Применение законов механики к исследованию физических возможностей человека

Физика - это наука, помогающая человеку познавать мир, и она способна помочь ему лучше узнать себя. Поэтому моя работа посвящена не машинам и механизмам, а человеку, на которого я хочу посмотреть глазами физика. Меня всегда увлекало применение знаний, полученных на уроке, для объяснения окружающих явлений.

В физическом справочнике можно найти значения скоростей автомобилей, самолетов, птиц и даже бабочек, а с какой скоростью может двигаться моя рука или палец - неизвестно. Мы знаем мощности тракторов, турбин на электростанции, космических ракет, а какую мощность развиваем сами, опять не знаем.

В работе с помощью законов механики изучаются физические возможности учеников с 7 по 11 класс такие, как максимальная скорость руки в броске мяча, время реакции на световые и звуковые сигналы, максимальная скорость пальца в щелчке, максимальная мощность, развиваемая при быстром подъеме по лестнице. В первом исследовании были проведены измерения дальности и времени полета мяча, что позволило рассчитать скорость руки, приобретаемую в броске. Но у меня появилось сомнение в равенстве истинного времени полета и измеренного, так как продолжительность этого процесса очень мала. Поэтому в следующем эксперименте мною было определено время реакции человека на световые и звуковые сигналы.

Третье исследование посвящено измерению скорости движения пальца в щелчке. Оказалось, что он развивает скорости, сравнимые со скоростями полета майского жука и мухи.

В последнем исследовании я рассчитала мощность человека при быстром подъеме по лестнице. Проведенная работа позволила мне узнать много нового, интересного и неожиданного: рука человека способна развить такую же скорость, как ворона или ласточка, скорость пальца сравнима со скоростью шмеля, а у некоторых старшеклассников мощность при подъеме по лестнице превышает мощность лошади. Для получения объективных результатов исследования проводились с привлечением большого количества учащихся. Автор благодарит их за оказанную помощь.

Определение максимальной скорости движение руки.

Цель: определить максимальную скорость движения руки в броске.

Необходимое оборудование: теннисный мяч, рулетка и секундомер.

Описание эксперимента.

Максимальную скорость движения руки определим, бросая мяч на спортплощадке. Измерение максимальной высоты полета мяча заменим измерением с помощью секундомера максимальной длительности его полета t.

Здесь мы имеем дело с движением мяча, получившего начальную скорость под некоторым углом к горизонту. Будем считать, что влиянием воздуха на движение можно пренебречь. Тогда на мяч действует только сила тяжести, сообщающая ему ускорение свободного падения, направленное вертикально вниз. Определим начальную скорость, сообщаемую рукой мячу.

Пусть из некоторой точки О брошен мяч с начальной скоростью V0 под углом α к горизонту, тогда начальную скорость мяча можно определить так:

V0= (V0X┼V0Y )1/2

Измерив время t и дальность L полета мяча в горизонтальном направлении, получаем:

L=V0 X t, откуда имеем V0 X = L/ t.

Так как время подъема мяча и его падения равны, то время движения до высшей точки траектории вдвое меньше всего времени движения t п = t /2, а скорость там будет направлена параллельно горизонту:

VY= V0Y ┼ g Y t;

0= V0Y ┼g Y t п ;

V0Y = g t /2.

Окончательно получаем:

V0= (L2/ t 2 ┼ g2 t2п /4)1/2

Рисунок 1.

Результаты эксперимента.

Средний результат скорости Наибольшее значение скорости м/с км/ч м/с км/ч девушки 140 50,3 16,7 60,1

13-15 лет девушки 15,4 55,4 18,1 65,2

16-17 лет как у вороны юноши 17,4 62,6 21,1 76,0

13-15 лет как у ласточки юноши 21,1 76,0 22,5 81,0

16-17 лет как у скворца

Посмотрите внимательно на результаты:

дальность полёта, м время полёта, с. скорость руки м/с

Зыкова В. 9кл. 14,0 1,4 12,1

Крюков В. 7кл. 31,4 1,9 12,0

Воротников А. 8кл. 29,3 3,0 17,7

Лесюк Р. 8 кл. 19,7 1,2 17,4

При значительно отличающихся значениях дальности броска (у Зыковой В и Крюкова В, у Воротникова А и Лесюка Р) мы получаем примерно равные скорости движения руки. Следовательно, замер дальности метания мяча не может служить объективным показателем физического развития учащегося.

Измерение времени реакции человека на звуковые и световые сигналы.

Оборудование: два секундомера.

Мы измеряли время полета мяча с помощью электронного секундомера с точностью до сотых долей секунды. Но на сколько соответствуют наши измерения истинному значению времени полета мяча?

Взаимодействие человека с окружающим миром осуществляется путем восприятия органами чувств различных сигналов, передачи возбуждения через нервные волокна в соответствующие участки головного мозга, переработки поступающей от органов чувств информации и выработки решения, посылки головным мозгом по нервным волокнам командных сигналов группе мышц и выполнения мышцами необходимого действия.

Хотя скорость передачи возбуждения по нервным волокнам довольно велика и составляет 50 – 100 м/с, даже при совершении очень простых действий, например, при нажатии кнопки по звуковому и световому сигналу, обязательно происходит запаздывание выполнения необходимого действия по отношению ко времени поступления сигнала.

В следующем исследовании мы определим время своей реакции на звуковые и световые сигналы.

Описание эксперимента.

В эксперименте участвуют два экспериментатора: испытуемый и контролер. проведения Сначала экспериментатор-испытуемый, время реакции которого необходимо измерить, берет секундомер №1, а экспериментатор –контролер берет секундомер №2. Оба экспериментатора готовятся к запуску секундомеров и располагаются рядом так, чтобы секундомер экспериментатора- контролера был виден экспериментатору - испытуемому. Первым запускает свой секундомер (№2) контролер, а испытуемый должен запустить свой секундомер (№1) в тот момент, как увидит движение стрелки секундомера №2.

После запуска секундомеров таким способом испытуемый и контролер обмениваются секундомерами и производят остановку секундомеров в том же порядке, в каком был осуществлен их запуск: контролер останавливает секундомер №1, а испытуемый – секундомер №2 в момент, когда заметит остановку стрелки секундомера № 1.

Так как из-за существования времени реакции испытуемый запустил секундомер №1 с опозданием на время реакции ∆, показания секундомера №1 должны быть меньше показаний секундомера №2 на время t реакции испытуемого t.

Однако после обмена секундомерами испытуемый опоздал с остановкой секундомера №2 еще на интервал времени ∆t, так что общая разница в показаниях секундомеров равна удвоенному времени реакции испытуемого: t2 – t1 = 2 ∆t.

Отсюда время ∆t реакции испытуемого на световой сигнал определится выражением: t = (t2 – t1)/2 где ∆t - время реакции испытуемого, t1 и t2 – показания секундомеров.

Результаты эксперимента:

№ опыта время реакции, с № опыта время реакции, с среднее значение времени реакции, с

1. 0. 27 10. 0. 04 0. 14

2. 0. 08 11. 0. 07

3. 0. 05 12. 0. 08

4. 0. 14 13. 0. 15

5. 0. 11 14. 0. 18

6. 0. 17 15. 0. 27

7. 0. 14 16. 0. 12

8. 0. 13 17. 0. 14

9. 0. 18 18. 0. 16

Выводы:

• Время реакции человека на световые и звуковые сигналы составляет 0,14 с. Много это или мало? Судите сами: электропоезд за это время проедет 3,2 м, мопед – 1,9 м, спортсмен пробежит 1,4 м, пуля пролетит 100 метров.

• Хотя электронный секундомер позволяет измерять интервалы времени с точностью до 0,01 секунды, но, учитывая реакцию человека, достаточно время полета мяча в первом исследовании замерять с точностью до десятых долей секунды.

Исследование № 3.

Определение максимальной скорости движения пальца руки.

Цель: определить максимальную скорость движения пальца руки в щелчке.

Описание эксперимента.

Для определения максимальной скорости движения пальца руки измерим максимальную скорость, которую палец может сообщить телу небольшой массы, например ластику. Для этого, положив ластик на край стола, щелкнем по нему пальцем. После чего ластик будет сначала двигаться горизонтально, но под действием силы тяжести его траектория примет вид ветви параболы. Движение тела является сводным падением с ускорением g, направленным вертикально вниз.

Заметим точку падения ластика на пол. Измерим максимальное расстояние s от стола до места падения ластика. Определим дальность полета в горизонтальном направлении по формуле

. Скорость V ластика вычислим по формуле: V= S/ t.

Движение по вертикали является равноускоренным. Время t падения ластика можно найти, измерив высоту стола H и используя формулу: H = g t 2 / 2, откуда t = (2Н/g)1/2

Время падения не зависит ни от начальной скорости, ни от массы ластика.

Для скорости окончательно получим:

V= S / (2Н/g) 1/2

Рисунок 2.

Результаты эксперимента.

Средний результат скорости Наибольшее значение скорости м/с км/ч м/с км/ч девушки 4,0 14,4 4,9 17,6

13-15 лет девушки 3,6 13,0 4,4 15,8

16-17 лет как у майского жука юноши 5,4 19,6 7,4 26,6

13-15 лет как у комнатной мухи юноши 7,1 25,6 8,2 29,5

16-17 лет как у шмеля

Из формулы V= S / (2Н/g) 1/2 видно, что дальность полета тела прямо пропорциональна начальной скорости, а значит может служить объективным критерием физической силы учащегося.

Следовательно, для получения хорошего результата на уроках физической культуры мяч необходимо бросать горизонтально, а не под углом к горизонту.

Исследование №4.

Определение своей максимальной мощности при подъеме по лестнице.

Цель: определить свою максимальную мощность.

Необходимое оборудование: линейка, весы медицинские, секундомер.

Описание эксперимента.

Подсчитаем число ступеней n лестницы, на которую будем взбегать, засечем время, измерим высоту каждой ступени h и массу своего тела m.

Мощность характеризует быстроту совершения работы

N= A / t (1)

Взбегая по лестнице, мы совершаем работу против силы тяжести

A= m g ∆h (2), где ∆h перепад высоты, который мы найдем так ∆h= n h, откуда окончательно получаем:

N= m g n h /t

Результаты эксперимента.

среднее значение мощности наибольшее значение мощности

Вт л. с. Вт л. с.

девушки 428 0,58 538 0,73

13 – 15 лет девушки 469 0,64 887 1,21

16 – 17 лет юноши 502 0,68 754 1,03

13 – 15 лет юноши 927 1,26 1388 1,89

16- 17 лет

Выводы: измеренную мощность я выразила в несистемной единице измерения мощности - лошадиная сила, чтобы понять, как могли женщины и дети в годы войны запрягаться в плуг вместо лошади и пахать землю. Оказалось это очень тяжело, но реально.

И еще, в таблице указана мощность в рывке, а не при длительной работе.

Заключение.

Исследования, проведенные мною, позволяют сделать выводы:

1. Максимальная скорость движения моей руки равна 14,5 м/с, с такой скоростью летает ворона.

2. Скорость движения моего пальца в щелчке 4 м/с. Это больше скорости полета майского жука, но меньше скорости комнатной мухи.

3. Теперь я знаю, что метать мяч на уроках физической культуры следует горизонтально, тогда дальность полета будет больше.

4. Физические характеристики (скорости, развиваемые рукой в броске и пальцем в щелчке; мощность при быстром подъеме по лестнице) мальчиков превышают аналогичные показатели девочек. С возрастом и у девушек и у юношей эти показатели увеличиваются.

5. По результатам моих исследований при реагировании на звуковые и световые сигналы происходит запаздывание примерно на 0,14 секунды. Этот факт, например, необходимо учитывать водителю автомобиля и мне, как пешеходу, так как безопасность движения определяется не только техническими характеристиками транспортных средств и состоянием дороги, но и психофизиологическими способностями человека, управляющего транспортным средством или собственным телом.