Конспект факультативного занятия по физике на тему '…о равновесии тел вообще и человеческого в частности'

«…о равновесии тел вообще и человеческого в частности» [2]

При создании машин, механизмов, различных конструкций важно знать, при каких условиях они будут устойчивыми, т.е. сохранять равновесие. Так же человеку очень важно держать в равновесии свое тело.

В процессе жизнедеятельности человек часто оказывается в условиях, при которых тело находится в неустойчивом положении. Потеря равновесия может привести к травмам и увечьям. Поэтому необходимо знать и соблюдать правила сохранения равновесия своего тела и тех предметов, которыми пользуешься.

Положение равновесия - это положение, в котором силы, действующие на тело, взаимно уравновешиваются.

Условие равновесия физического тела определяется положением его центра тяжести. Центр тяжести - это точка приложения равнодействующей сил тяжести, действующих на отдельные части тела. Положение центра тяжести может изменяться только при изменении относительного расположения частей тела.

Виды равновесия тел:

1. безразличное - при отклонении или перемещении тела оно остается в равновесии. При безразличном равновесии ось вращения тела проходит через его центр тяжести, при этом центр тяжести тела остается на одном и том же уровне при любых положениях тела.

2. неустойчивое - равновесие, при котором выведенное из равновесия тело не возвращается в начальное положение. При неустойчивом равновесии центр тяжести тела расположен выше оси вращения и находится на вертикальной прямой, проходящей через эту ось.

3. устойчивое - равновесие, при котором выведенное из равновесия тело вновь к нему возвращается. При устойчивом равновесии центр тяжести тела расположен ниже оси вращения и находится на вертикальной прямой, проходящей через эту ось. [3].

Условия равновесия твердого тела:

1. геометрическая сумма сил, приложенных к телу, равна нулю

2. сумма моментов всех сил, действующих на тело, равна нулю

М₁ +М₂ +М₃ +…= 0

Стоящий предмет не опрокидывается только тогда, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри основания предмета [2].

Призма наклоняющаяся с отвесом предназначена для демонстрации условия равновесия (устойчивости) тела, опирающегося на горизонтальную площадку.

Равновесие призмы остается устойчивым, пока линия отвеса проходит через площадь опоры. Как только линия отвеса оказывается на границе площади опоры, равновесие становится неустойчивым. При незначительном отклонении призма опрокидывается.

Большинство предметов вокруг нас - дома, станки, мебель - опираются на некоторую площадь.

Так называемые падающие башни - в Пизе, Невьянске - не падают, несмотря на свой наклон, так как отвесная линия, проведенная через центр тяжести, не выходит за пределы основания.

Аналогично, стоящий человек не падает до тех пор, пока отвесная линия из центра тяжести находится внутри площади, ограниченной его ступнями.

Поэтому человеку трудно стоять на одной ноге, ходить по бревну или канату. Ведь при этом основание очень мало и отвесная линия может легко выйти за его пределы.

По этой причине катание по перилам - очень опасное занятие.

Можно легко потерять равновесие, стоя на краю обрыва или крутого берега.

«Морские волки» - люди, чья жизнь прошла на качающихся суднах - ходят, широко расставив ноги. Из-за качки судна на волнах отвесная линия в любой момент может выйти за площадь, ограниченную ступнями. Поэтому моряки широко расставляют ноги, увеличивая тем самым площадь опоры. Так же нужно расставить ноги человеку, едущему в общественном транспорте стоя. Это увеличит его устойчивость.

Широко расставленные ноги помогут человеку сохранить равновесие в различных спортивных играх.

Если человек несет груз на голове, то ему необходимо держать голову и туловище строго прямо, так как малейшее отклонение туловища приведет к неустойчивости. Поэтому человек, несущий груз на голове, имеет очень стройный вид.

Человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед. Это объясняется тем, что груз на спине изменяет положение центра тяжести. Поэтому человек находится в неустойчивом положении. А при наклоне вперед вертикаль, проходящая через центр тяжести, не будет выходить за площадь опоры.

Постоянное ношение груза может привести к нарушению осанки из-за деформации позвоночника, что грозит различными заболеваниями. Для уменьшения нагрузки на ученика введены нормативы на вес рюкзака школьника в различных классах [5].

При ходьбе происходит смещение центра тяжести. Когда человек перемещает ногу вперед, немного вперед смещается и центр тяжести. Чтобы сохранить равновесие, человек отводит руку назад и такое чередование происходит при каждом шаге. Поэтому при ходьбе человек размахивает руками [1].

Если человек несет груз только в одной руке, то наклоняется в противоположную сторону и отставляет свободную руку.

Когда центр тяжести занимает более низкое положение, тело более устойчиво. Когда человек сидит, его центр тяжести расположен ниже, чем когда он стоит. Соответственно, в положении сидя человек более устойчив, чем в положении стоя. Это необходимо учитывать при перевозке людей в транспорте. Во избежание опасных ситуаций, в школьном автобусе дети должны ехать сидя, не ходить по салону, не меняться местами.

Для того чтобы придать себе устойчивость, с горы лыжник спускается на согнутых ногах, а штангист в момент поднятия штанги делает шаг вперед.

Если человек идет по узкой доске или бревну, то вытягивает руки в стороны. Это дает ему возможность быстро перемещать центр тяжести и тем самым сохранять равновесие. А цирковой артист, идя по канату, держит в руках длинный шест.

В случае, если человек поскользнулся, для сохранения равновесия ему необходимо вытянуть руки. В целях безопасности в гололед руки нужно вынуть из кармана, чтобы была возможность быстро сбалансировать тело.

Человек, упершись левой стороной к стене, не сможет поднять правую ногу, не потеряв при этом равновесия. Равновесие можно сохранить лишь в том случае, если отвесная линия проходит через площадь опоры.

Итак, в разных ситуациях тело человека принимает различное состояние. Сообразно этому меняется положение центра тяжести тела:

а) При обычной походке центр тяжести находится между двумя точками опоры. В результате человек находится в равновесии.

б) При падении центр тяжести находится в стороне от точек опоры. В результате человек теряет равновесие и падает.

в) Балансирование возможно благодаря относительной симметричности человеческого тела.

г) Когда человечек наклоняется в сторону, центр тяжести тоже немного смещается.

д) Когда человек бежит, центр тяжести находится впереди точки опоры. Человек не упадет, потому что поочередно выставляет ноги вперед.

е) Прислонившись к стене, человек находится в равновесии, потому что центр тяжести находится между двух точек опоры: ноги и плеча. Вторая нога не принимает участия в удержании равновесия.

На рисунках: красный круг - центр тяжести, красная стрелка - направление силы тяжести, зеленая стрелка - точки опоры [6]. Если тело опирается на несколько точек, то для равновесия необходимо, чтобы вертикаль, проведенная через центр тяжести, проходила внутри площади опоры тела. Чем выше лежит центр тяжести при данной площади опоры, тем более неустойчиво равновесие тела. Столы, стулья - предметы, которыми мы часто пользуемся. В обычных условиях они находятся в устойчивом равновесии. Если же их наклонять, то центр тяжести будет повышаться. Большое отклонение приведет к тому, что стол (стул) опрокинется. Поэтому очень опасно стоять на краю стола при выполнении ремонтных или оформительских работ, опасно раскачиваться на стульях, неприспособленных для этого. Воз, грузовик или железнодорожная платформа, высоко нагруженные, легче могут опрокинуться, чем в случае, когда центр тяжести груза лежит низко. Устойчивость может быть улучшена увеличением площади опоры. Подъемные краны всегда снабжаются тяжелым противовесом. Благодаря противовесу общий центр тяжести крана, груза и противовеса не выступает за прямоугольник, ограниченный точками опоры колес, даже тогда, когда кран поднимает тяжелый груз [4].

Станки, лабораторные штативы устойчивы благодаря массивным основаниям.

Устойчивы благодаря низкому положению центра тяжести куклы-неваляшки.

У этих кукол центр тяжести максимально смещен вниз. Если наклонить корпус, то груз приподнимается и стремится вернуть куклу в вертикальное положение. Есть множество устройств, в которых используется принцип Ванька-встаньки. К ним относятся детская неопрокидывающаяся кружка, часы, которые всегда занимают вертикальное положение, безопасный утюг, который поднимается, как только выпустить его из рук.

Устойчивость сосуда определяется площадью основания и высотой: чем больше площадь и меньше высота, тем устойчивее сосуд.

Возможность повышения устойчивости увеличением площади опоры используется человеком широко. Опираясь на палку, человек сохраняет свое равновесие. Человек в спортивной обуви более устойчив, чем человек на высоких каблуках.

Равновесие человека подчиняется законам статики (законы физики «приложимы» к человеку). Человек, зная условия равновесия, способен сохранить равновесие своего тела и тех предметов, которыми он пользуется.

Знание условий равновесия очень важно для человека. Зная и применяя правила сохранения равновесия, человек создает для себя безопасные условия жизнедеятельности.

Анализ различных ситуаций позволяет сформулировать несколько правил сохранения равновесия (соответственно, безопасного поведения):

а) Если на улице гололёд. - При ходьбе ступать на всю подошву, ноги слегка расслабить в коленях. - Лучше отказаться от высоких каблуков.
- Руки по возможности должны быть свободны, старайтесь не носить тяжелые сумки, не держите руки в карманах. - Пожилым людям нужно брать в руки трость с резиновым упором. - Если поскользнулись, присядьте, чтобы снизить высоту падения. В момент падения постарайтесь сгруппироваться и, перекатившись, смягчить удар о землю.

б) В общественном транспорте (в школьном автобусе). - Не ходить по салону во время движения транспорта, по возможности ехать сидя (в школьном автобусе все учащиеся должны сидеть). - Если нет свободных мест и вы вынуждены ехать стоя, то ноги расставьте широко, держитесь за поручни, упирайтесь туловищем о спинки сиденья.

в) На уроках физкультуры, в походах. - Носить удобную обувь на сплошной подошве. - При передвижении по бревну или доске балансировать руками. - Если споткнулись, поскользнулись, то присядьте, сгруппируйтесь. - Не стойте на краю обрыва, крутого берега. - Для повышения устойчивости при длительной ходьбе опирайтесь о палку. - Не стоять на конце незакрепленной скамьи. - Не раскачивать спортивные конструкции. - Регулируя высоту спортивного коня, убедиться в его устойчивом горизонтальном положении.

г) На уроках технологии, физики, химии. - Если в лапке штатива закреплен массивный груз, то не следует поднимать муфту до верхнего положения и выдвигать лапку до конца. - Осторожно обращаться с сосудами, которые имеют большую высоту и малую площадь опоры (мензурка, колба).

д) На переменах.

- Не сидеть на подоконнике при открытых окнах.

- Не кататься по перилам.

- Не раскачиваться на стуле, не забираться на столы.

- Избегать нахождения рядом с высокими незакрепленными предметами (стремянки, нагроможденная мебель и т.д.).

е) Если ты оказался в толпе. - Необходимо снять с себя длинную одежду. - Ступать на всю подошву. - Руки не должны быть прижаты к телу, их нужно согнуть в локтях и держать перед собой. - Нельзя пытаться поднять что бы то ни было. - Если оказались близко к стене, прислонитесь к ней и постарайтесь отстать от толпы, чтоб затем уйти в безопасное место.

ж) При выполнении хозяйственных работ. - Не использовать вместо стремянки сооружения из столов и стульев.

- Не перевозить людей в кузове, нагруженном сеном, дровами, досками.

Человек - часть природы и, следовательно, на него распространяется

действие законов физики. Размышляя о природе, немецкий поэт и

естествоиспытатель И.В.Гёте в своё время заметил, что «все люди в ней (в природе), и она во всех... Её законам повинуются и тогда, когда им противоречат; даже и тогда действуют согласно с ней, когда хотят действовать против неё».

Список литературы

1. Варикаш В.М., Кимбар Б.А., Варикаш И.М. Физика в живой природе. - Минск, Народная асвета, 1984 - 126с.

2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1. - Москва, Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1986 - 224с.

3. Перышкин А.В. Физика. 7 класс. - Москва, ДРОФА, 2012 - 221с.

4. Элементарный учебник физики. Т. 1/ Под редакцией Г.С. Ландсберга - Москва, Наука, 1971 - 655с.

5. Материалы для школьников. Вес портфеля: examen.ru›

6. Рисуем человека (и не только). Строение тела и поза:

http://www.render.ru/books/show_book.php?book_id=328