественно в хлоропластах внутри клеток тех  организмов,  которые  мы  называем  растениями.

      Так жизнь решила проблему утилизации, накопления и хранения солнечной энергии, позволив другим формам жизни (животным  и  человеку) существовать за  этот счет.

     Таким образом, длительное существование земной жизни обусловлено постоянным источником энергии и реакцией фотосинтеза. Мир животных и людей невозможен без мира растений: без них животные и люди не могли бы питаться и дышать. Отсюда возможность назвать образ жизни человека в  некотором смысле паразитическим.

Однако человек в отличие от животных не удовлетворяется той энергией, которую может получать естественным путем от Солнца или поедая растения и животных. Уже в древности, чтобы защитить себя от холода и диких зверей, человек научился использовать огонь, сжигая растения и древесину (подвергая реакции окисления заключенные в них углеводы). При этом он высвобождал  опять-таки запасенную солнечную энергию.

Дальнейшее развитие человечества было связано с изменением среды обитания: возделыванием культурных растений, строительством жилищ, созданием машин. Для всего этого требовалось все возрастающее количество энергии.

Новые источники энергии человек нашел сначала в мускульной силе животных. Затем он поставил себе на службу воду и ветер. Стал использовать энергию, выделяющуюся при сгорании угля, нефти, газа. Еще позже была открыта возможность получения энергии за счет реакций деления и синтеза  атомных  ядер.

В связи с изучением механической энергии интересно проследить за изменением вклада мускульной энергии человека в общее количество вырабатываемой человечеством энергии. В наше время вклад мускульной энергии человека и животных составляет не более 1% от всей вырабатываемой человечеством энергии, хотя еще в середине прошлого века он составлял  94% .

Поддержание определенного (и достаточно высокого) уровня жизни человека требует все нарастающих энергетических затрат, а следовательно, и все большего производства энергии.

Подсчитано, что производство энергии на душу населения составляло  в  сутки:

в первобытном обществе      8,4 МДж      в капиталистическом            300 МДж

в рабовладельческом             50 МДж      в современном                       200 МДж
в феодальном                         100 МДж     (в индустриальных

                          странах)                        до 1000 МДж

При этом структура энергопотребления такова, что 31% от всей потребляемой энергии расходуется на промышленность и сельское хозяйство, 42% — на строительство и сферу обслуживания, 18% — на транспорт, 9% — на питание. К началу следующего века эти тенденции сохранятся. На долю перечисленных сфер потребления будет приходиться 40, 29, 27 и 4% от всей потребляемой энергии соответственно.

Современное суточное потребление энергии на душу населения в развитых странах в 100 раз превосходит то количество энергии, которое содержится в дневном пищевом рационе. Энергетический эквивалент этого рациона примерно в 4 раза меньше энергетических затрат на его получение. Этот парадокс легкоразрешим. Современное сельское хозяйство является большим потребителем энергии. Подсчитано, например, что затраты энергии на производство одной тонны зерна возросли в сотни раз по сравнению с концом прошлого века. Замена лошади трактором, навоза — химическими удобрениями — вот что является причиной повышения энергоемкости. Человеку легче добывать и использовать энергию из угля, нефти или газа,  чем  держать  волов  и  лошадей.

Развитие человеческой цивилизации неразрывно связано с производством все увеличивающегося количества энергии. Это обстоятельство заставляет считать производство энергии показателем развития цивилизации. Сейчас, однако, в среде ученых возникло сомнение в том, что технологический путь развития цивилизации единственно возможный и разумный. Эта мысль родилась из ощущения тупика, в который человечество само себя загоняет, связанного с трудностями нашего развития: созданием возможности для самоуничтожения, исчерпанием природных ресурсов, загрязнением среды обитания. Кроме того, к этой мысли можно прийти из анализа так называемого астроинженерного парадокса, суть которого состоит в том, что если есть цивилизации, стоящие на более высоком уровне развития, чем земная, то почему мы не наблюдаем следов их разумной астроинженерной деятельности? Если возникновение цивилизаций разумных существ — закономерный этап эволюции материи, если цивилизации долго существуют, не самоуничтожаясь, то, может быть, мы не вступаем с ними в контакт потому, что путь их развития иной, не связанный с требующими больших   энергетических   затрат  преобразованиями окружающей среды?

      Количество мускульной энергии, которую может производить отдельный человек, очень невелико, в этом мы убедимся решая задачи с применением закона сохранения энергии. Невелики и совокупные механические  усилия всех живущих на Земле людей.  

Цели проекта:

• Оценка механических возможностей человека с точки зрения выполнения закона сохранения механической энергии.
• Сравнение результатов экспериментального исследования с теоретическими расчетами.

Задачи проекта:

• Провести экспериментальное исследование на определенном объекте.
• Произвести теоретические расчеты экспериментального объекта.
• Оценка энергетических возможностей человека.
• Применение закона сохранения энергии к разного рода механическим движениям ученика на уроках физической культуры.

Объект исследования:

Агабалаев Сиражудин,

 ученик 11 класса МОУ СОШ № 11.

1. Оценка эффективности бега человека

Масса тела     М = 50 кг.

Скорость при беге на дистанцию 100 м  составляет  v = 6,5 м/с

Чтобы переместить свое тело на расстояние L, человек производит следующие энергетические затраты.

1. Развивает кинетическую энергию:

         W= М · v2/2

         W = 50кг· (6,5м/с)2/ 2 = 1056, 25 Дж

2. Совершает работу по вертикальному перемещению своего центра масс:  

А= M·g·h·N;                N=60 (среднее число шагов на дистанции 100 м)

                                         h=0,1м ( вертикальное перемещение центра масс)

А= 50 кг·10м/с·0,1м·60 = 3000 Дж

3. Совершает работу по подъему ноги:

А= mgHN                           H - перемещение центра масс ноги;

                                            m-масса ноги человека)

    H=0,4м

    m=15 кг.              

    A= 15кг·10м/с·0,4м·60 = 3600 Дж

4. Совершает работу против силы сопротивления движению:

    А = F·h = β·v·L

β=0,2 кг ∙с-1 (коэффициент сопротивления);  

L=100 м;            

 А = 0,2кг∙с-1·6,5м/с·100 м = 130 Дж 

Итого, согласно закону сохранения энергии:

  W = 1056, 25Дж + 3000Дж+ 3600Дж + 130Дж = 7786, 25 Дж

Известно, что человек может развить мощность до 1 кВт, в нашем случае она равна:

N = W / t;

t = 15 c;              

  N = 7786, 25Дж /15с≈ 0, 52 кВт

Это составляет 52% от максимальных возможностей человека.  

2. Оценка массы груза, который может поднять человек, при затрачивании такого же количества энергии, что и при скоростном беге.

Так как по закону сохранения энергии

mgh = Mv2/2 ,

 то m= M v2/2gh

m – масса груза

M – масса человека

h – высота поднятия груза (уровень роста)

                             m = 50кг· (6.5м/с)2 / ·10м/с ·1,6м = 66 кг.

Это не соответствует массе реального груза, который поднимает эксперементируемый объект (50 кг).

3. Оценка силы, с которой отталкивается от земли в момент прыжка в высоту.

Прыжок осуществляется за счет работы мышц ног:

A = F · d;             d – расстояние, на которое перемещается центр масс

                                  при  приседании

По закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии

A = F·d = M·g·(h + d)  

                                     h – наибольшая высота, на которую поднимается

                                           центр масс человека при прыжке  вверх

Тогда

F = M·g (h + d)/d = M·g·(h/d + 1)

h = 0,4 м

d = 0,2 м

F = 50кг· 10м/с (2 + 1) = 1500 Н

Сила мышц ног, производящих прыжок, составляет три веса:

F = 3·M·g = 1500 Н

4. Зависимость высоты прыжка от размера тела.

    Воспользуемся результатом предыдущей задачи: h+d=Fd/Mg

Из прежних оценок

F~L2;  M~L3;  d~L3, где L - характеристическая длина (рост человека)

 Тогда:

 h + d = LL2/L3 = const

Получили, что высота прыжка не зависит от роста человека, т. е. от размера тела, и одинакова для всех существ сходной формы.

5. Оценка эффективности прыжков в высоту с разбега.

Мировой рекорд по прыжкам в высоту составляет 2,4 м.

Спортсмен перемещает свой центр масс на высоту 1,4 м. Еще следует учесть 0,1м, т. к. центр масс находится внутри тела.

Тогда:

 h = 2,4м + 0,1м– 1м= 1,5 м

Расстояние 0,6 м человек преодолевает за счет прыжка ( работа мыщц ног). Оставшееся расстояние 0,9 м должно быть преодолено за счет разбега.

Кинетическая энергия разбега

 W = Mv2/2  

W = 0,5·70кг·6(м/с)2 = 1260 Дж

Энергия необходимая для поднятия на высоту h = 0,9 м находится по формуле

 W = M·g·h;

W = 70кг·10м/с·0,9м = 617 Дж

Таким образом, прыгун в высоту преобразует в энергию прыжка, половину энергии разбега.

6. Оценка эффективности прыжка высоту объекта эксперимента.

 Рекорд, который поставил объект эксперимента - 1,25 м  

Центр масс – 0,85м

Тогда:

h = 0,1м + 1,25м – 0,85м = 0,5м

Кинетическая энергия разбега

W = Mv2/2

W = 50кг·42,25м2 \с2·0,5 = 1056,25 Дж  

h = 0,5м;

Энергия необходимая для поднятия на высоту h , находится по формуле:

W = Mgh;

W = 50кг·10м/с·0,5м =250 Дж

Таким образом, я  при прыжке в высоту преобразую в энергию прыжка одну четвертую часть энергии разбега.

Выводы:

В результате исследований и проведения эксперимента я решил 5 задач и получил следующие результаты:

1) При беге я развиваю мощность 0,52 кВт , которая составляет 52% от максимальных возможностей человека.

2) При умелом затрачивании энергии я должен поднять 66 кг груза, на самом деле я поднимаю 50 кг.

3) Сила мышц моих ног производящих прыжок составляет 3 моих веса.

4) Высота прыжка не зависит от роста человека.

5) При оценке эффективности прыжка я сравнил свой результат с результатом спортсмена, который поставил мировой рекорд по прыжкам в высоту. Спортсмен преобразует в энергию прыжка 50% энергии разбега, а я 25 %.

Заключение

1. Экспериментально установлено оценка механических возможностей исследуемого объекта при выполнении различных физических упражнений.
2. Произведены теоретические расчеты с применением физических формул.
3. Проведено сравнение теоретических расчетов с результатами эксперимента.
4. Объект эксперимента получил возможность узнать, на сколько процентов затрачивается его механическая энергия на выполнение полезной работы при беге, поднятии тяжестей, прыжках в высоту.
5. Установлено, от каких физических параметров зависят результаты контрольных упражнений.    
6. Результаты теоретических расчетов и объекта эксперимента    

    можно использовать для повышения уровня подготовки           обучающихся к соревнованиям.

7. Данные исследования можно провести группой обучающихся.
8. В проектной работе установлены межпредметные связи.

Список информационных ресурсов

1) Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2004 г.

    Электронные данные и программы (СD-ROM).

2) Чандаева С.А. Физика и человек. Закон сохранения   энергии: «Оценка механических возможностей человека» -    М.:АО «Аспект Пресс», 1994 г. – 336 стр.

3) Электронное приложение к учебному пособию «Intel® Обучение для будущего»   (CD - ROM).

4) Безденежных Е.А., Брикман И.С.Физика в живой природе и медицине.- Киев.,1976.