На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти готовые бесплатные и платные работы или заказать написание уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов по самым низким ценам. Добавив заявку на написание требуемой для вас работы, вы узнаете реальную стоимость ее выполнения.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Быстрая помощь студентам

 

Результат поиска


Наименование:


научная работа Человек на воде

Информация:

Тип работы: научная работа. Добавлен: 03.06.2012. Сдан: 2010. Страниц: 5. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


 
 
 
 
 
 
 
 
 
Исследовательская работа 

Тема: «Человек на воде» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                Выполнила: Бадеева Эржэнэ
                                                          ученица 11 «а» класса,
                                                          школа №17
                                                Преподаватель: Голунько Т.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Улан-Удэ
2009 г. 
Содержание:

I. Введение.
     1. Цель, задачи.
     2. Актуальность.
II. Основная часть
     1. О плавание тел в жидкости.
    2. Влияние сопротивления и вязкости жидкости на способность человека держаться на воде.
III. Практическая часть
     1. Вывод формулы предельной наименьшей мощности, которую должен
    развивать человек, чтобы не утонуть в спокойной воде.
     2. Расчет глубины водоема, при которой человеку безопасно прыгать в воду.
IV. Заключение
V. Используемая литература
VI. Приложение.
 

I. Введение
Цель:
    Подтвердить предположение о том, что физические и физиологические параметры человека влияют на его способность держаться на воде.
Задачи:
    Изучить литературу по данной теме.
    исследовать и обобщить материал по физической теории плавания, использовать материалы исследования для выявления способности человека к плаванию в воде.
Актуальность:
     В наше время вряд ли кто станет отрицать, что плавание — жизненно необходимый  навык и для ребенка, и для  взрослого. Если для малышей умение плавать — средство для всестороннего  физического развития и залог  безопасности, то для взрослых —  и гарантия того, что они могут успешно выполнять свою работу, будь то работа геолога или солдата, моряка или строителя, рыбака или летчика.
     Плавание  — одно из эффективных средств  закаливания человека, способствующее формированию стойких гигиенических навыков. Плавание укрепляет нервную систему, улучшает сон, аппетит и часто рекомендуется врачами с этой целью как лечебное средство. Занятия плаванием широко применяются в лечебной физкультуре и медицине при нарушении обмена веществ, сердечно-легочной недостаточности, контрактурах суставно-мышечного аппарата и др.
     Именно  поэтому, выбранная мною тема является актуальной, потому что выводы из данной работы пригодятся в жизни.
 

II. Основная часть
О плавание тел в  жидкости.
     Если  спросить у любого, как он плавает, то следует, по-видимому, ожидать два варианта ответа. В первом случае вам начнут объяснять, каким стилем и как быстро они преодолевают водные преграды. Во втором – скажут, что садятся в лодку, катер или на корабль. Вряд ли найдется человек, который станет объяснять физические основы нашей способности держаться на воде. Так родилась идея систематизировать знания по физической теории плавания, условия плавания тел и попробовать сыграть роль такого человека – теоретика плавания – и ответить на несколько вопросов, касающихся физической теории плавания.
     В процессе своих рассуждений я  попытаюсь определить способности человека к плаванию в воде, изучить и исследовать следующие вопросы:
1)Почему  мы сразу не тонем?
2)Голова  – всему помеха
3)Легко  ли плавать в вертикальном  положении?
4)Что  мешает болтать ногами?
5)А если  бы мы оказались в бочке  с медом?
6)Как  плыть быстрее?
7)Что  мешает двигаться в воде со  скоростью звука?
     Твёрдо установлено, что человек, оставшийся один на один с водной стихией далеко от берега, рано или поздно всё равно утонет. Объясняют это тем, что у несчастного кончаются силы, и он перестаёт совершать плавательные движения, за счёт которых он держится на поверхности воды.
     Как это ни обидно, но даже самые умные  из нас примерно на 70% состоят из обычной воды. Поэтому бытующее в народе мнение, что если человека сильно ударить, то от него «одно мокрое место» останется, имеет под собой вполне научную основу. Таблица 1 показывает, из чего мы состоим на самом деле и какова плотность этих компонент.(см. приложение)
     Большую часть нашего тела составляют мышцы. Так как их плотность больше, чем  у воды, то при плавании они должны тянуть нас на дно. Ещё больше, как  следует из таблицы, нас тянут  на дно наши кости. Кажется, что только жировая прослойка может спасти нас от быстрой гибели. Однако это не совсем верно.
     Внутри  каждого человека есть воздушный  мешок – лёгкие. Объём воздуха  в лёгких человека может изменяться от 1 л (при глубоком выдохе) до 6 л (при  глубоком вдохе). Так как плотность  воздуха приблизительно в 800 раз меньше, чем у воды, то каждый литр воздуха в наших лёгких по закону Архимеда создаёт подъёмную силу около 9,8 Н. Соответственно, плотность тела человека ч изменяется от 940–990 кг/м3 при полном вдохе до 1010–1070 кг/м3 при полном выдохе.
     Оценивая  плавучесть человека, необходимо учитывать, что голова, объём которой составляет около 7% объёма его тела, всегда должна находиться над поверхностью воды. Пусть человек в воде занимает вертикальное положение. Легко показать, что в таком случае справедлива следующая формула для отношения абсолютных величин архимедовой силы FA и силы тяжести Fg, действующих на человека в воде:
                                                                                                                         (1)
где в – плотность воды. Из (1) следует, что даже при самом глубоком вдохе архимедовой силы не хватит для полной компенсации силы тяжести плывущего человека. Но даже если архимедова сила была бы равна силе тяжести, человек не смог бы неподвижно лежать в воде, находясь в горизонтальном положении. Это вызвано тем, что архимедова сила и сила тяжести приложены к разным точкам тела. FA приложена в центре масс вытесненной телом жидкости (т. А на рисунке), а Fg – в центре масс тела, чуть ниже пупка (т. G), в точке, которая из-за наличия воздуха в лёгких находится всегда дальше от головы, чем т. А. В результате FA и Fg образуют пару сил, которая вращает тело в вертикальной плоскости, пока оно не примет вертикальное положение.
 
Поворот тела из горизонтального положения  в вертикальное под действием  пары сил: силы тяжести Fg и выталкивающей FA
Влияние сопротивления и  вязкости жидкости на способность человека
держаться на воде.
     Если считать, что в вас достаточно жира и воздуха, чтобы сразу не утонуть, то можно утверждать, что вскоре после того, как вас бросят в воду, вы примете вертикальное положение. Однако каждому ясно, что плыть вперёд, находясь в вертикальном положении, очень трудно – мешает огромное сопротивление жидкости, которое, как известно, пропорционально площади поперечного сечения двигающегося тела. Интересно, что одним из требований, предъявлявшихся к пловцам первого разряда на флоте царской России, было умение проплыть стоя, без помощи рук, 20 саженей (1 морская сажень = 1,83 м). Оценка показывает, что площадь поперечного сечения тела человека на уровне пояса почти в 10 раз меньше, чем аналогичная вдоль позвоночника. Поэтому перед тем, как плыть, лучше всё-таки принять горизонтальное положение. Обычно это делают просто – болтая ногами. Что мешает болтать ногами? Найдём силу сопротивления F, действующую на тело при его движении в воде со скоростью . Силы сопротивления жидкости или газа зависят от скорости движения тел. При малых почти все частицы перед движущимся на них телом имеют достаточно времени, чтобы отойти в сторону, не приобретая при этом импульса в направлении скорости, и только те частицы, которые коснулись тела, обретают его скорость. Эти сдвинутые с места частицы, двигаясь вместе с телом, будут в свою очередь увлекать очень тонкий слой жидкости, с которым они тесно связаны. Чем крепче связаны между собой частицы жидкости или, что-то же самое, чем больше её вязкость, тем больше сила сопротивления, действующая на тело. В этом случае сила сопротивления прямо пропорциональна величине скорости | |, среднему размеру тела в плоскости, перпендикулярной, и вязкости жидкости. Точную формулу для силы сопротивления при малых можно получить, например, для тела, имеющего форму шара. Эта формула, получившая название формулы Стокса, имеет вид:   
                                     F= 3??Dv                                                                            (2)
где – коэффициент вязкости, равный для воды 0,001 Па . с, D – диаметр шара. Таким образом, если скорость движения тела невелика, то на него будет действовать сила, прямо пропорциональная величине скорости и обратная ей по направлению.
Пусть теперь скорость тела возросла, и все  частицы жидкости, находящиеся на его пути, уже не успевают отходить в сторону и увлекаются вперёд. В этом случае за t секунд тело успеет натолкнуться на массу жидкости, равную tS в, где S – площадь поперечного сечения тела в направлении, перпендикулярном . Всей этой массе жидкости тело сообщит скорость и импульс 2tS в. Поэтому силу сопротивления F1, действующую на тело со стороны жидкости при больших скоростях (её часто называют силой лобового сопротивления), можно вычислить по следующей формуле:
                                                                                                                              (3)
Конечно, и при больших скоростях некоторая  часть силы сопротивления зависит  от вязкости и может быть оценена  по выражению (2). Чтобы оценить, как  изменяется вклад «вязких» сил сопротивления с увеличением скорости тела, найдём отношение F1 к F для шара диаметром D, используя формулы (2) и (3):
                                                                                                                     (4)
Выражение , являющееся безразмерной величиной, называется числом Рейнольдса Re. Из (4) следует, что при Re > 100 вязкостью среды можно пренебречь, а силу её сопротивления вычислять по формуле (3). Наоборот, при малых числах Рейнольдса (Re < 1) следует учитывать вязкость жидкости и пользоваться формулой (2).
     А если бы мы оказались в бочке с  мёдом? Вязкость мёда в 10 000 раз больше, чем у воды. Поэтому двигать ластами, находясь в бочке с мёдом, очень трудно. Даже если предположить, что скорость наших движений в таких условиях уменьшится только в 10 раз (с 0,5 м/с до 0,05 м/с), то отношение силы лобового сопротивления к вязкой силе, вычисленное по формуле (4), составит менее 1/10. Это значит, что основными силами, действующими при движении ласта в мёде, являются силы вязкости. Попробуем теперь получить выражение для Fср, аналогичное (5), используя формулу (2) для несимметричных движений. Как легко показать, при любых 1 , t1 и 2 , t2 , для которых справедливо равенство 1t1 = 2t2, средняя за цикл сила, действующая на ласт, будет равна нулю. А это значит, что в очень вязкой жидкости, где число Re 1, плавать надо не так, как в воде, а по-другому.
     Систематизировав материал по данному вопросу, я пришла к выводу.Как следует из формулы (4), очень малые существа, даже плавая в воде, могут сталкиваться с такими же трудностями, что и мы в воображаемом медовом озере. Известно, что бактерии, размер которых около 1 мкм, плавают в воде со скоростью 0,1 мм/с. Легко посчитать число Рейнольдса для таких движений – оно близко к 10–4, что заставляет эти существа использовать при плавании только силы вязкого трения. Как же двигают бактерии своими жгутиками, чтобы продвинуться?
     Диаметр жгутика чуть больше 100 (1 = 10–10 м) и, конечно, лишён мускулатуры. Поэтому бактерия не может по своему желанию согнуть жгутик или пустить вдоль него волну деформации, как делают змеи или некоторые рыбы для своего движения. Единственное, что может делать бактерия, – закручивать жгутик вдоль оси, как штопор. Для этого в месте соединения жгутика с телом бактерии есть специальный молекулярный моторчик – предмет исследований учёных, которые до сих пор до конца не знают, как он работает. Бактерии вращают жгутиком с частотой несколько герц, часто меняя направление движения.

Фото  бактерии кишечной палочки (слева, стрелкой указан один из жгутиков) и схематическое изображение (справа) принципа её движения – вращение жгутиком как штопором
     Все знают, что круговые движения штопора  продвигают его либо вперёд, либо назад, в зависимости от того, против или по часовой стрелке мы его крутим. То же самое происходит и с бактерией: жгутик «вкручивается» или «выкручивается» из жидкости, которая для него является очень вязкой (Re < 10–5), продвигая бактерию вперёд или назад.
     Как плыть быстрее? Для этого необходимо не только изо всех сил двигать руками и ногами в определённой последовательности, но и ориентировать своё тело так, чтобы испытывать минимальное сопротивление воды. Согласно формуле (3), сила сопротивления воды пропорциональна площади поперечного сечения S, однако это выражение даёт завышенное значение для F1, т.к. не все частицы воды при столкновении с телом приобретают его скорость. Однако формулой (3) можно пользоваться, если выражение в её правой части умножить на безразмерный коэффициент CD – коэффициент лобового сопротивления:
                                                                                                                           (6)
     Как показывают эксперименты, CD сильно зависит от формы тела, как это показано на рисунке.

Линии тока жидкости при обтекании диска (вверху), шара (в середине) и каплевидного тела (внизу) одной и той же площади  поперечного сечения. Справа приведены  соответствующие значения для  CD при Re = 100 000
     Большие различия в CD возникают из-за того, что вода по-разному обтекает эти тела. За диском и шаром, например, образуется зона вихрей. А это значит, что, двигая их вперёд, мы должны тратить энергию не только на преодоление вязкого трения, но и на образование вихрей. В отличие от шара и диска, за каплевидным обтекаемым телом вихри почти не образуются, и поэтому сила сопротивления воды движению такого тела меньше, хотя площадь его поперечного сечения такая же.
     Что мешает двигаться в воде со скоростью  звука? Вся энергия при движении в воде уходит на преодоление силы её сопротивления. Вязкость воды в 50 раз, а плотность в 800 раз больше, чем у воздуха. Это и является основной причиной того, что самолёты летают в десятки, а иногда и сотни раз быстрее, чем плывут обычные подводные лодки и торпеды (не более 130 км/ч).
     Тормозят  движение в воде не только большие  вязкость и плотность, но и зоны низкого  давления (турбулентности и вихри), возникающие на хвосте подлодок и  торпед. В тех местах вокруг, где  давление падает ниже давления насыщенных паров воды (0,023 атм при нормальных условиях), образуются пузырьки пара. Такой пузырёк пара называют кавитационным пузырьком, а процесс – кавитацией. Последующее схлопывание кавитационных пузырьков порождает ударные волны, которые являются причиной акустического шума подводных лодок и вызывают эрозию их гребных винтов. Поэтому раньше, когда конструировали обычные торпеды и подводные лодки, всегда боролись с возникновением кавитационных пузырьков пара.
     Ещё в начале 1960-х гг. перед советскими учёными была поставлена задача –  разработать принцип движения под водой со скоростями, близкими к скорости звука. И тогда возникла идея превратить заклятого врага, кавитацию, в помощника. Если не бороться с кавитацией, а, наоборот, создать все условия для неё, то движущееся под водой тело будет со всех сторон окружено облаком кавитационных пузырьков. Такие условия, названные суперкавитацией, приводят к тому, что тело перестаёт соприкасаться с водой и как будто летит в окружающем её газовом пузыре, а значит, резко уменьшается сила сопротивления и соответственно увеличивается скорость движения под водой. Очевидно, что сила тяги гребного винта в условиях суперкавитации падает, т.к. со всех сторон он окружён газовыми пузырьками. Поэтому в качестве источника тяги в таких условиях больше подходит ракетный двигатель.
     В 1977 г. противолодочная торпеда «Шквал», движущаяся в условиях суперкавитации со скоростью более 100 м/с, была принята  на вооружение ВМФ СССР. Секрет технологии таких подводных средств не могли раскрыть в течение 30 лет, и только в середине 2005 г. Германия заявила, что разработала аналогичную высокоскоростную торпеду «Барракуда». В настоящее время учёные и конструкторы пытаются использовать суперкавитацию для создания пассажирских подводных судов.

Торпеда «Шквал», летящая в суперкавитационном пузыре
 

III. Практическая часть
Вывод формулы предельной наименьшей мощности, которую должен
развивать человек, чтобы не утонуть в спокойной  воде.
     Сначала возьмём из справочников значения необходимых  величин: плотность человека 1030 кг/м      1050 кг/м3; плотность морской воды при 20 °С 1010 кг/м    1050 кг/м3; плотность водопроводной воды при 20 °С = 998,2 кг/м3. Полагаем, что человек достаточно строен и имеет массу = 75 кг при росте = 1,75 м.
     Ясно, что расчёт будет носить оценочный  характер ввиду наличия ряда факторов, которые невозможно точно учесть: техника, скорость, амплитуда движений пловца, геометрическая форма его тела, объём лёгких и степень заполнения их воздухом, объём части головы, находящейся над водой. Кроме того, более детальные вычисления были бы неимоверно сложны, если вообще возможны.
     Итак, пусть человек, лёжа в воде на спине (а так легче всего), немного  двигает ногами и руками, не погружаясь на дно. При этом он очень медленно плывёт, допустим, со скоростью 0,1 м/с. Как увидим ниже, энергозатратами на такое «плавание» можно пренебречь по сравнению с работой, совершаемой для удержания на воде. Считаем пловца в первом приближении прямоугольным параллелепипедом высотой H, шириной 2a и толщиной a. Записав объём человека двояко (=  и = 2a2H), легко получить, что площадь его большей грани =  .
     Если  пловец перестанет «шевелиться», он начнёт погружаться в воду. Так как плотность человека лишь немного больше плотности воды, то считаем скорость погружения постоянной, ибо она установится очень быстро. За весьма малое время t пловец опустится на расстояние t. Чтобы компенсировать это погружение, он должен за время t на пути h совершить работу Vg(  –  0) h против равнодействующей силы тяжести и архимедовой силы Vg(  –  0). Развиваемая при этом мощность
                                                                                                                      (1)
     В формуле (1) неизвестна только скорость погружения , которую найдём из очевидного условия равномерного погружения: mg FА Fс. Здесь FА 0Vg – архимедова сила, Fс – сила сопротивления воды, которая записывается так:
                                                                                                                                    (2)
где S – площадь лобового сечения тела, C – безразмерный коэффициент, зависящий от его геометрической формы. Для диска, например, = 1,1, поэтому разумно положить для человека = 1.
К формуле (2) легко прийти из соображений размерности. Существует лишь единственная комбинация из величин  0, S, (от которых заведомо зависит сила сопротивления): 0S 2, имеющая размерность силы. Итак, имеем уравнение:

откуда 
                                                                                                                      (3)
Из формул (1) и (3) после технических упрощений получаем интересующий нас результат:
                                                                                                             (4)
Мощность  в формуле (4) выражена через естественные характеристики человека: массу и  рост, а также через его плотность  и плотность воды. Она применима  только при      0, ну а при  <  0 никаких усилий, чтобы удержаться на воде, затрачивать не придётся. Так, в заливе Кара-Богаз-Гол плотность воды 1200 кг/м3 – захочешь, да не утонешь. Естественно, что при  =  0 получаем = 0. В состоянии невесомости = 0 при любых плотностях  и  0. Для различных комбинаций и 0 результаты вычислений сведены в табл. 2.
     Интересно, что даст формула (4) для воздуха ( = 1,29 кг/м3)? Получается мощность, совершенно недоступная человеку: = 35 кВт = 47,6 л.с.
     Теория  согласуется с опытом на качественном уровне, хотя формула (4) и неприменима для воздуха.
     Появился  интерес выяснить, какую мощность N1 должен развить человек, чтобы плыть со скоростью 1?
     Ясно, что искомая мощность NNFc 1, или, применяя формулу (2), N+   0S1 . Площадь лобового сечения, перпендикулярного скорости, горизонтально плывущего тела, S=  , поэтому N+  . Понятно, что в данном случае, учитывая оценочный характер расчёта, разумно положить  = 1. Окончательно имеем
N+  .                                                                                                                                (5)
     Легко подсчитать, что    при = 0,1 м/с, так что при выводе формулы (4) мы правильно пренебрегли мощностью, которая затрачивается на столь медленное плавание.
     На  основании формулы (5), в которой  считаем = 13,84 Вт, составлена табл. 3 для заплыва мужчин на 100 м вольным стилем. Из неё видим, как резко увеличивается мощность со скоростью.
Вывод: Таким образом, мы выполнили главную  цель нашей работы - получили, что  физические и физиологические способности  человека существенно влияют на способность  человека держаться на воде.
Расчет  глубины водоема, при которой человеку безопасно прыгать в воду.
     Пусть рост человека H, а высота берега l. Отметим, что высота l даже в спортивных прыжках не превосходит 10 м, так что учитывать сопротивление воздуха нет необходимости. Также пренебрегаем незначительной горизонтальной составляющей скорости прыгуна по сравнению с вертикальной составляющей при вхождении в воду. Ввиду того, что плотность человека незначительно превышает плотность воды, не учитываем уменьшение потенциальной энергии системы вода–человек в процессе погружения человека на дно и считаем, что потенциальная энергия человека mgl полностью расходуется на работу против силы сопротивления воды. При этом скорость человека у дна обратится в нуль или станет безопасно малой. Пусть прыгун входит в воду вертикально, тогда сила сопротивления воды будет наименьшей, а риск удариться о дно – наибольшим.
     Квадрат скорости вхождения в воду растёт прямо пропорционально высоте l, ибо  = 2gl. Точно так же увеличится и мгновенная сила сопротивления воды, тоже пропорциональная квадрату мгновенной скорости тела, на всём его пути в воде. Поэтому в первом приближении считаем, что глубина водоёма h от высоты l не зависит. Разумно предположить, что h прямо пропорциональна росту человека и обратно пропорциональна безразмерному коэффициенту из формулы (2). Ведь чем лучше обтекается тело, тем медленнее гасится его скорость, и у людей с разной фигурой этот коэффициент неодинаков. Таким образом, основываясь на соображениях размерности, получим
зh ~  .
Полагая опять = 1, получим окончательно ~ 3,5 м. (В расчётах не учитывается вязкость воды, ибо даже при скорости пловца 0,1 м/с число Рейнольдса
     Интересно, что в бассейнах для спортивных соревнований самые глубокие прыжковые  ямы – восьмиметровые, а наибольшая глубина в обычном бассейне – 4 м. Это хорошо согласуется с нашей  грубой оценкой. Ясно также, что столь глубокие ямы предназначены для прыжков с достаточно большой высоты, т.к. h всё же зависит от l.
 

IV.Заключение 

      В ходе данной исследовательской работы я теоретически доказала, что физические и физиологические способности человека, такие как существенно влияют на способность человека держаться на воде.
      Плавание  оздоравливает и помогает расслабиться. В наше время плавание является неотъемлемой частью жизни каждого из нас, каждый сталкивался с проблемами рассматриваемыми в моей работе, именно поэтому моя тема является актуальной.
     Знания  и умения, приобретенные мною при  выполнении работы, пригодятся мне  в учебной работе. Экспериментальные  задания и выводы из них можно  предложить для бесед учащим по основам  безопасности жизнедеятельности.
 

Используемая литература:
    Енохович А. С.  – Справочник по физике. М., «Просвещение», 1978г.
    Савельев И. В.  Курс физики: Учебник, Физика твердого тела. – М.: «Наука», 1989г.
    и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.