Могу ли я летать как Гарри Потер

НАУЧНО – ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«Старт в науку»

Кафедра «ФИЗИКА»

Автор: Ялунина Мария,

учащаяся 8 класса

МОУ «СОШ №1 г.Ртищево»

Руководитель: учитель физики

Ялунина Светлана Станиславовна

г.Ртищево, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1.  Обоснование возникшей проблемы

• Проблема;
• Объект и предмет исследования;
• Гипотеза;
• Полученный результат;
• Практическая значимость работы.

2. Введение
3. Силы, воздействующие на устройство для полетов
4. Мои расчеты, позволяющие преодолеть силу тяжести
5. Выводы
6. Список использованной литературы
7. Приложение №1. Словарь терминов

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗНИКШЕЙ ПРОБЛЕМЫ

ВВЕДЕНИЕ

Да, человеку труднее, чем птице.
Мы не летали веками, и крыльев не помним своих.
Но всё-таки в воздух манящий стремимся мы взвиться,
Крылья, наполнив мечтами и снами для них.

        … Полеты во сне и наяву. Если спросить любого человека, он наверняка признается, что хотя бы раз в жизни летал во сне. Русская народная мудрость говорит, что человек во сне растет. И можно задаться вопросом: почему же в детстве ребенок очень часто летает во сне, а когда становится взрослым, то практически теряет такую способность?

        И, тем не менее, мечта о полетах не только во сне всегда занимала умы человечества. Вспомним русские народные сказки. Сколько раз в них упоминаются полеты то на ковре-самолете, то в ступе, то на метле! Правда, зачастую летают с помощью этих невероятных предметов почему-то отрицательные герои. Например, Баба Яга – костяная нога, олицетворяющая злые силы природы, или ведьмы, приносящие людям горе и печали.

        Когда я задумалась о полётах, родители подсказала мне, что и другой известнейший русский писатель, Михаил Афанасьевич Булгаков, тоже упоминает о полетах ведьмы, но только не на метле, а на … половой щетке. Эта сцена, оказывается, широко известна и занимает одно из центральных мест в развитии сюжета самого знаменитого романа М.А. Булгакова «Мастер и Маргарита»:

        «Маргарита повесила трубку телефона, и тут в соседней комнате что-то деревянно заковыляло и стало биться в дверь. Маргарита распахнула ее, и половая щетка, щетиной вверх, танцуя, влетела в спальню. Концом она выбивала дробь на полу, лягалась и рвалась в окно. Маргарита взвизгнула от восторга и вскочила на щетку верхом … и, перелетев ворота, вылетела в переулок…».

        Можно возразить, что в те далекие от нас времена человечество еще не знало о таких фантастических, на их взгляд, аппаратах, как самолет, вертолет и космический корабль. Отсюда и вымыслы о невероятных летательных предметах, связанных, к тому же, с нечистой силой.

        Но в наши дни тема полетов с использованием совершенно для этого не приспособленных устройств имеет право на существование.

        Мне кажется, что не надо «зацикливаться» на уже известных применениях предметов, которые нас окружают. Если бы мы все мыслили стандартно, то до сих пор использовали бы для письма перьевые или шариковые ручки.

        Стандартность мышления мешает процессу развития цивилизации. Так вот, я думаю, что и идея о полетах при помощи метлы скоро окажется не только современной, но и перспективной.

        Обращусь к своей любимой книге Дж. К. Ролинг «Гарри Поттер и философский камень»:

        «В три тридцать Гарри, Рон и другие первокурсники Гриффиндора торопливым шагом подходили к площадке, где обучали полетам… Гарри вспомнил, как Джордж и Фред Уизли жаловались на школьные метлы, уверяя. Что некоторые из них начинают вибрировать, если на них подняться слишком высоко, а некоторые всегда забирают влево…

        Гарри посмотрел на метлу, напротив которой он оказался. Она была довольно старой, и несколько прутьев торчали в разные стороны.

- Вытяните правую руку над метлой! – скомандовала преподавательница полетов, встав перед строем ребят. – И скажите: «Вверх!»

- ВВЕРХ! – крикнуло двадцать голосов.

Метла Гарри прыгнула ему в руку. Затем Мадам Трюк показала ученикам, как нужно садиться на метлу, чтобы не соскользнуть с нее в воздухе.

- А теперь, когда я дуну в свисток, выс силой оттолкнетесь от земли, - произнесла мадам Трюк. – Крепко держите метлу, старайтесь, чтобы она была в ровном положении, поднимитесь на метр-полтора, а затем спускайтесь – для этого надо слегка наклониться вперед. Итак, по моему свистку – три, два…»

Как видим, идея о метле как средстве передвижения по воздуху не кажется современному человеку абсурдной. К тому же, если внимательно и дальше читать эту книгу, окажется, что нигде не упоминается о двигателях и моторах, установленных на метлу.

Я задалась целью понять, а может ли метла летать? Конечно, моих познаний в физике пока явно недостаточно. Но, тем не менее, попробую представить себе, что может повлиять или помешать моему полету с использованием такого необычного предмета.

Итак, какие физические силы воздействуют на метлу?

СИЛЫ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ НА УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛЕТОВ

          Рассмотрим индивидуальное средство для полетов модели «Метла».

Для того, чтобы взлететь, мне необходимо будет преодолеть силу, притягивающую к Земле. Что же это за сила? Почему, сколько ни подпрыгивай (с метлой или без нее), падаешь вниз? Итак, зададимся вопросом: почему тела падают?

        Этот вопрос интересовал ученых и простых людей с древних времен. Например, величайший мыслитель Древней Греции, воспитатель Александра Македонского, Аристотель, объяснял падение тел следующим образом: «Естественное место тел – на поверхности Земли, поэтому они стремятся занять это место». Сегодня это объяснение кажется наивным. Тем не менее, в известном смысле оно сходно с нашей современной точкой зрения. Аристотель просто говорил: «Тела падают. Это естественно». Однако он развивал свою схему слишком далеко. Он объяснял, что плывущие над нами облака поднимаются кверху потому, что их естественное место – быть наверху, на небе. Аристотель различал «естественное движение» (падающих тел) и «насильственное движение» (брошенных тел).

        Чтобы объяснить движение летящего тела, греки представляли, что оно поддерживается «напором воздуха», а для объяснения движения звезд и планет им потребовались еще более таинственные силы. Согласно представлениям греков, чтобы сохранить неизменным движение, необходим толчок. Стрела, пока она не отделилась от лука, движется под действием толчка, создаваемого тетивой. Для объяснения движения летящей стрелы потребовалось призвать на помощь еще одну силу. Эта сила – напор воздуха, толкающий стрелу, причем, не просто порыв ветра, движущийся вместе со стрелой, а циркуляция воздуха, при которой воздух впереди стрелы расталкивается в стороны и, обтекая стрелу, толкает ее сзади.

        Следуя описаниям древних, я попробую проиллюстрировать данную теорию так:

                                    - потоки воздуха, воздействующие на стрелу в полете

Таким образом, люди пытались объяснить движение тел в воздухе и найти силы, помогающие этому движению.

        Долгое время в науке господствовали аристотелевские традиции. И лишь много веков спустя знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей путем умозаключений и рассуждений (их он называл «мыслительными опытами») открыл закон падения тел в вакууме. В этом идеальном случае тела при падении движутся одинаково: начав падать одновременно, они движутся с одинаковой скоростью.

          А открытие, и изучение одного из основных законов природы – закона всемирного тяготения – стало замечательным триумфом физической науки. Этот закон открыл великий английский ученый Исаак Ньютон. После открытия закона выяснилось, что найдена, наконец, и математически описана главная сила природы, движущая мирами, сила, которой подвластны и молекулы воздуха и небесные тела.

Мы не замечаем, чтобы притягивались друг к другу окружающие нас предметы. Земля притягивает к себе любые тела, в этом сомнений нет. Но, может быть, это особое свойство принадлежит только Земле? Оказывается, это не так. Притяжение двух любых предметов просто очень невелико и лишь поэтому не бросается в глаза. Специальными опытами это притяжение можно обнаружить.

        Но первым об этом догадался Ньютон: он предположил, что и яблоко также притягивает к себе Землю, но с силой во столько раз меньшей, во сколько раз масса яблока меньше массы Земли.

        Оказывается, не только Земля будет притягивать меня, когда я попытаюсь взлететь, но и я сама, сидящая на метле, притягиваю к себе Землю. Если учесть, что масса Земли – 5976 · 1021 кг, а моя масса вместе с метлой – 50 кг, произведем несложные вычисления, во сколько раз сила моего притяжения меньше силы притяжения Земли: для этого надо разделить мою массу на массу Земли, получим ничтожно малое значение 8, 37 · 10-24 раз!

                Суть закона Ньютона можно сформулировать следующим образом:

Физические тела притягиваются друг к другу с силой  F, пропорциональной их массам  m1 и m2 и обратно пропорциональной квадрату расстояния  r  между ними:

          ,                где

расстояние между телами – это расстояние между их центрами, а коэффициент  был определен экспериментально Г. Кавендишем в 1798 году и назван гравитационной постоянной. Коэффициент этот равен 6,67 · 10-11 Н·м2/кг2.

Вообще, слово «гравитация» латинского происхождения и означает «тяжелый» или «весомый».

        Для того чтобы на метле преодолеть силу земного притяжения, придется создать силу, противодействующую гравитации. С этой задачей легко справился английский фантаст Уэллс. В своем произведении «Первые люди на Луне» остроумный писатель указывает на весьма оригинальный способ путешествовать с планеты на планету. А именно: ученый, герой его романа, изобрел состав, который обладает замечательным свойством – непроницаемостью для силы тяготения. Если слой такого состава подвести под какое-нибудь тело, оно освободится от притяжения Земли и будет подвержено  действию притяжения только остальных тел.

        «Мы знаем, что для всемирного тяготения, то есть для силы тяжести, проницаемы все тела. Вы можете поставить преграды, чтобы отрезать лучам света доступ к предметам; с помощью металлических листов можете оградить предмет от доступа электрических волн радиотелеграфа, - но никакими преградами не моете вы защитить предмет от действия тяготения Солнца или от силы земной тяжести. Отчего, собственно, в природе нет подобных преград для тяготения, - трудно сказать».

        Обладая таким удивительным веществом, герои романа сооружают небесный корабль, в котором и совершают смелый полет на Луну. Устройство снаряда весьма несложное: в нем нет никакого двигательного механизма, так как он перемещается под действием притяжения светил.

        Увы, не владея подобным веществом, полет на метле мне кажется все более и более проблематичным.

        Быть не только легким, но и стать легче воздуха, чтобы, избавившись от докучных оков силы тяжести, свободно подняться высоко над Землей куда угодно, - вот мечта, которая с детства кажется многим заманчивой. При этом обыкновенно забывают об одном – что люди могут свободно двигаться на Земле только потому, что они тяжелее воздуха. В сущности, «мы живем на дне воздушного океана», - как провозгласил Торричелли, и если бы почему-либо мы сделались бы вдруг в тысячу раз легче – стали бы легче воздуха, - то неизбежно должны были бы всплыть к поверхности этого воздушного океана. Мы поднялись бы вверх на целые километры, пока не достигли бы области, где плотность разреженного воздуха равна плотности нашего тела. Мечты о свободном витании над горами и долинами рассыпались бы прахом, так как, освободившись от оков силы тяжести, мы сделались бы пленниками другой силы – атмосферных течений.

        Есть ли такая сила, способная преодолеть силу тяжести? Из курса физики мне известно, что такая сила существует. Это Архимедова сила.

        Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.

Закон Архимеда применим не только к жидкостям, но и к газам: сила, выталкивающая тело из газа, также равна весу газа, взятого в объеме этого тела. Каждое тело в воздухе теряет из своего веса столько, сколько весит вытесненный телом объем воздуха.

        Определим величину той силы, которая необходима для подъема летательной конструкции, т.е. человека на метле. Очевидно, она должна быть численно больше силы тяжести, действующей на конструкцию и по направлению противоположна направлению действия силы тяжести. Таким образом,        

Сила тяжести определяется произведением массы конструкции и ускорением свободного падения, т.е.

,  где mк – масса летательной конструкции (которая представляет собой сумму масс человека и метлы),  - ускорение свободного падения. Массу конструкции принимаем за 50 кг (48 кг (моя масса) + 2 кг (масса метлы)), g – за .

Значит, . Теперь определим архимедову силу по формуле:

,    где ρвозд – плотность воздуха, Vк – объём

конструкции. Из формулы выведем объем конструкции:

.    Считая, что FАрх не менее 441 Н, а плотность воздуха

ρ , ускорение свободного падения g , вычислим по

формуле объем конструкции Vк.

Итак, для того, чтобы создать необходимые условия для преодоления силы тяжести (в нашем случае Fтяж = 490 Н) за счет архимедовой силы, объем летательной конструкции должен быть не менее 39 м3.

Объем моего тела намного меньше.                

МОИ  РАСЧЕТЫ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ  ПРЕОДОЛЕТЬ  

СИЛУ ТЯЖЕСТИ

        Так как же все-таки подняться в воздух? Люди с древних времен мечтали научиться летать так же свободно, как птицы, парить над облаками, плавать в воздушном океане. И их мечта осуществилась. Правда, не с помощью волшебной метлы и ступы. Впервые оторваться от земли, используя нагретый воздух, удалось братьям Монгольфье Жаку и Жозефу. Первые воздухоплаватели, овца, петух и утка, вернулись на землю благополучно.

Убедившись, что подъем в воздух не грозит опасностью, стали летать на воздушных шарах и люди. Первый такой полет совершили в ноябре 1783 года французы Пилатр де Розье и д’Арланд. Шар продержался в воздухе 25 минут. Началась эра воздухоплаванья.

        Для воздухоплаванья вначале использовали воздушные шары, которые раньше наполняли нагретым воздухом, сейчас – водородом и гелием.

Рассчитаем подъёмную силу.

Объем воздушного шара заполняется газом легче воздуха. Вычисляем вес газа, заполнившего оболочку шара.

Выталкивающая сила (архимедова), действующая на этот шар в воздухе, равна весу воздуха объема данного шара.

Разность архимедовой силы и веса газа и будет величиной, равной подъемной силе данного шара. Представим это следующей формулой:

    , где Fпод – подъёмная сила, FАрх – архимедова сила, Pгаза – вес газа, заполняющего шар.

Из формулы  .

        , где mгаза – масса газа, заполняющего шар,

ρгаза – плотность этого газа,

V – объём шара,

g – ускорение свободного падения.

            .

         ,  где g – ускорение свободного падения,

ρвозд – плотность вытесняемого воздуха,

ρгаза – плотность газа.

Из формулы выведем формулу для объема шара:

Из формулы (V), для необходимой подъемной силы, можно вычислить объем шара, заполняемого разными видами газа легче воздуха.

         Поясню на примере.

        Вес нашей конструкции из вычислений

.

        Значит, величина подъемной силы должна быть не менее 490 Н.

        Какой же объем шара V1, заполненного водородом, необходим для этой цели?

, , , .

 .

Определим объем шара V2, заполненного гелием, для такой же подъемной силы.

.

Намного ли меньше объем шара, заполненного водородом, по сравнению с шаром, заполненного гелием?

.

Сравним величины подъемных сил шара объемом 1 м3, заполненных водородом Fпод 1 и гелием Fпод 2.

,

где Fпод 1 - подъемная сила шара объемом 1 м3, заполненного водородом.

,

где Fпод 2 - подъемная сила шара объемом 1 м3, заполненного гелием.

Гелий в два раза тяжелее водорода, и подъемная сила наполненного им шара меньше. Однако будет ли это различие существенно?

.

        Подъемная сила уменьшилась всего лишь на 7,5 %. Серьезный недостаток водородных аэростатов – горючесть водорода. Вместе с воздухом водород образует взрывчатую смесь. В истории создания аэростатов отмечены трагические случаи.

        Поэтому когда был найден гелий, им стали заполнять воздушные шары. В тоже время достоинства гелия очевидны. Воздушный шар поднимается и плавает в атмосфере в полном соответствии с законом Архимеда. И чем больше он теряет своего веса, тем больше его подъемная сила. Если вес всего летательного аппарата, сложенный с весом газа, заполняющего оболочку, меньше веса воздуха в объеме, вытесняемом аппаратом, то шар поднимается вверх; если эти веса равны, шар неподвижно висит в воздухе; если вес аппарата больше веса вытесняемого воздуха, шар опускается. Но по мере того, как шар поднимается выше и выше, и окружающий воздух становится все разреженнее, несущий газ в оболочке расширяется. Чтобы избежать ее разрыва, некоторая часть газа стравливается наружу. Однако уменьшение количества газа неизбежно снижает подъемную силу, и на определенной высоте шар перестает подниматься.

       Гораздо проще осуществить подъем и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием, находящимся в нижней части шара, располагают горелку. При помощи газовой горелки можно регулировать температуру воздуха, а значит, и его плотность и выталкивающую силу. Чтобы шар поднялся выше, достаточно сильно нагреть воздух в нем, увеличив пламя горелки. При уменьшении пламени горелки температура воздуха в шаре уменьшается, и шар опускается вниз.

        Можно подобрать такую температуру в шаре, при которой вес шара и кабины будет равен выталкивающей силе FА. Тогда шар повиснет в воздухе и с него будет легко проводить наблюдения.

        Аэростат был первым аппаратом, при помощи которого люди поднялись в воздух.

        Аэростаты и сейчас используются для научных целей. При помощи современных шаров-зондов и аэростатов, поднимающихся с автоматическими приборами и радиостанциями на 30-40 км, ученые исследуют атмосферу Земли.

        Используют аэростаты и как стартовые площадки для запуска метеорологических ракет и для подъема телескопов.

        К сожалению, я пришла к выводу, что мне не удастся, как Гарри Поттеру, преодолеть силу тяжести на метле без дополнительных устройств. Уровень моих познаний в физике на сегодняшний день недостаточен для объяснения явления левитации. Но вполне возможно рассчитать необходимую силу подъема меня на воздушном шаре, опираясь на закон Архимеда.

ВЫВОДЫ

1. Закон Всемирного Тяготения нарушить невозможно, но можно взлететь, зная его.

2. Сила тяжести не может быть помехой полету. И если нельзя взлететь на метле и в ступе, то можно на воздушном шаре.

3. Не обладая волшебной силой и не имея достаточных познаний в магических науках, я не смогу летать, как Гарри Поттер, но надеюсь, что дальнейшее развитие науки позволит мне совершить это фантастический на сегодняшний день полет …

Полёты издавна привлекали людей.

 Люди рвались в воздух, к небу.

Их звала голубая синева и яркие звёзды.

 И тогда, наверное, кто-то догадался:

 люди не летают для того, чтобы научится летать.

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Я.И. Перельман «Занимательная физика», книги 1, 2, М., Наука

2. Л.Д. Ландау, А.И. Китайгородский «Физические тела», книга 1, М., Наука

3. Р.И. Грабовский «Курс физики», М., Лань

4. Л.Я. Гальперштейн «Забавная физика», М., Детская литература

5. И.Г. Кириллова «Книга для чтения по физике», 6-7 класс, М., Просвещение

6. А.И. Семке «Занимательные материалы к урокам физики», М., НЦ ЭНАС

7. Эрик Роджерс «Физика для любознательных (материя, движение, сила)», книга 1, М., Мир

8. Л.А. Друянов «Законы природы и их познание», М., Просвещение

9. Энциклопедия для школьников «Что такое? Кто такой?», том 1, 2, М., Педагогика-пресс

10.  Дж. К. Ролинг «Гарри Поттер и философский камень», М., Росмэн

11.  М.А. Булгаков «Мастер и Маргарита», М., Художественная литература

12.  Г. Уэллс «Первые люди на Луне», М., Детская литература

13.  Н.В. Гоголь «Ночь перед Рождеством», М., Художественная литература

Приложение№1

СЛОВАРЬ  ТЕРМИНОВ

Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.) – величайший мыслитель Древней Греции, философ, математик, физик, автор знаменитой «Физики» в 8-ми томах

Архимед (около 287 – 212 г.г. до н.э.) – древнегреческий ученый, математик, механик, физик. Установил правило рычага, открыл законы гидростатики

Архимедова сила – сила, выталкивающая погруженное в жидкость или газ тело

Аэростат (от греч. aer – воздух и statos – стоящий, неподвижный) – летательный аппарат легче воздуха, типа воздушного шара

Галилео Галилей (1564 – 1642 гг.) – гениальный итальянский ученый, математик, астроном. Один и основателей точного естествознания. Опроверг ошибочные утверждения динамики Аристотеля и заложил основы современной механики: выдвинул идею об относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости.

Гарри Поттер – герой цикла романов Дж. К. Ролинг о школе волшебников

Гравитация (от латинского gravitas – тяжесть) – то же, что и тяготение

Кавендиш Генри (1731 – 1810 г.г.) – английский физик и химик. С помощью крутильных весов в 1798 г. Подтвердил закон всемирного тяготения, определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли.

Левитация – способность некоторых людей к полетам в пространстве без каких-либо приспособлений

Монгольфье – французские изобретатели воздушного шара. В 1783 г. Построили воздушный шар, наполненный горячим дымом.

Ньютон Исаак (1643 – 1727  г.г.) – величайший английский ученый. Открыл основные законы движения тел и закон тяготения, изучил важные свойства света, разработал разделы высшей математики        

Сила тяжести – сила, с которой Земля притягивает к себе тела

Стратостат – воздушный шар для исследования стратосферы

Торричелли Эванджелиста (1608 – 1647 гг.) – итальянский ученый XVII в. Измерил атмосферное давление, разработал ряд вопросов в физике и математике.

Тяготение – универсальное взаимодействие между любыми видами физической материи