Исследовательская работа "Балансирующие игрушки".

Балансирующие игрушки.

Введение.

Однажды в кафе нам предложили купить удивительную игрушку. Это была пирамида, и птичка, которая держалась только кончиком клюва.

Одна единственная точка опоры и тело, расположенное перпендикулярно земле.
На первый взгляд кажется, что все это какой-то технический или визуальный фокус, и все это очень эфемерно, и рухнет сразу же, стоит только задеть. Но на самом деле, конструкция весьма надежна, может быстро вращаться вокруг собственной оси, да и сбросить птичку с постамента не так легко.  Мне стало очень интересно, как это работает. Тогда я стала искать информацию в интернете и книгах. Оказалось, все дело в физических законах. Кажется, что игрушка их нарушает. В действительности же, строго им следует. Центр тяжести птички приходится аккуратно на клюв. Сделана игрушка из легкого материала.

Поэтому целью моей работы стало: изучить основы понятия о равновесии, центре тяжести и точке опоры.

Задачами этой работы являются:

1. Понять, что такое центр тяжести, и как знания о нем используются.
2. Проделать опыты, демонстрирующие разные виды равновесия.
3. Изготовить игрушки, действие которых основано на законах равновесия.

1. Понятие о центре тяжести и точке опоры.

У каждого предмета есть центр тяжести. И от его положения зависит очень многое. Например, устоит ли башня или рухнет, может ли человек сохранить равновесие и многое другое. Например, у однородной палки (такой, как, например, черенок лопаты) он находится точно на ее середине, у крышки кастрюли — в ее центре. Для того чтобы горизонтально подвесить палку, понадобятся самое маленькое две нитки, привязанные к ее концам, но, воспользовавшись центром тяжести, можно обойтись и одной ниткой, привязанной к самой середине палки. Чтобы крышка кастрюли висела горизонтально, тоже вместо нескольких ниток достаточно одной, привязанной в ее центре (за ушко).

 От положения центра тяжести зависит равновесие предмета. Если центр тяжести находится ниже точки опоры и точно под ней, будет самое устойчивое равновесие.

Дело в том, что все тела стремятся принять положение равновесия. Если из центра тяжести тела провести линию, перпендикулярную полу, то в случае, когда линия выходит за границы опоры тела, тело упадёт. Чем больше площадь опоры, чем ближе расположен центр тяжести тела к центральной точке площади опоры и центральной линии центра тяжести, тем более устойчивым будет положение тела. Например, центр тяжести знаменитой Пизанской башни расположен всего в двух метрах от середины её опоры. А падение случится лишь тогда, когда это отклонение составит около 14 метров. Центр тяжести тела человека находится примерно на 20,23 сантиметра ниже пупка. Воображаемая линия, проведённая отвесно из центра тяжести, проходит ровно между ступнями.

Равновесие бывает неустойчивым, безразличным и устойчивым.

Неустойчивое равновесие будет тогда, когда смещение тела на небольшое расстояние приводит к его движению. Например, если тронуть шарик, лежащий на вершине горки, то шарик скатится вниз и не сможет вернуться в прежнее положение.

Безразличное равновесие, если тело при смещении на небольшое расстояние так и останется в нем. Например, если сдвинуть шарик, лежащий на ровной поверхности, то он будет теперь спокойно лежать на новом месте.

А устойчивое равновесие это когда при смещении тела на небольшое расстояние оно стремиться принять прежнее положение (например, мячик, который лежит в ямке, будет все время скатываться на ее дно). Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела занимает самое низкое положение из всех возможных соседних положений.

СОРЕВНОВАНИЕ ДВУХ КАРАНДАШЕЙ 

Возьмите два граненых карандаша и держите их перед собой параллельно, положив на них линейку. Начните сближать карандаши. Сближение будет происходить поочередными движениями: то один карандаш движется, то другой. Даже если вы захотите вмешаться в их движение, у вас ничего не получится. Они все равно будут двигаться по очереди.

 Почему это происходит? Как только на одном карандаше давление стало больше и трение настолько возросло, что карандаш дальше двигаться не может, он останавливается. Зато второй карандаш может теперь двигаться под линейкой. Но через некоторое время давление и над ним становится больше, чем над первым карандашом, и из-за увеличения трения он останавливается. А теперь может двигаться первый карандаш. Так, двигаясь по очереди, карандаши встретятся на самой середине линейки у ее центра тяжести. В этом легко убедиться по делениям линейки.

ОПЫТ С НЕУСТОЙЧИВЫМ РАВНОВЕСИЕМ 

Равновесие будет устойчивым, если центр тяжести находится ниже точки опоры и точно под ней. Это значит, что, если отвесная линия проходит через точку опоры или подвеса и через центр тяжести, уже можно надеяться, что равновесие будет обеспечено.

 Шар, который лежит на столе, всегда будет находиться в состоянии равновесия, потому что его центр тяжести (а он находится в центре шара) будет соединен с точкой опоры отвесной линией, как бы мы шар ни передвигали. Такое равновесие называется безразличным. Другое дело, если вы захотите, чтобы шар удержался на кончике пальца. И хотя такое равновесие будет очень неустойчивым, но все-таки, оказывается, и оно возможно. Ведь не только жонглеры в цирке легко держат большие мячики на кончике пальца, но и животные: дрессированные морские львы, например, удерживают шар на кончике своего носа. И вы сможете научиться держать большой мяч на кончике пальца. Весь секрет заключается в том, чтобы быстро передвигать точку опоры — ваш палец — под центр тяжести мячика. Как только мяч начнет падать, он сдвинется с отвесной линии, соединяющей его центр с точкой опоры. Сразу же надо выправить положение — подвести точку опоры под центр мяча. Сначала, конечно, у вас ничего не получится, но после тренировок вы постепенно добьетесь успеха. И ваши быстрые движения для восстановления равновесия почти не будут со стороны заметны. Зрителям будет казаться, что мяч спокойно держится на вашем пальце, даже не собираясь падать.

УСТОЙЧИВЫЙ КАРАНДАШ

     Попробуем поставить карандаш на острие. Можно возиться хоть целый день. И все-таки есть очень простой способ заставить карандаш стоять. Это старинный, очень наглядный опыт. Зачиним карандаш, чтобы у него был острый конец, и немного выше конца воткнем полураскрытый перочинный нож, раскрытый не до конца. На рисунке ясно видно, как это сделать. Поставим острие карандаша на указательный палец, и карандаш будет стоять на пальце, слегка покачиваясь. Раскрывая нож больше или меньше, можем устанавливать карандаш не только прямо, но и наклонно. И все равно он не будет падать, даже если его толкнуть. Немножко    покачается —и    останется стоять на острие! Почему же карандаш без ножа падает, а с ножом стоит? Ведь в обоих случаях карандаш опирается на острие. Это его точка опоры. Но в первом случае точка опоры находилась в самом низу. А во втором —под ней висел перочинный нож. Ясно, что дело здесь именно в ноже. Если карандаш наклонится   и   начнет   падать —нож будет подниматься вверх. Но ведь нож тяжелее, он тянет вниз и заставляет карандаш снова выпрямиться. Где находится центр тяжести карандаша и перочинного ножа? Ответ простой: на пересечении отвесной линии, проведенной через точку опоры и рукоятку ножа. То есть в самой рукоятке, значительно ниже точки опоры.

       В своем труде "О равновесии плоских тел" Архимед употреблял понятие центра тяжести. Видимо, оно впервые было введено неизвестным предшественником Архимеда или же им самим, но в более ранней, не дошедшей до нас работе. Прошло 17 веков и Леонардо да Винчи сумел найти центр тяжести тетраэдра. Он же, размышляя об устойчивости итальянских "падающих" башен, в том числе - Пизанской, пришел к "теореме об опорном многоугольнике".

Как определять центр тяжести плоской фигуры?

Вырежьте из картона фигуру произвольной формы и проколите в нескольких местах хотя бы пару отверстий (для большей точности лучше ближе к краям). Вколите в вертикальную деревянную стену иголку и повесьте на ней фигуру за любое отверстие. Помните: фигурка должна свободно качаться на игле! Сделайте отвес из тонкой нити и груза, завяжите петлю на свободном конце нити, и повесьте его на ту же иглу. Отвес будет указывать вертикальное направление на подвешенной фигуре. Отметьте на фигурке вертикальное направление нити. Снимите фигуру, подвесьте её за другое отверстие и снова отметьте уже новое направление нити отвеса. Точка пересечения вертикальных линий укажет положение центра тяжести данной фигуры.

     Простая на первый взгляд детская игрушка неваляшка на самом деле является гениальной инженерной конструкцией. Подобное решение нашло свое применение в судостроении. Для вас мы решили секрет неваляшки, который всегда мучил многих детей. В нижней части сферы находится цилиндр, выполненный из плотного картона. На дне цилиндра установлен балласт, в который по кругу вставлены металлические прутья. В центре всей этой конструкции на проволоке висит металлическая круглая шайба, которая при ударе о прутья создает звук.

Так почему же неваляшка никогда не падает? Ответ прост.

Центр тяжести у этой игрушки расположен в ее самой нижней части, она фактически стоит на нём. По этой простой причине они и обладают такой удивительной устойчивостью.

Как применяют знания о равновесии в судостроении, строительной технике.

Судно не опрокидывается, если в трюмах, расположенных ниже поверхности воды, лежат грузы. Чем больше грузов, тем корабль устойчивее. Так как центр тяжести ниже точки опоры.

Подъёмный кран не опрокидывается, поднимая грузы, так как платформа-противовес тяжелая и большая. Площадь опоры и центр тяжести расположены рядом друг с другом. Значит, система находится в устойчивом равновесии.

А теперь сделаем балерину из бумаги. Как и предыдущие игрушки, эта балерина не простая - она умеет грациозно балансировать на тонкой ниточке или на кончике пальца. А все из-за того, что у игрушки смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет балерине стоять и не падать.

Для того, чтобы сделать балерину, нам понадобится:

1. Картон

2. Кусочек медной проволоки длиной около 25 см.

3. Канцелярские скрепки - 6 шт.

  ФОТО

4.Заключение.

Я рассмотрела, что такое равновесие. Какие бывают виды равновесия.

Из опытов убедилась, что от положения центра тяжести зависит равновесие предмета. Равновесие устойчивое в том случае, если через центр тяжести и точку опоры провести вертикальную линию, и центр тяжести будет под точкой опоры или они будут расположены как можно ближе друг к другу.

Я смогла уравновесить различные предметы, зная законы равновесия.

Мне стал понятен принцип работы неваляшки, балансирующей птички. Я узнала, как люди научились применять эти знания в быту, на стройке, в кораблестроении, в цирке и во многих и многих отраслях.