Игрушка центр тяжести птица
Научно-исследовательский проект
«Секреты равновесия»
Мне из Сочи привезли игрушку – птичка, которая всегда и везде держится клювом на любой поверхности и не падает. Мне стало интересно, почему так происходит. Из интернета я узнал, что птичка всегда находится в равновесии из-за центра тяжести.
Объект исследования: равновесие и центр тяжести.
Предмет исследования: занимательные игрушки, которые держат равновесие.
Цель работы: изучение роли центра тяжести для равновесия окружающих предметов.
Гипотеза: если знать, что такое центр тяжести, научиться его находить, понять какую роль он играет в равновесии, то можно самому изобретать интересные игрушки и фокусы.
Задачи:
1. Выяснить, что такое центр тяжести и как его находить.
2. Узнать какую роль он играет в равновесии предметов.
3. Создать игрушки, на основе полученных знаний.
4. Создать книгу «Занимательная физика для детей».
5. Показать одноклассникам опыты и созданные игрушки.
Равновесие и центр тяжести
Что такое равновесие
Равновесие. Вслушаемся в это слово. Каков его смысл? Равный вес. То есть какие-то части одного тела, сделать одинаковыми. Нарушили равновесие — и тело вышло из покоя.
Итак, если тело в покое, значит, оно находится в состоянии равновесия.
В цирке мы часто видим удивительно ловких канатоходцев и даже дрессированные животные поражают нас своими умениями удерживать на носу разноцветные шары. Может быть, все дело в том, что они знают какие-то секреты?
А все секреты — в законах физики! Равновесие предмета зависит от положения его центра тяжести. А что же такое центр тяжести? Попробуем найти положение линейки на опоре, когда она будет в равновесии, проведём линию. Если чуть передвинуть линейку, она упадёт, то есть равновесие нарушилось. Так вот линия, которую мы отметили, и будет центром тяжести.
Итак, центр тяжести – это точка, относительно которой предмет будет находиться в равновесии.
Так при ходьбе по натянутому канату канатоходцы идут обычно с расставленными в обе стороны руками, балансируют, причем явно заметно покачивание из стороны в сторону. При каждом шаге артист старается установить центр тяжести своего тела над опорой. С длинным шестом в руках удерживать равновесие легче. Поэтому и игрушка птичка не падает. Её центр тяжести смещён вперёд, вес на крыльях и на теле уравновешивают друг друга, и птичка может стоять на клюве.
Нахождение центра тяжести у фигур
У каждого предмета есть центр тяжести. У предмета правильной формы (круг, квадрат, прямоугольник) центр тяжести будет находиться в центре. А как же определить центр тяжести плоской неправильной фигуры?
Вырежьте из картона фигуру произвольной формы и проколите в нескольких местах отверстия (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! Сделаем отвес из тонкой нити и груза (гайка), и повесим его на ту же иглу. Проведём линию, которая совпадает с нитью. Затем повесим фигуру за другое отверстие, опять проведём линию, так повторим несколько раз (сколько отверстий). Точка пересечения линий укажет положение центра тяжести фигуры. Положим фигуру центром тяжести на остриё карандаша, фигура будет держаться, она находится в равновесии.
В действительной жизни мы давно уже привыкли угадывать центр массы каждого предмета. Мы сразу соображаем, как положить или поставить этот предмет, чтобы он не упал.
Теперь я знаю, что такое центр тяжести и как удерживать предметы в равновесии.
Создадим игрушки и проведем опыты
Используя полученные знания, попробуем сделать занимательные игрушки и удивить друзей.
Ванька-встанька
Проткнем шилом яйцо, удалим содержимое, промоем и высушим. Набросаем в яйцо мелкие металлические гайки и натопим туда воск со свечи. Воск застынет и слепит все между собой. Заделаем дырочку и украсим яичного Ваньку-Встаньку. Как бы мы не ставили яйцо, оно всегда будет принимать вертикальное положение, так как центр тяжести смещен вниз.
Акробат
Рисуем из толстой бумаги клоуна, вырезаем 2 фигуры. Склеиваем вместе, помещая в ладони маленькие монеты. Акробат будет балансировать везде: на руке, столе, нити. Монеты смещают центр тяжести в область головы, поэтому он находится в равновесии.
Воробей
Птицу вылепим из пластилина. Ноги из спичек. На нижнем конце проволоки, воткнутой в тело воробья, укрепим шарик из пластилина. Проволока должна входит позади лапок. Воробей будет отлично сидеть на опоре.
Балансирующие вилки
Соединяем две вилки между собой вместе. Вставляем кончик зубочистки в место соединения вилок, а другой конец ставим на край деревянной палочки, воткнутой в опору – апельсин. Вилки балансируют на весу и держатся на кончике зубочистки.
Морковная карусель
Используем тарелку, морковь, бутылку, иголку и 4 вилки. Разрежем морковь вдоль, а потом каждую половину поперек. В каждую из четырех половинок воткните вилку так, чтобы угол между плоскостью среза был острый. Разместим вилки с морковками по тарелке на равных расстояниях друг от друга. Для большей устойчивости зубья вилок должны касаться края тарелки. Теперь тарелку удастся уравновесить на острие иглы, всаженной в морковку. На глаз кажется невозможно, — но все-таки тарелка стоит и даже вращается.
Раз только макни ее носом в воду, а дальше кажется, что все повторяется само собой . Принцип работы пьющей птички не так уж и нов, он был использован еще великим И. Бернулли в термометре для измерения максимальных температур. Интересно, что птичка будет наклоняться и «пить» раз в 5 чаще, если воду в стакане заменить каким-либо спиртовым раствором, а облучение ее светом или теплом также заставит птичку менять частоту своих движений .
Медленно опускает «пьющая птичка» свой клюв в стоящий перед ней стакан с водой, затем выпрямляется, покачивается слегка туда-сюда, как-будто собирается остановиться, но через некоторое время, как-будто набравшись сил, вновь наклоняется и макает свой клюв в воду. Так птичка может пить до бесконечности, пока при наклоне под ее клювом будет вода.
Познакомимся с устройством игрушки.
Физическая игрушка «пьющая птичка» состоит из двух полых стеклянных шариков соединенных узкой трубочкой. Причем один из концов трубочки впаян в шарик так, что заканчивается недалеко от дна шарика. При изготовлении игрушки система заполняется жидкостью и запаивается. В качестве жидкости берется легко испаряющаяся жидкость с низкой температурой кипения, например, эфир или метанол. Для большего эффекта жидкость подкрашивают. Наливают жидкости столько, чтобы выступающий в шарик конец трубочки, был в нее погружен.
Шарик с выступающей трубочкой — это «живот» птички, противоположный шарик — «головка». Сверху стекло разрисовывается и декорируется под птичку: перья, шляпка, хвостик. Обязательной частью птички является клюв достаточной длины, который часто обклеивают фетром. Игрушка закреплена чуть выше живота на вращающейся горизонтальной оси и опорах, в результате чего птичка может переворачиваться вниз, т.е. «клевать». Для приведения игрушки в действие перед игрушкой ставят стакан с водой и один раз наклоняют ее, чтобы намочить клюв. А дальше все происходит без остановки . Пока птичка сможет достать клювом воду в стакане об остановке игрушки можно не беспокоиться!
Каковы же причины «самопроизвольных» наклонов?
Изначально внутри замкнутого сосуда-птички есть легко испаряющаяся жидкость, между жидкостью и парами над ее поверхностью устанавливается термодинамическое равновесие. Пары в зависимости от температуры создают давление на жидкость.
Обмакнем клюв птички в поставленный перед ней сосуд с водой и отпустим. Центр тяжести лежит чуть ниже оси вращения(ближе к животу), таким образом, птичка вынуждена будет выпрямиться.
Вода с намокшего фетрового клюва начнет испаряется, при этом головка птички будет охлаждаться. При охлаждении головки термодинамическое равновесие нарушается. Понижение температуры паров в головке ведет к конденсации паров эфира на внутренних стенках головки. Давление паров эфира в головке упадет. Таким образом, давление паров в головке станет меньше, чем давлением паров над жидкостью в животе птички. Так как выравнивание давлений становится возможным только после того, как жидкость будет вытесняться более высоким давлением паров из нижнего сосуда вверх по трубочке, уровень жидкости в трубочке начнет повышаться. Это при ведет к поднятию точки центра тяжести над осью вращения. и птичка перевернется, снова макая клюв в воду.
При перевороте нижний конец трубочки поднимается над поверхностью жидкости, и жидкость из трубочки стекает опять вниз, а давление паров в верхнем и нижнем шарике выравниваются. Центр тяжести опускается, птичка возвращается в вертикальное положение. Но процесс повторяется, так как клюв уже опять мокрый . Вот Вам и сказка про бычка, у которой нет конца .
Если позаботиться, чтобы уровень жидкости в стакане оставался постоянным, то птичка может «пить» вечно!
Но, заметьте! В результате выравнивания давлений паров в верхней и нижней частях птички, давление пара в нижней части трубочки становится меньше первоначального. В нижней части начинается испарение жидкости, и температура жидкости при этом падает. Температура жидкости в нижней части птички становится ниже температуры окружающей среды, и начинается теплопередача от окружающей среды животу птички.
Вот Вам и итог: процессы в птичке можно сравнить с процессами, наблюдаемыми в тепловой машине: циклический процесс (abcd) за счет теплообмена с окружающей средой, при котором внутренняя энергия превращается в механическую,
где: ab — изотермическое расширение bc — адиабатический расширение cd — изотермическое сжатие da — адиабатическое сжатие.
Гуляя сегодня по парку Челюскинцев, совершенно случайно набрел на киоск со всякой китайской всячиной, где обнаружил знаменитую игрушку, смотрящуюся как фокус, но на самом деле способную служить наглядным пособием по физике.
Сначала видео. Без него здесь не обойдешься:
Источник
Магия науки. Знаменитая балансирующая птица.
Гуляя сегодня по парку Челюскинцев, совершенно случайно набрел на киоск со всякой китайской всячиной, где обнаружил знаменитую игрушку, смотрящуюся как фокус, но на самом деле способную служить наглядным пособием по физике.
Сначала видео. Без него здесь не обойдешься:
Немного неторопливо, но одной рукой быстро не поорудуешь.
В свое время, в журналах публиковались и ходили по рукам схемы, как нечто похожее сделать своими руками, причем были даже варианты из картона или бумаги. Типа «занимательная физика».
Эта же игрушка сделана из легкого пластика.
«Вау-эффект» от птички весьма высокий. 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. Устойчивость потрясающая.
Моя жена подумала, что в пирамидке спрятаны магниты, и была очень удивлена, увидев, что это голимая пластмасса.
Пирамидка на самом деле не играет в этом трюке никакой роли. Птицу можно прицепить на палец, или на карандаш, да хоть куда угодно.
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.
Впрочем, штука эта может использоваться не только как иллюстрация школьного курса физики, но и как пособие по философии и психологии человека. Реальный пример того, что суть вещей важнее их внешнего вида. Также, мы психологически всегда обращаем больше внимания на тело и голову, чем на крылья, так как считаем их более значимыми для живого существа. В дополнение, одна тоненькая точка опоры усугубляет иллюзию парения в воздухе. Кажется, что ее не должно быть достаточно для устойчивости.
Размах крыльев птички примерно 16 см. Длина от клюва до конца хвоста — 9 см. Расстояние от клюва до кончиков крыльев — 4 см.
Внутрь крыльев вставлены металлические утяжелители, которые и создают противовес телу птицы.
Можно даже не сомневаться, что игрушка известна, знаменита и на просторах интернета встречается в больших количествах.
Точно такую же модель, как у меня, можно найти в различных упаковках, и под разными названиями: «Balancing Bird», «Magic Eagle» и т. п. Расцветка тоже может быть разной.
Встречаются такие же птички, но с другими подставками. Есть и другие модели, более качественно сделанные, но и стоящие гораздо дороже.
Есть даже птички ручной работы.
Моя же игрушка стоила всего 2 с половиной бакса, а упакована была в пакетик дешевле воздуха.
Много радости и удовольствия за небольшие деньги. Положительные эмоции в наше время добыть не так-то просто.
Источник