Человек на воде

 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 F_A и силы тяжести F_g, 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. F_A приложена в центре масс вытесненной телом жидкости (т. А на рисунке), а F_g – 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 F_A и F_g 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 F_g и выталкивающей F_A

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= 3πηDv                                                                            (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 F_ср, 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?