Творческий проект «Игрушки - балансиры»

Творческий проект:

« Игрушки - балансиры».

Выполнили:

Товстик Тимофей 6Б класс

Деменев Кирилл 6Б класс

Работу проверила:

Клячина Ирина Валерьевна

Учитель Технологии

МАОУ «СОШ 41» г. Перми
 

г. ПЕРМЬ, 2019 год

Содержание:

Введение.

С детства мне было интересно узнать, как устроены игрушки. Я разбирал их, порой ломал. Мое внимание привлекли неваляшка и балансирующая птичка. Обе игрушки могли удерживать равновесие. Я разобрал игрушки, увидел в каждой из них грузики. Но мне было непонятно, как грузики влияют на равновесие.

Родители сказали, что действие игрушек основано на законах физики о равновесии. Мне стало интересно узнать, что такое равновесие. Я захотел попробовать самостоятельно сделать игрушки, проделать опыты, связанные с равновесием. То, что у меня получилось, я представил в своей работе. Конечно, мы вернемся к этой теме в старших классах на уроках физики. Там мы будем изучать все гораздо подробнее. Но самые простые вещи мы можем понять уже сейчас.

Гипотеза.

Я предполагаю, что от расположения центра тяжести относительно точки опоры зависит равновесие предмета. Говоря простым языком, распределение массы тела по отношению к точке соприкосновения с поверхностью, влияет на равновесие.

Цели работы:

1.Изучить основы понятия о равновесии, центре тяжести ,точке опоры.

2. Проделать опыты, демонстрирующие разные виды равновесия.

Задачи:

1.Уравновесить различные предметы на основе законов равновесия.

2.Рассказать и показать ребятам результаты опытов.

3.Исследовать, как люди используют знания о равновесии.

4.Изготовить игрушки ,действие которых основано на законах равновесия.

Объект исследования.

Равновесные системы попробуем создать с помощью подручных материалов: вилок, пробок, тарелок, проволоки, молотка, консервной банки и других предметов.

Методы исследования

Поисково-исследовательские:

- проведение опытов,

- наблюдения,

- анализ полученных результатов,

- сбор информации из книг и интернета,

- обобщение информации.

2. Игрушки - балансиры.

2.1. Понятие о центре тяжести и точке опоры.

Я прочитал в учебнике для старших классов, что такое равновесие и попробую объяснить все понятным нам сейчас языком.

О центре тяжести:

У каждого предмета есть центр тяжести. 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 как минимум 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, то вместо нескольких ниток достаточно одной, привязанной в ее центре (за ушко).

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

Дело в том, что все тела стремятся принять положение равновесия. То есть такого положения, когда действие одних сил на тело компенсируется действием других сил или силы отсутствуют вообще.

2.2. Виды равновесия.

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.

2. 3.Опыты.

2.3.1. Опыт 1. Предметы, висящие в воздухе.

Для проведения опыта мне понадобились тяжелые предметы: молоток, деревянный молоток для отбивания мяса, скалка, металлическая мялка. Также проволока, линейка.

2.3.2. Молоток обычный и деревянный молоток для мяса.

Я обвязал молоток проволочкой и прикрепил в линейке таким образом, чтобы рукоятка молотка упиралась в конец линейки. Второй конец линейки поставил на край стола. Молоток не падает, а прочно удерживается на линейке.

Вывод. Тяжелая головка молотка - это центр тяжести, а край линейки - точка опоры. Таким образом, центр тяжести под точкой опоры на одной вертикальной линии. Поэтому система находится в состоянии устойчивого равновесия.

2.3.3 Скалка.

Скалку сразу подвесить не удалось, она падала, так как у нее на обоих концах равный вес. Тогда я утяжелим один конец, подвесил к нему мялку для картошки. Система сразу уравновесилась.

Вывод. Здесь также центр тяжести под точкой опоры. Система в устойчивом равновесии.

2.3.4. Опыт 2.Тарелка на иголке или морковная карусель.

Я захотел проделать опыт, который описал Гальперштейн Л.Я. в своей книге «Забавная физика». Опыт получился с первого раза. Любой может проделать его дома.

Для проведения опыта мне потребовались:

четыре одинаковые, металлические вилки (но не алюминиевые, они слишком легкие);

тарелка. Я использовал чайное блюдце. Но если вилки были бы тяжелее, то и тарелку можно взять большего размера;

игла;

тяжелая бутылка, чтобы карусель не свалилась;

морковь или кусочки пробки.

Я отрезал кончик от моркови, а оставшуюся часть разрезал вдоль и пополам. В каждую из четырех половинок моркови воткнул по вилке так, чтобы угол между плоскостью среза и вилкой был чуть- чуть меньше прямого. Расположил вилки с пробками по краю тарелки на равных расстояниях одна от другой. Для большей устойчивости зубья вилок должны касаться края тарелки.

Теперь тарелку можно поставить на острие иглы, всаженной в пробку. На первый взгляд кажется, что это невозможно, и все-таки тарелка стоит! Ее можно даже заставить вращаться, если раскрутить достаточно осторожно. И вращаться она будет долго. Ведь трение между кончиком иглы и тарелкой небольшое.

Вывод. Точка опоры здесь - кончик иглы, а центр тяжести - центр тарелки. Раз они расположены на одной вертикальной линии близко друг к другу, значит, система находится в состоянии устойчивого равновесия.

2.3.5. Опыт 3. Пирамида из вилок и монет.

В цирке во время выступления канатоходцы используют длинный шест - он помогает им удерживать равновесие на канате, даже если он движется или немного раскачивается. Для того чтобы выполнять такие трюки, требуются долгие годы тренировок. Однако конструкцию, которая будет себя вести как тренированный канатоходец, можно смастерить дома из доступных предметов.

Для проведения опыта мне потребовались:

две одинаковые металлические вилки, желательно с тяжёлыми ручками;

несколько монет;

бутылка стеклянная с крышечкой ( можно использовать пластиковую, наполненную водой для тяжести, чтобы конструкция не перевернулась).

Я сложил вилки таким образом, чтобы зубья одной легли на зубья другой. В прорезь между средними зубьями ребром вставил подходящую по размеру монету - вилки должны хорошо на ней зафиксироваться. Я использовал для опыта двух- и пятирублёвые монеты. Затем я устанавливал краешек монеты на край бутылки. У меня это легко получилось сделать с первого же раза. Дальше можно попробовать нарастить конструкцию. Но так, чтобы вилки «второго этажа» располагались поперек вилок «первого» и так далее. У меня получилось поставить целых четыре монетки ребром друг на друга! Это видно на фотографии. А еще эта елочка из вилок может покачиваться. Балансирует и не падает! Можно ставить монетку с вилками ребром куда угодно. Она легко удерживается даже на кончике ножа.
Вывод. Это происходит потому, что тело тем устойчивее, чем ниже расположен центр его тяжести относительно опоры. В данном опыте основная масса конструкции из вилок и монеты приходится на рукоятки вилок - из-за их формы центр тяжести смещён ниже точки опоры (края монеты). Вследствие этого конструкция находится в устойчивом равновесии. Именно поэтому чем массивнее и тяжелее ручки вилок, тем легче уравновесить конструкцию. Поскольку точка опоры монеты на стенку стакана очень маленькая и трение между ними ничтожно мало, опора ведёт себя как подвижный шарнир.

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.

3. Изготовление игрушек

3.1. Игрушка №1. Балансирующие акробаты.

Описание балерины я нашел в старой советской книге Л.А.Горева "Занимательные опыты по физике, но еще больше мне понравилось описание балерины на англоязычном сайте. Мне захотелось попробовать сделать такую игрушку своими руками. Оказалось, это не так уж просто! Пока я не разобрался, в чем тут секрет, фигурки падали.

Для проведения опыта потребовались: картон, восковые мелки для раскрашивания , 4 одинаковые магнитика в качестве грузиков.

Я нарисовал фигурки двух акробатов: мальчика и девочки, раскрасили их и вырезали. На кончиках ног сделал маленькими ножницами по небольшому треугольному вырезу. Ноги раздвинул. Затем я сделал для человечков балансир в виде коромысла из картона, на концах для тяжести прикрепил по обе стороны по два магнитика. Папа помог сделать подставку из фанеры и закрепил на ней капроновую нить- модель каната.

Надо сказать, поставить игрушку на нить удалось со второго раза. Сначала они падали. Папа подсказал сделать коромысло гораздо больше, чтобы его концы свисали ниже, это придаст фигуркам устойчивость. Тогда все получилось. Я поставил акробатов на веревочку - они стояли и не падали!

У человечков получалось балансировать даже на тыльной стороне ножа. А все из-за того, что у игрушек смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет акробатам стоять и не падать. Чем ниже центр тяжести относительно точек опоры, тем крепче фигурки удерживаются на веревочке.

Секрет канатоходцев цирка.

В цирке мы все видели выступление канатоходцев. Некоторые шествуют под куполом цирка с шестом, другие с тяжелым коромыслом, третьи - налегке. Но теперь, зная законы равновесия, мы можем сказать, кому из них тяжелее балансировать, а кому легче. Сложнее тому, кто идет по канату без шеста. Ведь точка опоры канатоходца мала, а центр тяжести расположен у человека внизу живота, то есть далеко от точки опоры. Равновесие очень тяжело удерживать. Человеку с шестом тем легче, чем длиннее шест и чем ниже его держат в руках. Так центр тяжести приближается к точке опоры. Равновесие удержать гораздо легче. Легче всего канатоходцу с коромыслом с ведрами. Центр тяжести ниже точки опоры, значит он в состоянии устойчивого равновесия. Он раскачивается и не падает.

3.5. Игрушка №2. Балансирующие птичка и бабочка.

Секрет балансирующей птички.

Птичка удерживает равновесие, если её клювиком поставить на какую-нибудь поверхность. У нее крылья сделаны выше уровня головы и в каждом крыле равные по весу грузики. Центр тяжести в этом случае расположен между крыльев под точкой опоры – клювом. Поэтому птичка может находиться в устойчивом равновесии.

Балансирующие бабочки.

Бабочка с грузиками-монетками.

Для её изготовления мне потребовались: тонкий картон, цветная бумага, клей, ножницы, две монетки равного достоинства. Потом я нарисовал контур симметричной бабочки на картоне так, чтобы концы крыльев были выше уровня головы. Вырезал фигурку, сделал аппликацию на крылышках бабочки. К краям крылышек приклеил  монеты. (Чем больше вес монет и плотность картона, тем ближе точки равновесия должны быть расположены к голове бабочки). Отогнул крылышки немного вниз. Бабочка удерживается на кончике пальца, на шпажке и зубочистке. Можно смастерить много бабочек и украсить ими цветочные горшки.

Игрушка способна балансировать потому, что когда к весу бабочки прибавляется вес монет, центр тяжести оказывается между крыльями бабочки, как раз в том месте, где находится острие шпажки. Видим состояние устойчивого равновесия.

Бабочка с хоботком из скрепки.

Для её изготовления мне потребовались: цветная бумага, канцелярские скрепки, скотч. Я нарисовал на бумаге симметричную бабочку (форма крыльев роли практически не играет), раскрасил ее и вырезал. Потом я сделал ей хоботок. Для него взял скрепку, разогнул её. С одного конца должен остаться  "носик" в виде буквы "Г". С другого конца я сделал петельку так, чтобы она оказалась в перпендикулярной плоскости по отношению к "носику". Петелька нужна, чтобы легче было приклеить скрепку к бабочке. Затем приклеил хоботок скотчем к бабочке.

На крылышки бабочки я прикрепил по две скрепки. Крылышки провисли вниз. Готовую бабочку можно ставить за кончик скрепки на палец и куда угодно.

Это все равно, что уравновесить весы - теперь с обеих сторон от пальца, на который опирается кончик хоботка, вес равный. Поэтому бабочка и балансирует на опоре.

Животные тоже умеют балансировать.

Ловко взбирается мышь малютка в свое гнездышко-шарик, подвешенный на высоких стеблях камыша. Кошки лазают по крышам, заборам. Собаки могут ходить на задних лапах. Древесные лягушки живут на деревьях. Даже слоны в цирке могут балансировать на шаре.

3.3. Игрушка №3. Неваляшка.

Из истории игрушки.

Из словаря Даля: "Чебурашка, ванька-встанька, куколка, которая, как ни кинь ее, сама встает на ноги".
Неваляшка – одна из первых игрушек у нескольких поколений советских людей. Она и сейчас пользуется большой популярностью.
Считается, что игрушка эта к нам пришла из Японии, а может и из Китая. В Россию неваляшка попала не очень давно – около двухсот лет назад. Первые Ваньки-Встаньки были из дерева – их точили на станке, расписывали яркими красками и покрывали лаком. Первоначально неваляшек в России называли “кувырканами” и были они похожи на богатых купцов. В 70-е годы 20 века неваляшек начали делать из пластмассы.
Неваляшка уже не один десяток лет сходит с конвейера Тамбовского порохового завода. В городе Котовск Тамбовской области есть памятник Неваляшке, его установили в 2012 году.

Изобретатели, придумывая очередную конструкцию Ваньки-встаньки, пытались изменять способы крепления груза к основанию.

В этой конструкции груз жестко закреплён на упругой оси. Ось при раскачивании прогибается под весом груза, и центр тяжести игрушки изменяется.

Здесь груз через рычаг шарнирно закреплен на неподвижной оси. Шарик перекатывается по основанию и заставляет "Ваньку" совершать интересные движения.

А у этой неваляшки груз-шарик совершенно свободен в своих передвижениях по основанию! Правда, его свобода ограничивается неподвижным грузом-перегородкой.

В наше время неваляшки это не только разноцветные игрушки для маленьких, но множество других предметов, как для детей, так и для взрослых. Это кружки, шахматы, подставки под мобильные телефоны и ручки, табуретки и зубные щетки. А так же много других нужных вещей и не очень, но интересных и привлекательных своими свойствами.

Неваляшка своими руками.

Чтобы сделать неваляшку, мне потребовались: яйцо, несколько тяжелых мелких предметов (гаек, винтиков, металлических шариков), свеча. В остром конце яйца я проколол дырочку и через нее вылил содержимое. Яйцо промыл и просушил. Насыпал в отверстие осторожно утяжелитель. Чтобы тот не пересыпался в другое положение, закрепил его парафином. Для этого я капал расплавленный парафин через отверстие в скорлупе о тех пор, пока он не покрыл весь утяжелитель.

После того, как парафин застынет, игрушку можно стало ставить в любое положение - она всегда будет возвращаться назад.

Потом я украсил яйцо - закрыл отверстие наверху шляпкой, которую приклеил на клей ПВА и нарисовал лицо.

Ванька-Встанька демонстрирует состояние устойчивого равновесия. Принцип ее действия прост - внизу куклы находится утяжелитель. Из-за этого центр тяжести стоящей вертикально неваляшки расположен ниже, чем в любом другом ее положении. Поэтому как бы мы не повернули игрушку, на какой бы бок ее не положили, она всегда будет стремиться принять вертикальное положение.

3.4. Игрушка № 4. Игрушка - балансир из консервной банки.

Описание такой игрушки мы нашли в книге Л. Я. Гальперштейна. Но сделать ее оказалось сложнее всех остальных игрушек-балансиров. Об этом я скажу позже.

Для изготовления игрушки мне понадобились: пустая жестяная банка с крышкой ( у меня банка из под горошка, а крышка от банки с кофе), проволока, грузики-гайки , фигурка бумажного клоуна.

В центре дна и крышки я пробил гвоздем по отверстию. Из толстой проволоки согнул ось с коленом посередине и на это колено нанизал грузики-гайки. Банку закрыл, вдев концы оси в отверстия дна и крышки. Бумажного клоуна наклеил на картон и вырезал. Ноги прикрепил к концам оси, выступающим из банки. Сложно было прикрепить ноги к проволочке ровно, клоун падал. Папа придумал сделать дополнительную опору для спины клоуна из проволоки. Это видно на фото. На опору прикрепили фигурку клоуна без проблем. Теперь нужно толкнуть банку, чтобы она покатилась. Клоун будет сидеть "верхом на бочке" и весело раскланиваться.

Секрет в том, что груз удерживает клоуна сверху. Банка крутится вокруг проволоки, а не вместе с ней.

3.5. Игрушка № 5. Старинная русская игрушка Пильщик.

В прежние времена, когда еще не существовали мудреные, лесопильные станки, бревна пилились вручную. Бревно помещалось на высокие козлы, один Пильщик забирался наверх, а другой - внизу.
В их руках помещалась большая, длинная пила. Оба Пильщика дружно наклонялись и распрямляясь.

Пила дружно ходила вверх-вниз. За один проход вдоль бревна, получалась (отпиливалась) одна доска. Сегодня уже нигде не найти такого работника... Но можно изготовить легко его игрушечную копию.

Для изготовления туловища я подобрал чистую бутылочную пробку. Ноги Пильщика сделал из двух иголок. Пилу согнул из толстой проволоки. Длина пилы должна быть выше Пильщика примерно в два-три раза, примерно 50 см. Согнуть проволоку нужно в двух местах под прямым углом в 5 см от концов проволоки. Верхний конец проволоки я воткнул в пробку на уровне груди Пильщика, а на нижнем ее конце закрепи груз. Можно использовать в его качестве яблоко, апельсин или картофелину, а также камешек или гайку. Голову Пильщика я сделал из ролика от дезодоранта, а шапочку приклеил от конструктора. Из бумаги вырезал ровную полоску с зубчиками, промазал клеем, надел на проволоку и сжал. Получилась пила.
Пильщика я установил на краю стола, а проволоку с грузиком опустил вниз. Я слегка толкнул человечка в шапочку, и пильщик начал качаться. Качался он довольно длительное время. Пильщик прилежно "пилил" край стола, однако, следов его работы не осталось. "Уставшего" Пильщика можно вновь заставить работать повторным толчком в голову.

Эта игрушка изготовлена по принципу качающегося маятника. Когда Пильщика ставят на ножки, центр тяжести смещается вниз и устанавливается устойчивое равновесие. Когда качнем фигурку, то, не имея третьей точки, опоры она будет раскачиваться как маятник.

Много предметов быта сделаны по принципу качающегося маятника. (

4.Заключение.

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

Из опытов убедился, 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.

Гипотеза моего исследования подтвердилась.

Я смог уравновесить различные предметы, зная законы равновесия.

Мне стал понятен принцип работы неваляшки, балансирующей птички. Я смог сам сделать игрушки-балансиры.

Я рассмотрел, как люди научились применять эти знания в быту, на стройке, в кораблестроении, в цирке и во многих и многих отраслях.

5. Список использованных источников.
 

1. Перельман Я.И. «Занимательная физика. Книга 1» - Москва «Наука».

2.Гальперштейн Л. «Забавная физика» - Москва «Детская литература.

3.Том Тит «Продолжаем научные забавы» - Издательский Дом Мещерякова. Москва

4.Рабиза Ф. В. «Опыты без приборов» - Москва «Детская литература».

5. Сайт: "Занимательные опыты дома".