Проект. "Исследования условий для перемещения тела по поверхности воды"

Возможен ли бег по воде ?

Исследования условий для перемещения тела по поверхности воды

Авторы: ученики 9-в класса Кузьмичев Игорь , Панкратов Кирилл, Горобец Борис.

Научный руководитель: Устюгина Галина Павловна, учитель физики .

Актуальность

Изучение движения тел по поверхности воды, позволит создать новые, энергосберегающие транспортные средства, автономно перемещающихся

в текучих средах.

Цель проекта

Показать, что бег по поверхности воды возможен при выполнении определенных условий

Западноамериканская поганка , бегающая о воде.

Известно, Мало кто из водоплавающих птиц может сравниться с западноамериканской поганкой (чомгой) в зрелищности брачного ритуала .

Дельфины «стоящие» и движущиеся на хвосте

Что общего в движениях бегущей по воде чомги и движущегося на хвосте дельфина?

С точки зрения физики – их тела, перевернутые маятники, условия стабилизации которых, хорошо

известны.

Итак, птицы и

дельфины могут

двигаться по воде,

а мы?

Наша гипотеза :

Если тело человека, можно было бы отнести к перевернутым маятникам, то, при выполнении тех же математических условий он смог бы бежать по воде.

А, как ходит человек?

Размер шага в среднем принимается за

66 см, при спокойной ходьбе

продолжительность его — около 0,6 сек

Ходьба — автоматизированный двигательный акт, осуществляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей.

(2 шага - одно вертикальное колебание)

Центр тяжести тела (ЦТ) при ходьбе (рис. 15.18, а) наряду с поступательными движениями (вперед), совершает движения боковые и в вертикальном направлении . В вертикальной плоскости частота колебаний удваивается по сравнению с горизонтальной плоскостью.

Википедия. Тело человека при ходьбе -модель обратного маятника

Размах, т.е. амплитуда

(вверх и вниз), достигает величины 4 см у

(взрослого человека), при этом туловище опускается больше всего именно тогда, когда одна нога опирается всей подошвой, а другая вынесена вперед

2 gl, ω (g/l) 0,5 где: а -амплитуда колебаний точки подвеса, ω –циклическая частота l – длина маятника " width="640"

Известно, Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц. Механика. ГОС. Изд. Физ.-мат. Лит. М., 1958, с - 258

Условия стабилизации перевёрнутого маятника , точка

подвеса которого совершает со временем t вертикальные вдоль оси у колебания по закону у = acosωt в потенциальном поле, действующем на тело силой,

определяемой ускорением g,

Имеют вид:

а² ω ²2 gl, ω (g/l) 0,5

где:

а -амплитуда колебаний точки подвеса,

ω –циклическая частота

l – длина маятника

2gl, ω (g/l) 0,5 , сделаем расчет для частоты колебаний и количества шагов в секунду, движущегося человека из условий: рост – 1,6 м, амплитуда колебаний по вертикали маятника - 5 см, используя первое условие: а 2 4 π 2 ν 2 2gl, ν √gℓ/2 π 2 а 2 , ν 17,8 Гц, т.е, примерно, более 35 шагов в секунду. " width="640"

Итак, гипотеза для человека, бегущего по воде: Человек – перевернутый маятник и для его стабилизации должны выполняться два условия: а² ω ²2gl, ω (g/l) 0,5 ,

сделаем расчет для частоты колебаний

и количества шагов в секунду, движущегося человека из условий: рост – 1,6 м, амплитуда колебаний по вертикали маятника - 5 см, используя

первое условие: а 2 4 π 2 ν 2 2gl, ν √gℓ/2 π 2 а 2 ,

ν 17,8 Гц, т.е, примерно, более 35 шагов в секунду.

( g/l) 0,5 √ 9,8/1,6 ≈ 2, что удовлетворяет условию: 2× 3,14×17,8 2 1122 Таким образом, полагаем, что человек, подобно чомге, смог бы двигаться по поверхности воды, совершая более 35 шагов в секунду, сохраняя равновесие подобно перевернутому маятнику. " width="640"

Проверка второго условия ω ( g/l) 0,5

√ 9,8/1,6 ≈ 2, что удовлетворяет условию:

2× 3,14×17,8 2

1122

Таким образом, полагаем, что человек, подобно чомге, смог бы двигаться по поверхности воды, совершая более 35 шагов в секунду, сохраняя равновесие подобно перевернутому маятнику.

А какая сила удерживает чомгу от погружения в воду?

Ответ: сила, действующая на тело, находящееся в вибрирующей текучей среде и направленная против сил потенциальных полей. Экспериментально действие такой силы было продемонстрировано Челомеем, а тело находящееся в такой среде, названо маятником Челомея

Владимир Николаевич Челомей

заложил основы по всем направлениям

космической техники, создавая

ракетный щит страны

Маятник Чаломея

Отличительной особенностью этих маятников является то,

что их поведение рассматривается в вибрирующей жидкой

среде. Например груз, свободный или надетый на стержень с

возможностью инерционного соскальзывания с него, в случае

вертикальной вибрации сосуда

поднимается по стержню

или без него вверх,если его

плотность выше плотности

жидкости, и опускается вниз,

если плотность груза меньше

плотности жидкости

Экспериментальное подтверждение наличия эффекта маятника Челомея

ВЫВОДЫ

Исследования показали возможность перемещения тел в текучих средах (вода, воздух),когда массивное тело , обтекаемой формы, представляет собой перевернутый маятник и совершает малоамплитудные высокочастотные колебания.

Использованная литература

1.Блехман И.И. Вибрация “изменяет законы механики”

2. Известно, Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц. Механика. ГОС. Изд. Физ.-мат. Лит. М., 1958, с - 258

3. Дубровский В.И. Биомеханика.

4. Википедия.

5. Сайт www.turbulence.ru