ФІЗИКА КОНЯ

Кінь може скакати галопом зі швидкістю 60 кілометрів на годину. Хоча у коня при цьому активно працюють м'язи, проте він витрачає відносно мало енергії. Як таке можливо? Секрет криється в будові їхніх кінцівок. Що відбувається, коли кінь скаче галопом? При ударі його ніг об землю еластичні м'язи та сухожилля поглинають енергію, а потім, подібно пружині, віддають її, штовхаючи коня вперед. У галопі ноги коня вібрують з великою частотою, що могло б травмувати його сухожилля. Однак м'язи його ніг діють подібно амортизаторам. За словами вчених, у коней особлива будова сухожильно-м'язового комплексу ніг, що забезпечує одночасно і швидкість, і силу.

Інженери намагаються використовувати принцип будови кінських ніг для створення чотириногих роботів. Однак, на думку дослідників біометричні лабораторії робототехніки при Массачусетському технологічному інституті, таку складну конструкцію важко відтворити, володіючи в своєму розпорядженні наявними на сьогоднішній день інженерними знаннями та матеріалами.

Mikołaj Rozbicki

 

Всім відомий роман Стівена Кінга "Сліпа зона".  Багато хто з вас дивився досить непоганий серіал "Сліпа пляма". То що ж це таке з точки зору фізики?

СЛІПА ПЛЯМА

Іноді людина не бачить того, що у неї знаходиться під самим носом. Все тому, що у кожної людини є область на сітківці ока, яка несприйнятлива до світла.

Усьому причина – будова нашого ока. У сітківки є мільйони паличок і колбочок – фоторецепторів, що перетворюють світло в імпульси, які потім посилаються у наш мозок для обробки даних. Ці “датчики” підключаються в одному місці очного дна де і формують зоровий нерв. Через нього мозок і отримує необхідну інформацію. Нерв проходить крізь сітківку, порушуючи її цілісність. У місці з’єднання утворюється сліпа пляма, де немає паличок і колбочок. Тому у рецепторів немає можливості побачити хоч щось, навіть якщо воно знаходиться перед самим носом.

Чому сліпа пляма нам не заважає?

Все дуже просто: у нас два ока, і у кожне має власну сліпу пляму. Ці плями не збігаються, тому можуть перекривати точкову «сліпоту» один одного. А ще так працює наш мозок: він заповнює брак візуальної інформації тією картинкою, яка, по ідеї, там і повинна бути.

Сліпу пляму відкрив французький фізик Едм Маріотт у 1668 році. Король Франції Людовик XIV розважався зі сліпою плямою, спостерігаючи своїх підданих, нібито у них не було голів.[

ФІЗИКА В ПРИРОДІ.

Дятел і його "відбійний молоток"

Переважна більшість представників сімейства ДЯТЛІВ від інших птахів відрізняється незвичайним долотоподібним дзьобом. З його допомогою дятли довбають кору і серцевину дерева, намагаючись знайти основну свою їжу: комах та їхніх личинок.

Довбання деревини - дуже енерговитратне заняття. Для того, щоб поповнювати запаси енергії, дятлам доводиться постійно їсти. Наприклад, чорний дятел всього за один «прийом їжі» може з'їсти близько тисячі мурах або кілька сотень личинок короїдів. Зелений дятел їсть і того більше - за день він з'їдає близько двох тисяч мурашок.

Навантаження, які витримує дятел

Середня швидкість нанесення ударів дятлом - 20-25 рухів за секунду. Загальна кількість ударів, що наносяться дятлом по дереву в день - 8000-12000. Для того, щоб птах мав можливість витримувати перевантаження, пов'язані з довбанням дерев, його череп і скелет повинні бути надзвичайно міцними. Якби по дереву з такою швидкістю бив будь-який інший птах, то вже через кілька ударів він би помер від перевантажень.

Вимірювання показують, що перевантаження, які відчувають дятли, досягають 1000 - 1200g. Це набагато більше, ніж можуть витримати організми інших тварин, включаючи людину. Ми не в змозі витримати перевантаження більше 80-100 g. Найбільше (короткочасне) перевантаження автомобіля, при якому людині вдалося вижити - 179,8 g. Парашутисти при розкритті парашута відчувають перевантаження аж до 10 g. Льотчики, які виконують фігури вищого пілотажу, отримують перевантаження аж до 12 g.

Дзьоб дятла досить міцний для того, щоб довбати дерево і не ламатися або деформуватися. Кінчик дзьоба більшості видів дятлів схожий на зубило. Завдяки цьому птахи можуть «працювати» з самими твердими видами деревини. При активному довбленні підвищується температура головного мозку. Тому дятел не може весь час довбати, йому доводиться робити перерви, щоб знизити температуру.

У дятла не тільки міцні череп і дзьоб. Цей птах оснащений «амортизатором» у вигляді спинномозкової рідини, яка пригнічує вібрацію. Амортизаційна система дятла містить також еластичний дзьоб, жилаву і пружною під'язикову кістку (гіоід), а також особливу губчасту кістку в голові. Гіоід - це скоріше хрящ, ніж кісткова тканина. Розташовується він не тільки в горлі, але також заходить в носоглотку, обертаючи череп. Таким чином, черепна коробка пташки представляє собою один з найбільш досконалих природних амортизаторів.

Пом'якшує удар не один фактор, а ціла їх система. Під час довбання дерева дзьоб рухається перпендикулярно поверхні, по якій б'є дятел. Якби удар наносився не перпендикулярно, а трохи під кутом, амортизаційний механізм птахи не спрацював би, і вона могла б просто загинути. Але тут працює злагоджена система м'язів, яка дозволяє голові і дзьобу рухатися по прямій лінії. При ударі дзьоба відразу ж спрацьовують м'язи, відтягують череп дятла від місця нанесення удару.

Захищені від удару і очі пташки. При ударі об дерево на око дятла опускається третє віко ( перетинка). Вона оберігає очне яблуко від вібрації, не допускаючи розшарування сітківки.

Ще одна унікальна риса дятла - його довгий язик. У всіх птахів язик прикріплений до задньої частини дзьоба. А ось у дятла він виходить з правої ніздрі, розділяючись на дві половини. Ці дві половинки охоплюють голову птаха і шию, виходячи через отвір в дзьобі. Після цього вони з'єднуються. Язиком дятли дістають личинок комах з глибоких ходів, виконаних в деревині.

Для того, щоб розмістити в межах черепа всі ці амортизаційні пристосування, дятлу довелося поступитися розміром мозку. В процесі еволюції він зменшився. Причому зменшення обсягу мозку не привело до того, що дятли стали «дурніші». На ділі дятли відрізняються високою організацією поведінки. Вони володіють складними територіальними і гніздовими звичками.

Але у птахів за «інтелект» відповідають смугасті тільця і ​​шар, який носить назву гіперстріатум. Ці частини головного мозку невеликі за розміром, так що дятел може обходитися відносно маленьким мозком.

Ну а для того, щоб легко переміщатися по стовбурах дерев, дятли використовують Х-подібну конструкцію лапок. Два пальці на лапці дятла спрямовані вперед, а два - назад. У більшості птахів інших видів три пальці спрямовані вперед, а один - назад. Триматися за кору допомагають чіпкі кігті, міцні кістки пальців і сухожилля. Все це забезпечує надійне зчеплення з деревом, і дятел не падає навіть під час самої активної «роботи».

Першоджерело https://m.habr.com/ru/post/397879/?fbclid=IwAR18wUyhb32m_VwPTfu04_hfIztaujvSSE0EhV9DTfnyK7S7NpbcJjsnCaU

ФІЗИКА В  ІГРАШКАХ
(уривок з учнівської роботи МАН).

Іграшка - незмінний супутник дитини з перших днів її життя. Дорослі спеціально створюють її з виховною метою, для підготовки малюка до вступу в суспільні відносини. Для дитини іграшка є предметом забави, розваги, радості і найважливішим засобом її психічного розвитку.

У слові іграшка сховане слово «гра» . Іграшка — засіб для гри, її провідник. Іграшка — образ, товариш, спогад про тих, хто подарував або виробив іграшку. Іграшка приходить до дитини змалку. Раніше іграшки виробляли своїми руками. Мати, сестри, тітоньки, бабусі шили ляльку або виготовляли її з соломи. Тато — вирізав з дерева. Іграшка  присвячувалась конкретні дитині, на її виготовлення витрачали час та думки. Вона несла не тільки образ, але і спогад, і побажання. Іграшок не було багато, лише кілька, подарованих на  Миколая, Різдво, день народження, день янгола, Великдень. Тобто, дитина пов’язувала іграшку з важливою для всіх подією, зі святом. Саме разом з іграшкою в її життя приходило свято. Що то були за іграшки? Медяні пряники на Миколая, шиті ляльки, дерев’яний посуд, машинка, візок, дерев’яні яйця, прикрашені візерунком, ляльки та травинки з соломи, мушлі, камінці, сопілки, дзвоники, підкови, пір’ячко, шкатулочки - звичайні й прекрасні речі дитячого світу.

Напевно, кожен з нас у своєму житті мав одну чи декілька іграшок. Без них у наш час неможливо уявити дитинство. Вони бувають різних типів та форм, починаючи від простих пірамідок закінчуючи надсучасними іграшковими роботами.

Вони сприяють розумовому і фізичному розвитку дитини, допомагають пізнавати навколишній світ, привчають до праці, формують характер. Упродовж дошкільного періоду дитині необхідні образні іграшки, але у різні вікові періоди вони виконують неоднакові функції у її психічному розвитку: у немовляти викликають приємні переживання і позитивні емоції; у ранньому і дошкільному віці включаються до різноманітних видів ігор (сюжетно-рольові, будівельні, дидактичні, режисерські, ігри-драматизації). Образні іграшки розширюють сферу ігрових дій, допомагають розвивати їх сюжет, створювати ігрові ситуації.

Наше життя змалечку пов’язане з іграшками. Проте ми спробували поглянути на іграшку не лише як на дитячу забавку, а й як об’єкт, що ілюструє дію фізичних сил.

Гарна іграшка спонукає дитину до роздумів, ставить перед ним різні ігрові завдання. А це сприяє розвитку пізнавальних процесів. Досвід показує, що, застосовуючи в грі свої знання, діти часто прагнуть отримати додаткові відомості, необхідні для розвитку гри, у них виникає багато запитань, відповіді на які вони не можуть отримати тільки зі спостережень. Саме в практичній діяльності загострюється інтерес до знань, тому в моїй роботі я досліджую принцип дії певних іграшок і навіть самостійно виготовляю один з типів іграшок – яйце-неваляшку.

РОЗДІЛ І

Види іграшок

1.1.  Гіроскопічні іграшки

1.1.1.  Гіроскопічні сили. Гіроскопи

Гіроскопічні сили – сили, що залежать від швидкостей і мають таку властивість, що сума їхніх робіт (чи потужностей) при будь-якому переміщенні системи, на котру діють ці сили, дорівнює нулю.

Назва «гіроскопічні сили» з’явилась у зв’язку з тим, що такі сили мають місце в теорії гіроскопа. Хоча гіроскопічні сили, як ті, що залежать від швидкостей, не є потенціальними, проте на систему, на яку окрім потенціальних сил діють ще й гіроскопічні, теж розповсюджується закон збереження механічної енергії.

У традиційному розумінні гіроскоп — пристрій, що містить швидкообертове тверде тіло, яке має три обертальні ступені вільності, тобто можливість обертання навколо трьох взаємно-перпендикулярних осей. Усім відома дитяча іграшка — дзиґа, яка являє собою приклад гіроскопа.

Прилади, що використовують властивості гіроскопа, застосовуються в ряді галузей науки і техніки, зокрема в системах навігації і системах керування рухомих транспортних засобів (суден, літальних і космічних апаратів, ракет, торпед тощо).

1.1.2. Гіроскопічні сили в іграшках

Перші свідчення про дзиґу та її незвичайні властивості відомі з давніх-давен. До нас дійшли такі іграшки, виготовлені в Китаї у третьому тисячолітті до нашої ери.

У відомому нам вигляді дзиґа була винайдена наприкінці 19 століття. У 1880 році німецький фабрикант-іграшкар Лоренц Больц з Ціндорфа поставив зверху іграшкової дзиґи обертову ручку. Треба було тільки потягнути за шнур, обв'язаний навколо дзиги. А в 1913 році з'явилася перша дзига від компанії Bolz. Лоренц Больц вставив в пустотілу дзиґу механізм з гвинтом і гайкою. Дзиґа приводилася в рух гвинтовим стержнем з ручкою на кінці, на яку потрібно було кілька разів натиснути. При вдавлюванні стержня-гвинта всередину дзиґи він змушував через тріскачку, встановлену всередині дзиґи, обертатися дзиґу тільки в одну сторону. Коли гвинт витягувався із дзиґи, то вона продовжувала обертатися за інерцією.

Наступний з династії Больців - Петер Больц зробив дзиґу музичною. Він зробив в корпусі дзиґи отвори, через які проходило повітря, і дзиґа почала видавати дзижчання. До 1937 року дзиґа-непосида вже могла відтворювати звуки різних тональностей і награвати дитячі пісеньки.

 Цікаві гіроскопічні іграшки:

•         Дзиґа Кларка (Додаток А)

Це іграшка-дзиґа англійського винахідника Р. Кларка, вісь якої – ручка чи олівець, на яку нанизані 2 диска. При розкручуванні такої дзиґи на цупкому папері залишиться лише крапка. Якщо в найближчий до осі отвір помістити свинцеву закліпку, то на папері з’являться спіралі. Перемістивши закліпку в інший отвір, на папері з’явиться нова крива, зовсім не схожа на першу. Пояснюється це тим, що окрім інерційних сил на дзиґу діє також відцентрова сила, величина якої залежить від маси свинцевої закліпки, кутової швидкості обертання дзиґи, відстані від закліпки до осі обертання.

•         Дзиґа Грейга (Додаток А)

Цю іграшку запатентував американський винахідник Р. Грейг. Корпус іграшки, якщо його так можна взагалі назвати, являє собою круглу повітряну кульку. Хоча в надутому стані оболонка і утворює досить міцний корпус іграшки, але маса його явно недостатня, щоб при обертанні створювати великий момент інерції. Грейг змістив центр ваги іграшки вниз, тобто встановив кульку на важку конічну опору. Вона складається всього з двох деталей: сильного постійного магніту циліндричної форми і сталевий загостреною донизу ніжки. Магніт крізь горловину вставлений всередину кульки і через оболонку притискає до себе ніжку.

•         Літаюча дзиґа Лопатина (Додаток А)

Іграшка К. Лопатина - теж дзиґа. Найдивовижніше в ній те, що їй зовсім не треба спиратися на щось тверде. Якщо розкрутити іграшку, вона полетить. Підйомну силу, що врівноважує силу тяжіння, створює трилопатевий ротор, майстерно захована автором всередині циліндричного корпусу. Основні деталі дзиги Лопатина: кругла дерев'яна паличка, циліндричний каркас з пружною сталевого дроту, обтягнутий тонкою матерією, і ротор, виготовлений з дубового або букового шпону.

1.1.3. Дослідження гіроскопічних сил в іграшках на прикладі дзиґи

Дзиґа — іграшка, яка підтримує рівновагу на гострому кінчику за рахунок швидкого обертання навколо своєї осі. За своїм фізичним принципом дзиґа — найпростіший гіроскоп.

В основі принципу дії дзиґи лежать закон збереження енергії та закон збереження моменту імпульсу.

Власне обертання дзиґи навколо осі симетрії призводить до того, що поле тяжіння, яке діє у вертикальному напрямку, призводить до появи  гіроскопічної сили в горизонтальному напрямку. Внаслідок цього, вісь обертання дзиги прецесує. В загальному випадку вісь дзиги може здійснювати також періодичні нутаційні коливання.

При зменшенні енергії обертання дзиґи за рахунок тертя, гіроскопічні сили теж зменшуються, що призводить врешті-решт до падіння.

Практично доводимо:

Змушуємо рухатися дзигу за допомогою рукоятки, яка має ходовий гвинт. Зауважимо, що спершу робимо спробу встановити дзигу вертикально, але це нам не вдається. Лише надавши їй обертання, вона швидко стає вертикально стійкою. Звалити дзигу, яка швидко рухається неможливо. Під дією пальців вона тільки відскакує в сторону й продовжує рухатися далі навколо вертикальної осі.

1.2. Електричні іграшки

1.2.1. Електрика в іграшках

Іграшки відомі людству з глибокої давнини, вони були виявлені археологами при розкопках залишків стародавніх цивілізацій. Іграшки, знайдені при розкопках Індської цивілізації (3000-1500 до н. е.) включають маленькі візки, свистки у вигляді птахів і іграшкових мавпочок, які можуть сповзати по мотузці. У Греції, коли діти, особливо дівчатка, досягали повноліття, було прийнято приносити іграшки дитинства в жертву богам. Напередодні весілля дівчата віку близько чотирнадцяти років в якості обряду посвячення у доросле життя приносили свої іграшки в храм.

У 1880 році в Нюрнбepзі вперше в виготовленні іграшки була застосована штамповка, що дало можливість збільшити виробництво іграшки. В кінці XIX - початку XX століть був налагоджений випуск технічних іграшок - моделей різних транспортних засобів. Широко застосовувалися і будівельні набори, ідея створення яких належала німецькому педагогу Ф. Фребелю. У 1901 році у Великобританії з'явився перший металевий конструктор. Серед оптичних іграшок був популярний так званий чарівний ліхтар. Сучасне виробництво іграшки є розвинену галузь промисловості. Значне місце тут займає технічна іграшка, велика частина якої електрифікована і комп'ютеризована; в кінці XX - початку XXI століть широкий розвиток отримали всілякі електронні іграшки.

Сьогодні іграшки виготовляються з пластмаси, з'явилися іграшки з батарейками. Якщо раніше іграшки були саморобними, то зараз існує ціла індустрія іграшок з масовим виробництвом і механізмами реалізації.

Так і з’явилися електричні іграшки

Різновид електричних іграшок:

У наші дні електричні іграшки вже давно стали частиною світу дитини. Існує безліч різноманітних іграшок для дітей будь-якого віку.

Найпоширеніші та найпопулярніші з них:

•         Електричний потяг

Іграшковий поїзд (іграшкова залізниця) являє собою зменшену імітацію реального залізничного поїзда. Зазвичай являє собою локомотив з декількома вагонами, які можуть рухатись по рейках. Локомотив може бути як з приводом (на батарейках, з механічним заводом), так і без.

Перші іграшкові поїзди також були і першими залізничними моделями. Їх почали будувати в Англії ще на початку 1830-х, коли тільки почалося будівництво перших реальних залізниць. Іграшкові потяги часто мали діючу парову машину, тобто наводилися за рахунок спалювання палива. Найчастіше ці моделі створювалися для реклами тільки зародився залізничного транспорту. Точний рік народження іграшкових паровозиків встановити досить важко, проте часто вказують 1829 рік. ( Додаток Б)

•         Електричний вертоліт

Керований вертоліт - це масштабна модель вертольота, яка управляється за допомогою радіо- або інфрачервоного зв'язку. Як правило, управління такими моделями відбувається з невеликої відстані (до 100 м), тобто в таких межах видимості керуючого, коли він гарантовано бачить становище і напрямок руху моделі.

Довгий час створити радіокеровану модель вертольота не вдавалося. До квітня 1970 року кращі з спроб закінчувалися польотами тривалістю до десятка секунд. Справжнім проривом ця область зобов'язана німецькому інженеру Шлютеру (Додаток Б)

•         Електричний конструктор

Спочатку ідея Френка Хорнбі зобразити інженерні конструкції в мініатюрі реалізувалася в дитячому наборі конструктора для хлопчиків. Називався він «механічним посібником для новачків», був металевим і складався з різних балок, куточків, перекриттів, коліщаток, скоб і інших деталей. У 1970 році конструктор був доповнений електромотором. У 1981 році у Франції вперше з'являються принципово нові моделі з пластику, створюється так званий електричний конструктор.

Електронні конструктори дозволяють складати музичні дзвінки, радіоприймачі, автоматичні освітлювачі, іграшки, ігри на основі електричних схем переважно без паяння.

1.2.2. Дослідження електрики в іграшках на прикладі електричного конструктора

Електричний конструктор – це гра, що тісно поєднує знання про фізичний світ, задоволення та практичну корисність. Складаючи ті або інші електричні ланцюги, можна швидко засвоїти безліч знань та практичних навичок із збирання електронних схемам та, із задоволенням відпочиваючи, познайомитися із дивним світом електроніки.

Використовуючи електричний конструктор, дитина зможе зібрати тисячі різних електричних ланцюгів і зрозуміти відповідні їм схеми, самостійно зібрати радіоприймач, охоронну сигналізацію або, наприклад, прості пристрої домашньої автоматики.

Величезним плюсом сучасних електронних конструкторів є застосований у них оригінальний спосіб з'єднання деталей, що не потребує пайки, що виключає вимушене вдихання шкідливого диму.

У схемах використовується ручне, магнітне, світлове, звукове, електричне, а також сенсорне управління. Зібравши схему, можна отримати акустичний, оптичний або електричний вихідний сигнал. Схеми зі схожими назвами побудовані за допомогою зовсім різних ланцюгів і дозволяють побачити все різноманіття електронних технологій. Багато схем мають не лише пізнавальний характер, але й придатні для практичного використання.

Конструктор дозволяє зрозуміти принципи роботи сучасних ресурсозберігаючих технологій, допомагає в повсякденному житті, дає додаткові знання з техніки безпеки, сприяє тому, що з дитинства людина стає мудрішою, розумнішою. Це допоможе їй і в подальшому житті, коли вона виросте. Наприклад за допомогою схем можна зробити тестер електропровідності. За допомогою цього тестера видно, чи проводить електричний струм той, або інший предмет, який зустрічається в повсякденному житті. Коли лампа засвітиться, це означає, що предмет являється провідником  (наприклад, стальний ніж, металева ложка), а якщо не світить, це означає що предмет не являється провідником (наприклад вироби з пластмаси або дерева). Чим вища елекропровідність, тим нижче опір. Електропровідність характеризує здатність середовища проводити електричний струм. Любе тіло, по якому протікає електричний струм, надає йому певний спротив. Чим менше опір провідника, тим легше електричному струму пройти через нього.

За допомогою різноманітних схем, які мають не лише пізнавальний характер, а й придатні для практичного використання. У схемах використовується ручне, магнітне, світлове, водяне, звукове, електричне, а також сенсорне управління. Зібравши електричну схему, можна отримати акустичний, оптичний або електричний вихідний сигнал. 

1.3. Звукові іграшки

1.3.1. Звукові іграшки

Існує велика кількість прикладів звукових іграшок. Принцип їх дії відрізняється, проте спільним є те, що всі вони використовують звук.

•         Брязкальця

Існує безліч модифікацій даної іграшки - наприклад, кільце, на яке нанизані невеликі пластикові або дерев'яні шайбочки. Перекочуючись по кільцю, шайбочки видають звук. Також дуже поширені брязкальця-ланцюжка на гумці, які кріпляться до бортів ліжечка або коляски. ( Додаток В)

•         Іграшкові музичні інструменти

Один із найпопулярніших видів дитячих звукових іграшок, у принципі дії якого звукові механізми, які забезпечують їх «гру» при натисканні клавіш, струн тощо. Цікавими є також духові інструменти: флейти, труби, сопілки, принцип гри яких полягає безпосередньо у вдмухуванні повітря й поширенні звукових хвиль без додаткових механізмів. ( Додаток В)

•         Музичні килимки

Створені для розвитку у дітей моторики, інтелектуальних здібностей, навичок із математики, мови та ін., а також для збільшення словникового запасу дітей, і, звісно, розваги, такі килимки набули широкої популярності. Механізм їх дії полягає у тому, що при натисканні м’якої клавіші, на якій щось зображено чи написано, дитина чує звук, що супроводжує картинку. Таким чином задіяні одразу декілька рецепторів, що сприяє швидшому засвоєнню дитиною необхідних навичок. ( Додаток В)

•         Іграшки, що «розмовляють» (видають звуки)

Найпопулярніший і найрозповсюдженіший вид музичних іграшок – іграшки, що розмовляють. Механізм їхньої дії полягає в коробочці з отворами, яка знаходить всередині іграшки. Під час нахилу іграшки або натискання на коробочку повітря у ній стискається й виходить назовні. Це супроводжується звуком.

1.3.2. Дослідження поширення звуку на прикладі ляльки, що розмовляє

Раніше в такі ляльки вмонтовувалася так звана «пищалка» При перевертанні ляльки, вона переміщалася вниз циліндром, випускаючи повітря і лялька видавала звук, схожий на слово «Мама». Зараз голос для ляльок записується на електронний чіп і при натисканні кнопки ми чуємо запис.

У нашій іграшці теж такий механізм. В ділянці грудей усередині розміщена коробочка, при натисканні на яку ми чуємо звуки. На електронному чіпі ляльки записані різноманітні звуки, тому при натисканні вони змінюються.

1.4. Іграшки, дія яких заснована на існуванні архімедової сили

1.4.1. Архімедова сила. Метацентр

Закон Архімеда (англ. Archimed's law; нім. Archimedisches Prinzip n) — основний закон гідростатики та аеростатики.

Формула сили Архімеда  

F=ρgV

де g — прискорення вільного падіння,  ρ — густина рідини (газу),  V — витіснений об'єм.

 Легко запам'ятати цю формулу за допомогою легенди, що Архімед любив вино РоЖеВе, де Ро= ρ ; Же = g; Ве= V .

Відкрив закон видатний давньогрецький математик і механік Архімед.

Цей закон також допомагає пояснити поведінку тіла частково зануреного у рідину (плаваюче тіло). Тіло, частково занурене у рідину має центр ваги (SC) і центр плавучості (SW). При зміні кута нахилу центр плавучості переміщається і тіло може повернутися у вихідне положення (стабільний стан) або відхилятись повністю (нестійкий стан). Чи буде тіло стійким чи ні, визначає положення метацентру(MC) (Додаток Г).

1.2. Метацентр

Метацентр  — точка перетину осі плавання і вертикальної лінії дії виштовхуючої сили. Вісь плавання  — вісь нормальна до площини плавання і проходить через центр тяжіння судна у вихідному його положенні. При невеликих відхиленнях кута положення тіла розміщення метецентру не залежить від кута. Якщо метацентр знаходиться вище від центру ваги тіла, то під впливом пари сил, що виникає, тіло повертається до вихідного стану. Якщо ж метацентр буде знаходитись нижче центру ваги тіла, тіло продовжить відхилятись від стану рівноваги, іншими словами, втратить стійкість. Відрізок від метацентру до центру ваги називається метацентричною висотою. Такі розрахунки проводяться, наприклад, при проектуванні суден. Судна повинні бути сконструйовані таким чином, щоб вони були якнайстійкішими.

1.4.2. Архімедова сила в іграшках

Іграшка «Водолаз».

Закони плавання використані в дитячій іграшці «Водолаз».

Вага «Водолаза» підібрана таким чином, що при заповненні порожнини іграшки водою її вага стає більшою, ніж виштовхувальна сила, і «Водолаз» опускається на дно, а при заповненні повітрям виштовхувальна сила стає більшою за вагу іграшки, і «Водолаз» спливає. Як же цього добитися? А от як. Беруть посудину, доверху заповнену водою, й опускають туди «Водолаза». Зверху посудину затягують плівкою. Якщо натиснути пальцем на плівку, то повітря в посудині стискається і сильніше тисне на воду, унаслідок чого деяка кількість води входить в отвір, зроблений знизу іграшки. «Водолаз» стає важчим і опускається на дно.

 Історія виникнення іграшки «Водолаз».

Рафаелло Маджотті був активним свідком барометричних експериментів, які проводив Гаспаро Берті [en] і слідом за ним Еванджеліста Торрічеллі. У зв'язку з цим Маджотті також проводив і свої власні дослідження стискання води і повітря, результати яких були опубліковані в його роботі Renitenza certissima dell'acqua alla compressione . Серед численних пристроїв, описаних там - Маджотті називає їх scherzi (жарти) - є і водолази. Маджотті також називає водолазів ще й cara ffi ne (флакончики). Водолази плавають у високих циліндричних посудинах, надлишковий тиск в яких створюється при закриванні  їх долонею або, якщо посудина досить вузька, великим пальцем.

 Цей пристрій, описаний Маджотті, незабаром став популярним, але жодне з використаних ним назв не прижилося. З початку XVIII століття назва цього пристрою забезпечується атрибутом Catresian (Картезіанський, Декартов), хоча Декарт не мав ніякого відношення ні до самого водолазу, ні до пояснення його дії . Зараз разом з назвою «Картезіанський водолаз» (Cartesian diver) часто використовується назва «Картезіанський диявол» (Cartesian devil), а також «Поплавок Декарта».

Популярності водолазу додало нове видання книги Афанасія Кірхер «Magnes Sive De Arte Magnetica» ( «Магніт або мистецтво магнетизму»), доповнене розділом про цей новітній пристрій. Як водолазів Кірхер використовував скляні фігурки, що представляють сцени з Благовіщення і Вознесіння Христового. Ним же була введена в обіг фігурка водолаза-диявола. В результаті образ картезіанського водолаза наповнився релігійним і містичним змістом, і одночасно водолаз набув статусу цікавої іграшки. (Додаток Г).

Що стосується технічної еволюції, то незабаром герметизація судини з водолазом і зміна тиску в ньому стали здійснюватися не долонями або пальцями, а органічними плівками. З цією метою, наприклад, використовувався свинячий сечовий міхур , який ближче до нашого часу був замінений гумовою плівкою.

У XVIII столітті німецькі склодуви налагодили масове виробництво іграшкових водолазів. Найчастіше це були іграшкові чортики з закрученим навколо тіла хвостом, через який вода могла затікати всередину при збільшенні тиску і витікати при його зменшенні. Такі чортики при періодичному зміні тиску починали обертатися, і за ними закріпилася нім. назва Tanzteufel - танцюючий чорт. Відзначимо, що по-французьки Картезіанський водолаз це теж танцюрист - фр. ludion. (Додаток Г)

1.5. Іграшки, дія яких заснована на різному положенні центру тяжіння

1.5.1. Поняття рівноваги тіла

З другого закону Ньютона випливає, що якщо геометрична сума всіх зовнішніх сил, прикладених до тіла, дорівнює нулю, то тіло знаходиться в стані спокою або здійснює рівномірний прямолінійний рух. У цьому випадку прийнято говорити, що сили, прикладені до тіла, урівноважують одна одну.

Особливим випадком є рівновага тіла на опорі. В цьому випадку пружна сила опори прикладена не має однієї точки, а розподілена по основі тіла. Тіло знаходиться в рівновазі, якщо вертикальна лінія, проведена через центр мас тіла, проходить через площу опори, тобто всередині контура, утвореного лініями, що з'єднують точки опори. Якщо ж ця лінія не перетинає площу опори, то тіло перекидається. (Додаток Д)

Межу стійкості тіла, що стоїть на похилій площині, зручно оцінювати кутом нахилу. Граничний кут нахилу можна визначити геометрично:

tgα = L / 2h. Чим більше L, тим нижче розташовується центр ваги тіла, тобто менше h, і тим стійкіше тіло на опорі. Також очевидно, що граничний кут тим менше, чим вище лежить центр ваги при даній площі опори. (Додаток Д)

Цікавим прикладом рівноваги тіла на опорі є падаюча вежа в італійському місті Піза, яку за переказами використовував Галілей при вивченні законів вільного падіння тіл. Вежа має форму циліндра висотою 55 м і радіусом 7 м. Вершина вежі відхилена від вертикалі на 4,5 м. Вертикальна лінія, проведена через центр мас вежі, перетинає основу вежі приблизно на 2,3 м від її центру. Таким чином, вежа знаходиться в стані рівноваги. Рівновага порушиться і вежа впаде, коли відхилення її вершини від вертикалі досягне 14 м. Очевидно, що це відбудеться дуже нескоро. (Додаток Д)

Точка C – центр мас,

Точка O – центр основи вежі,

CC' – вертикаль, що проходить через центр мас.

Види рівноваги тіл:

·       Байдужа рівновага (Додаток Д)

Приклади: куля й лінійка, що лежать на столі.

Цілісна, однорідна або порожниста куля, що лежить на горизонтальній поверхні, не зрушиться сама по собі з місця(без впливу сторонніх сил) і відстань від точки опори до центра ваги буде завжди однаково. Лінійка, підвішена на горизонтальній осі обертання в точці, де розташований її центр ваги, буде висіти в будь-якому положенні, в якому її залишили, не прагнучи повернутися.

·       Стійка рівновага (Додаток Д)

Якщо спробувати вивести тіло зі стану стійкої рівноваги, то обов'язково виникне сила, яка поверне його в початковий стан. Так кулька на дні чаші знаходиться в єдиному стані стійкої рівноваги. У цьому положенні лінія, що з'єднує точку опори і центр ваги тіла, вертикальна. Центром тяжіння кожного тіла є деяка розташована всередині нього точка - така, що якщо за неї подумки підвісити тіло, то воно залишається в спокої і зберігає початкове положення.

Якщо тіло підвішене на нитці, то як не змінюй його положення, воно буде прагнути зайняти положення стійкої рівноваги, коли лінія, що з'єднує центр ваги тіла і точку підвісу, приймає вертикальне положення. При цьому центр ваги завжди буде знаходитися нижче точки підвісу.

·       Нестійка рівновага (Додаток Д)

Якщо трохи зрушити або відхилити тіло, що знаходиться в стані нестійкої рівноваги, то виникає сила, яка прагне ще більше відхилити його від рівноважного стану. Як приклад можна привести кульку, що лежить на опуклій поверхні або неваляшку, поставлену з «ніг на голову».

1.6. Магнітні іграшки

Приклади магнітних іграшок:

·       Неокуб або магнітний конструктор (Додаток Е)

 Неокуб - магнітний конструктор, який набирає популярність в світі та здебільшого складається з 216 однакових неодимових кулястих магнітів. Різні неокуби складаються з куль діаметром від 3 мм до 10 мм, покритих для захисту від подряпин нікелем. Назва неокуба така через те, магніти зазвичай з'єднані саме кубом (зазвичай 6x6x6), ця конструкція тримається тільки за рахунок магнітного поля, і її легко зруйнувати, привівши тим самим кульки в хаос, а відновити потім цю форму куба і є основним завданням іграшки як головоломки, яка вирішується різними способами.

·       Іграшкова риболовля (Додаток Е)

Складається така іграшка з вудочки, на кінці якої прикріплений магніт та рибок, які, у свою чергу, теж містять зверху магніт. Дитина повинна так розмістити вудочку із магнітом, щоб упіймати рибок. Такі іграшки розвивають координацію рухів, дрібну моторику.

·       Усі інші іграшки із магнітними елементами. (Додаток Е)

Наша іграшка – кролик із маленькими магнітами в передніх та задніх лапках, які при їх зведенні притягуються. Така іграшка дуже цікава для дітей, адже не маючи змоги ще пояснити її дію фізично, вона здається їм чарівною, фантастичною. На спині іграшки також розміщений магніт, що дає змогу чіпляти її, наприклад, на холодильник.

1.7. Механічні іграшки

Механічні іграшки - іграшки, рухомі механічної енергією за допомогою гумок, пружин, маховиків і так далі.

Давньогрецькі, давньоримські і давньоєгипетські механічні іграшки рухалися під впливом води, вітру або пневматичних сил; вони були реалістичні, за що церква визнала їх знаряддя диявола.

Деякі з іграшок могли грати на музичних інструментах і писати цілі речення; деякі, особливо мавпочки, використовувалися для реклами чаю і сигарет, тому були дуже популярні.

Історія  іграшки на ключику своїм корінням сягає в далеке минуле. Ще в античні часи люди намагалися створити механізми, які можуть рухатися. Однак ці іграшки створювалися не для дітей, а для розваг багатої знаті. Придворні вчені ламали голови, винаходили хитромудрі та кумедні пристрої, які могли б імітувати рухи людини чи тварини. Нерідко вони були великих розмірів, а в дію приводилися за допомогою енергії падаючих блоків і важелів, системи зубчастих коліс. Про театр ляльок, літаючих птахів, звірів, які бігають і гарчать, створених талановитими майстрами античних часів, можна прочитати у стародавніх творах Герона. 

Новий етап у розвитку механічної іграшки настав у XVI-XVIII століттях. В цей час над конструюванням та виготовленням іграшок - механічних моделей людей та тварин - активно працювали майстри-годинникарі. Вони створювали справжні витвори мистецтва. За допомогою звичайного годинникового механізму із пружиною іграшки-машини оживали та відтворювали рухи живих людей і тварин.

У XVI столітті Леонардо да Вінчі створив механічного лева в подарунок королю Луї XII. Лев міг ходити і відкривати пащу. У той же період працювали механічні іграшки для дітей створював Галілео Галілей.

Ще одним талановитим творцем механічних іграшок у XVIII ст. був французький механік Жак Вокансон, який виготовив ляльку-флейтиста, що вмів виконувати 11 різних мелодій. Велике зацікавлення викликала і його качка, яка вміла крякати, ходити, плавати, рухати головою, розправляти крила, чистити пір'я. Всередині качки була влаштована хімічна міні-лабораторія, завдяки чому качка могла пити воду і клювати зерна. Приблизно в ті ж роки П'єр Жаке-Дро створив автомати, зараз виставлені в швейцарському Музеї Мистецтва та Історії - Письменника, Музиканта і креслярем. (Додаток Є)

У швейцарському містечку Невшатель у музеї образотворчих мистецтв можна побачити дивовижні механічні іграшки, виготовлені у XVIII ст. талановитими годинникарями П'єром-Жаком Дро і його сином Анрі Дро. За столом сидить писар, який старанно виводить каліграфічні літери, біля нього - художник, який малює різні фігури, а за фісгармонією сидить музикант, яка віртуозно грає на інструменті. У відвідувачів музею виникає відчуття, ніби перед ними справжні живі істоти. (Додаток Є)

  

У Віденському технічному музеї можна побачити сидячого на кулі писаря, який акуратно виводить на аркуші паперу текст розміром до 79 букв. Цю механічну ляльку створив у XVIII ст. придворний австрійський механік Фрідріх Кнаусс.

У XIX столітті популярність механічних іграшок ще більше зросла, розширилося виробництво, в будинках вельмож та знаті з'явилися музичні скриньки, клітки із співаючими райськими пташками, тварини із заводним пристроєм. З ними залюбки гралися і дорослі, і діти.

Але з розвитком науки і техніки інтерес до механічних іграшок почав падати. ХХ століття принесло нові відкриття та ідеї. На зміну механічним прийшли електромеханічні іграшки - роботи, в яких пружинний механічний двигун замінили електромотором з батарейкою. Роботами можна було керувати за допомогою радіо.

(кінець уривка)