Конструирование модели игрушек с использованием силы упругости материала

В статье автор опытным путем пытается выяснить, что резинка, которая используется в двигателях моделей, может приводить их в движение, приводит инструкцию по конструированию двух самодельных игрушек.

Ключевые слова: сила упругости, резинка, тело, первоначальная форма, энергия упругости, энергия движения, игрушка, пластиковая бутылка.

С моим дедушкой мне никогда не бывает скучно. Он отвечает на все мои «зачем и почему», рассказывает доступно и интересно обо всём на свете. А ещё мы мастерим с ним разные механизмы, игрушки, поделки. Однажды он рассказал мне о том, что даже обычная резинка, может стать «двигателем». Я очень удивился, что такое может быть. Мне захотелось узнать, как работает такой механизм, какие силы заставляют его двигаться и, конечно, сделать поделку. Кроме того, создание настоящих работающих машин стимулирует ребенка на дальнейшие открытия и является новой ступенькой в самосовершенствовании.

Каждый человек когда-нибудь задумывался, насколько на Земле, в нашей Солнечной системе, Галактике и мире все взаимосвязано и взаимодействует? Какая наука занимается исследованием этих взаимосвязей, явлений природы, движения и взаимного влияния одних тел на другие? [2, с.4] Эта наука — физика! В современном толковом словаре русского языка есть определение, что физика — это наука о свойствах и строении материи, о формах её движения и изменения, об общих закономерностях явлений природы. [3, с.891]

Это достаточно сложное определение для понимания школьников. Но занимательная наука физика очень интересна учащимся младших классов, поскольку в возрасте 6–8 лет ребёнок — активный исследователь всего, что происходит вокруг, а именно физика позволяет дать объяснение многим явлениям и процессам, с которыми сталкивается каждый ученик. Со многими явлениями сталкиваются и в повседневной жизни. Ведь физика везде: начиная с жилища и телефона и заканчивая реактивными лайнерами и полетами в космос. Вещи, которые нас окружают, компьютеры, автомобили, бытовая техника, Интернет — настолько прочно вошли в нашу жизнь, что мы не обращаем на них никакого внимания. А все-таки следует помнить, что все блага цивилизации стали возможными благодаря научным открытиям, в том числе и в области физики, которая является очень интересной и всеобъемлющей наукой. [2, с.4] Благодаря развитию физики есть возможность жить в теплых домах и пользоваться электричеством. Именно знание физических процессов позволяет получать электрическую и тепловую энергию. При этом объяснение их сути ребята не всегда получают в процессе обучения в 1 классе. А так хочется познакомиться с физикой поскорее! Ведь эта замечательная наука нужна всем: врачу, шоферу, космонавту, водолазу, ученому, клоуну, повару и другим. [4, с.1]

Но оказывается, физика — это не только научные книги и сложные приборы, не только огромные лаборатории. Физика — это ещё и фокусы, показанные в кругу друзей, это смешные истории и забавные игрушки-самоделки. Физические опыты можно делать с поварешкой, стаканом, картофелиной, карандашом. Гвозди и соломинки, спички и консервные банки, обрезки картона и даже капельки воды — все пойдет в дело! Таким образом, когда начнем изучать физику в школе, эта чудесная наука уже не покажется такой загадочной и мудреной. Можно будет сказать ей, как старой доброй знакомой: «Здравствуй, физика!».

Каждый день приходится сталкиваться с действиями одних тел на другие. Для понимания процессов, происходящих в окружающем нас мире, физики приложили немало усилий, чтобы понять, что происходит с одним телом при воздействии на него другого. Ученые смогли доказать, что любое движение происходит под действием различных сил. [2, с.15]

Так что же такое сила? В словаре Д. Н. Ушакова находим следующее определение: «…напряжение, энергия как причина, выводящая тело, материю из состояния покоя или изменяющая направление, скорость движения». [3, с.732] Получается, что сила — это воздействие одного тела на другое. Воздействие может быть разным: в результате приложения силы тело способно приводиться в движение, менять скорость или направление движения, останавливаться и. тому подобное. Например, толкая в магазине тележку для продуктов, приводим ее в движение. При этом скорость тележки и направление ее движения меняются в зависимости от той силы, с которой действуем на тележку. А папа может толкать такую тележку с гораздо большей скоростью, так как он сильнее. Таким образом, все тела, которые нас окружают, постоянно друг с другом взаимодействуют с помощью различных сил. Например, 1) сила тяжести заставляет все предметы находиться на Земле (так как очень большие тела притягивают к себе маленькие). Если не будет силы тяжести, то все предметы сами собой взлетят, как в невесомости; 2) сила трения дает нам возможность спокойно ходить, а машинам ездить. Если силы трения не будет между поверхностью дороги и нашими ногами, или колесами машин, то при ходьбе мы будем скользить, а машина будет крутить колесами на месте и уехать не сможет; 3) сила упругости позволяет восстановить форму предмета, если этот предмет попытались деформировать (смять, изогнуть, растянуть, ударить).

Известно, что на любое тело действует сила тяжести, но многие тела не падают, а находятся в покое. Неподвижны стол, книги на столе, люстра, телевизор, человек в кресле. Кроме силы тяжести на эти тела действует и сила упругости. Самый простой и доступный пример проявления силы упругости — это деформация пружины! Если взять пружину, сжать ее, а затем убрать пальцы. После того, как отпустить ее, пружину стремиться принять первоначальную форму. Так при деформации пружины возникла сила упругости, и можно наблюдать ее проявление. Другой пример проявления силы упругости можно наблюдать во время прыжка на тарзанке. [2, с.24] Какая сила растягивает канат во время прыжка? Как только человек совершает прыжок, он начинает падать под действием силы тяжести. Под весом прыгуна канат растягивается, а затем стремиться возвратиться в свое первоначальное положение, то есть прыгун движется вверх и вниз. Таким образом, в существующем мире все физические тела действуют друг на друга, то есть взаимодействуют. В результате взаимодействия тела могут изменить скорость, форму, размеры. Мерой взаимодействия тел является сила. А сила упругости — это сила, которая возникает в теле в результате его деформации, и стремиться вернуть тело в исходное положение.

Итак, помним, что сила упругости позволяет восстановить форму предмета, если этот предмет попытались деформировать (смять, изогнуть, растянуть, ударить) [1, с.15]. Попробуем показать. 1) Возьмем резинку. Приложим к ней силу растяжения. Растянем её и отпустим. Она снова приняла первоначальную форму. 2) Возьмем мячик. Приложим к нему силу сжатия. Сожмем его и отпустим. Он снова принял первоначальную форму. Чтобы предметы смогли восстановить свою форму, они во время растяжения (резинка) или сжатия (мячик) накапливали энергию. И, как только переставала действовать на них сила растяжения или сжатия, то накопленная энергия в этих предметах позволяла восстановить им форму. Накопленную энергию с помощью силы упругости можно использовать для двигателя, который может привести в движении разные устройства.

Далее надо взять 3 канцелярские резинки, пропустить сквозь пластиковую бутылку через отверстия в её донышке и крышке. Со стороны донышка в резинку вставить две половинки спички, а со стороны крышки жгут из 3-х резинок продеть в пластиковое кольцо и закрепить палочкой для «суши» (карандашом). Протянутый резиновый жгут из 3-х резинок сквозь бутылку будет резин мотором. Палочкой от «суши» этот мотор станем заводить. Оставшиеся 2 канцелярские резинки накрутим на выпуклые части пластиковой бутылки. Они будут играть роль колес. Пластиковое кольцо между крышкой и палочкой служит для уменьшения трения в механизме.

Прокрутив палочку по часовой стрелке 20–30 раз, мы скрутим резиновый жгут внутри, он тем самым накопит энергию силы упругости и будет готов её отдать, раскручиваясь в обратную сторону. Если положить весь механизм (бутылка + резиновый жгут + палочка) на пол, то резина, раскручиваясь, будет передавать энергию вращения пластиковой бутылке. Бутылка станет вращаться и покатится по полу. Игрушка-ползушка готова! (Рис. 1)

Рис. 1

Таким образом, как ни проста эта игрушка, можно смастерить сразу несколько таких «ползушек» и устроить целый «танковый бой» на переменке в школе. Победителем будет считаться «ползушка», подмявшая другую под себя, или опрокинувшая ее, а «побежденных» можно убрать «с поля боя».

Проведем дополнительно ещё один наглядный опыт накопления энергии с помощью силы упругости. Сделаем плавающую модель лодки из пластиковой бутылки с резин-мотором (игрушку-плавушку). Для этого возьмем: пластиковую небольшую бутылку (1 шт.); палочки для «суши» или сухие веточки от дерева (2 шт.); изоленту или скотч; резинки канцелярские (2–3 шт.); палочку от мороженого (или старую пластиковую карточку, или кусочек тонкого листового текстолита) (1 шт.).

Сначала сделаем корпус модели. Изолентой или скотчем прикрепим к пластиковой бутылке с двух сторон палочки (веточки) так, чтобы их часть выступала за край бутылки. На выступающие концы палочек наденем сразу 2–3 канцелярские резинки и их края закрепим изолентой (скотчем). Закрепленные резинки станут для модели резин-мотором.

Теперь сделаем гребные лопасти к будущей модели. Для этого нужно разрезать имеющиеся тонкие пластины, которые не размокнут от воды (палочку от мороженого или старую пластиковую карточку) на две равные части. В каждой из частей в середине аккуратно сделаем прорези, ширина которых должна быть ровна чуть меньше толщины этих пластинок, а длина — половине разрезанной пластинки. При помощи прорезей соединим половинки пластин между собой. Получится крестообразная конструкция из 4-х лопастей. Чтобы установить гребные лопасти на модель требуется пропустить 2 лопасти между канцелярскими резинками, закрепленными на палочках. Игрушка-плавушка готова! (Рис. 2)

Рис. 2

Для запуска игрушки-плавушки достаточно покрутить лопасти. В результате резинки скрутятся и накопят энергию силы упругости. Если опустить модель в ёмкость с водой и отпустить гребные лопасти, которые удерживали, то скрученные в жгут резинки будут раскручиваться, приведут во вращение лопасти и игрушка поплывет.

Таким образом, заводя игрушку-ползушку или модель лодки с резиновым мотором, скручиваем резину. Упругая резина стремится восстановить свою первоначальную форму. Резина раскручивается и вращает воздушный или водяной винт. Игрушки приходят в движение. Все твердые тела, о которых мы упоминали держались молодцами, восстанавливали прежнюю форму. Накопленную энергию с помощью силы упругости можно использовать для двигателя, который может привести в движении разные устройства. Гипотеза, выдвинутая нами в начале работы, нашла своё подтверждение.

Экспериментальная физика, создание самостоятельно игрушек — это уникальное направление занятий, на которых можно своими руками знакомиться с принципом действия какого-либо устройства, ставить эксперимент, играть и получать новые знания.

Литература:

1. Сикорук Л. Л. Физика для малышей. — Петрозаводск: Издательство «Кругозор», «БНП», 1996.
2. Вайткене Л. Д. Физика. — Москва: Издательство АСТ. 2017.
3. Ушаков Д. Н. Большой толковый словарь русского языка. Современная редакция — М.: ООО «Хит-книга», 2017.
4. Гальперштейн Л. Здравствуй, физика! — М.: Изд-во «Детская литература», 1967 г.