Раскачиваться на качелях легче и веселее

Помните детские ощущения от качелей? Когда сжимается все в животе, и холодок расползается в разные стороны. Но зато какой восторг, какая радость от чувства полета, а двор и деревья мелькают вокруг, и теплый летний ветерок треплет волосы…

Качели делают ребенка счастливым, потому что поход в парк с аттракционами вместе с любимыми мамой и папой или прогулка во дворе в погожий солнечный денек — это ли не счастье! Так чем же полезны малышу всевозможные качели, карусели, качалки, прыгалки, гамаки и прочие «качательные» приспособления?

Прежде всего, качели развивают ловкость. Особенно если мама будет поменьше помогать подросшему карапузу взбираться на качели и слезать с них. Часто мы выполняем за ребенка то, что он давно уже может делать и самостоятельно, тем самым мешая ему развиваться.

Есть много способов и самого катания. Можно облокачиваться на спинку или садиться «задом наперед», а также раскачиваться стоя! Причем обычно малыши сначала учатся раскачиваться именно стоя, так им легче понять принцип управления качелями. Это вполне по силам малышам с 2,5–3 лет. Не бойтесь за них, просто стойте рядом. Раскачивание стоя отлично развивает и силу, и ловкость, и координацию движений, учит ребенка преодолевать страх, что немаловажно для воспитания характера. А чуть позже малыш научится раскачиваться и сидя. Но для этого маме нужно почаще «забывать» его раскачивать. А то, если мама все время качает, какой смысл напрягаться?

Объясните малышу, что нужно поджимать ножки, когда качели движутся назад и вытягивать, когда летишь вперед. Можно на первых порах командовать: «Вперед-назад, вперед-назад!» Сначала малыш научится попадать в ритм, а потом поймет, что нужно не просто болтать ногами, но и, добавляя к ним движения тела, толкать качели. А как весело качаться вместе с приятелями! Так малыш не только получает удовольствие, но и учится взаимодействовать с другими детьми, находить с ними общий язык.

Оказывается, качание на качелях полезно не только для физического воспитания малыша, но и для формирования его интеллекта. Всевозможные исследования доказали, что раскачивание и кручение стимулируют развитие определенных участков головного мозга ребенка, которые отвечают за чтение и письмо. Покачивание активизирует творческое мышление и даже улучшает кровообращение и обмен веществ. Мало того, качание на качелях и каруселях — одно из упражнений, которые рекомендуются для гиперактивных ребятишек и малышей с синдромом дефицита внимания. Развитие вестибулярного аппарата одновременно стимулирует и лобные доли головного мозга, которые отвечают за функцию самоконтроля. А для гиперактивных малышей весьма важно научиться контролировать свое поведение. Кроме того, ритмичное покачивание помогает успокоиться, расслабиться, снять нервное напряжение.

Качели — отличный «тренажер» детской коммуникабельности, т.е. умения общаться. Научите малыша не ругаться с другими детьми у качелей, не лезть без очереди, не толкаться. Расскажите, что нужно подойти, вежливо поинтересоваться «кто последний» и стать в очередь. Учите ребенка пропускать вперед самых маленьких, мальчика — уступать место девочке. Объясняйте, что долго кататься можно только тогда, когда возле качелей нет очереди. Одним словом, при правильном подходе, качели научат малыша общению, вежливости, культуре поведения.

Для катания на качелях-доске просто необходимо четкое взаимодействие с партнером. Ведь для того, чтобы самому взлететь повыше, нужно не только хорошенько оттолкнуться ногами от земли, а и посильнее надавить на сидение всем весом и поднять приятеля вверх. Качаться на таких качелях получается только у дружных ребятишек. Казалось бы — это всего лишь качели, но сколько полезных навыков приобретает кроха развлекаясь на них!

Вместе с ребенком можно порассуждать, почему лучше всего получается качаться у ребятишек примерно одного возраста. А вот с папой качаться тяжело: папа все время перевешивает, и поднять его вверх практически невозможно. Вот вам и повод поговорить о весе и весах. А что если посадить на одну сторону качелей папу, а на другую четырех ребятишек?

Как хорошо, что в наших дворах есть детские площадки с качелями и каруселями! Но при несоблюдении простых правил безопасности они могут травмировать малыша. Опасность подстерегает не только крошечных несмышленышей, которые подобрались близко к качелям, пока их мамы увлеченно общаются на лавочке. И ребятишки постарше порой не могут правильно оценить безопасное расстояние. Поэтому вы четко должны объяснить ребенку, что подходить к качелям можно только сбоку, а обходить их — на большом расстоянии. Садиться и слезать нужно только тогда, когда качели остановлены, и ни в коем случае нельзя с них прыгать. Расскажите о том, к чему могут привести нарушения этих правил.

Не только пандусы, о которых мы говорили в разделе 1.3, дают выигрыш в силе. В данном разделе мы займемся еще одним похожим приспособлением — качеля­ми, которые представляют собой разновидность рычага. Изучая качели, мы вновь встретимся с уже знакомыми нам законами механики. Но теперь мы рассмотрим эти законы в ином контексте — в контексте вращательного движения.

Качели. Любому ребенку, которому приходилось играть на детской площадке с другими детьми, прекрасно известно, что качаться на качелях лучше всего с кем-то, кто весит примерно столько же, сколько ты сам (рис. 2.1.1, а). Партнеры, подходящие друг другу по весу, уравновешивают качели, что позволяет легко раскачиваться. И наоборот, если маленький ребенок качается с большим, то старший рискует больно стукнуться попой, когда его плечо качелей опустится слишком быстро (рис. 2.1.1, б). Зато малыш взлетит вверх, как настоящий астронавт!

Решить проблему разницы в весе можно разными способами. Например, если напротив большого ребенка на другое плечо качелей усядутся двое маленьких. И любой ребенок прекрасно знает, что если тот, кто потяжелее, сдвинется побли­же к оси вращения (к центру качелей), то качели тоже уравновесятся (рис. 2.1.1, в) и качаться будет столь же удобно, как если бы седоки на обоих концах качелей весили одинаково. Этот весьма полезный прием мы обсудим чуть позже. Но для начала давайте подробнее изучим принципы вращательного движения.

Простоты ради мы не будем учитывать массу и вес самих качелей. В таком случае на качели действуют всего три силы (рис. 2.1.1) — две направленные вниз (вес двух детей) и одна направленная вверх (сила реакции центральной опо­ры). Взглянув на эти три силы, мы сразу же вспоминаем о равнодействующей и ищем некое общее ускорение качелей и "наездников”. Однако мы знаем, что качели всегда остаются на отведенном им месте на детской площадке и вряд ли в ближайшее время вдруг переместятся в захолустье штата Мичиган или к цен­тру Земли. Поскольку неподвижная опора качелей всегда обеспечивает действие силы, направленной вверх и вбок (эта сила необходима для того, чтобы предотвратить возникновение ускорения во всей системе), то приложенная к качелям результирующая сила равна нулю и они не могут оторваться от земли. В общем случае перемещение тела с одного места на другое называется поступательным движением. Качели не участвуют в поступательном движении, но могут пово­рачиваться относительно оси (или точки опоры) и, следовательно, участвуют в другом виде движения. Движение вокруг неподвижной точки (или оси) называ­ется вращательным движением. Пример вращательного движения — движение стрелок часов по циферблату.

Качели интересны именно как пример вращательного движения. Весь их смысл заключается в способности вращаться, благодаря чему один ребенок под­нимается, а другой опускается. Вам может показаться, что подъем и спуск — это не совсем вращение, однако если бы на пути опускающегося плеча качелей не сто­яла земля, то качели совершали бы полный оборот вокруг своей центральной оси. Что же заставляет качели вращаться? И какие выводы мы можем сделать, наблю­дая за их вращением?

Чтобы ответить на эти вопросы, надо изучить кое-какие новые физические величины, связанные с вращением, и рассмотреть законы вращательного движе­ния, которые выражают соотношение этих величин. Мы можем сделать это на примере качелей и других вращающихся объектов, а затем сравним поступатель­ное и вращательное движение.

Представьте себе, что вы придерживаете качели (рис. 2.1.1, а) в горизонталь­ном положении, пока ребенок слева слезает с них. Теперь представьте, что вы их отпустили. Как только вы это сделаете, качели начнут поворачиваться и ребенок справа начнет опускаться. Поначалу качели вращаются медленно, затем быстрее и быстрее, пока бедный малютка с громким стуком не ударится о землю

Если бы нас интересовало только собственно вращение, мы описали бы дви­жение качелей следующим образом:

Сначала качели не вращаются вовсе. Когда мы их отпускаем, они начинают вращаться по часовой стрелке. Скорость вращения качелей по часовой стрел­ке постоянно возрастает до тех пор, пока плечо качелей не ударится о землю.

Это описание сильно напоминает описание полета мяча, упавшего из состояния покоя:

Сначала мяч не движется вовсе. Когда мы его отпускаем, он начинает переме­щаться вниз. Направленная вниз скорость падения мяча постоянно возраста­ет до тех пор, пока он не стукнется о землю.

В эпизоде с качелями описывается вращательное движение, а в эпизоде с мячом — поступательное. Сходство этих явлений — не случайное совпадение; принципы и законы вращательного движения во многом аналогичны принципам и законам движения поступательного. То, что мы уже знаем о поступательном движении, поможет нам разобраться и с вращением.

Движение раскачивающихся качелей. В предыдущей главе мы рассмотрели явление инерции в поступательном дви­жении — движущееся тело стремится продолжить движение, неподвижное тело стремится остаться в покое. Это положение привело нас к первому закону Нью­тона для поступательного движения. Именно для поступательного — это важное уточнение! — потому что теперь мы будем изучать соответствующие положения теории вращательного движения.

Знакомство с новой темой мы начнем с анализа поведения качелей, свобод­ных от внешних воздействий, которые могли бы вызвать вращение. Далее мы по­смотрим, как реагируют качели на внешние воздействия — со стороны собствен­ной оси вращения и со стороны юных пользователей. Поскольку вращательное и поступательное движения имеют много общего, в этой главе проводятся близкие параллели с ранее изученными процессами — катанием на коньках и бросанием мячей.

Предположим, что на детской площадке рядом с вашим домом устанавлива­ют новые качели. Пока что это просто доска, болтающаяся на веревке (рис. 2.1.2). Веревка привязана к середине доски и компенсирует ее вес, но больше никакого воздействия на нее не оказывает. Предположим далее, что доска качелей может вращаться и поворачиваться во все стороны — ничто ее специально не подталки­вает и не крутит — и веревка не мешает ее движению. Итак, подвешенные качели могут повернуться в любом направлении. Вы, наблюдатель, неподвижно стоите рядом и смотрите на качели — как же они себя поведут?

Пока качели неподвижны, они так и останутся неподвижными. Но если они вращаются, то продолжат равномерно вращаться вокруг некой оси в простран­стве. Что заставляет их продолжать вращение? Момент инерции. Вращающееся тело стремится продолжить вращение; если тело не вращается, оно и не стремит­ся вращаться. Так устроена наша Вселенная.

Чтобы точнее описать момент инерции и вращательное движение качелей, необходимо дать определение некоторым физическим величинам, связанным с вращательным движением. Первая из них — угловая координата. В каждый момент времени качели ориентированы определенным образом, то есть имеют определенные угловые координаты. Угловая координата, или угловое перемеще­ние, указывает положение качелей относительно некоего заданного направления; ее можно задать, указав, насколько качели отклонились от начального положения и от оси, вокруг которой они поворачиваются. Угловое перемещение — это вто­ростепенный по значимости вектор, направленный вдоль оси вращения и равный по модулю углу поворота (рис. 2.1.3).

В системе СИ угловые координаты (и угловое перемещение) измеряются в ра­дианах, естественных единицах измерения углов. Эта единица называется есте­ственной, потому что она, в отличие от большинства единиц измерения, выводится непосредственно из геометрии, а не возникла волей какого-то ученого или в ре­зультате какой-то договоренности ученых. Согласно правилам геометрии, длина окружности с радиусом, равным 1, равна 2п. Чтобы выразить угол через дугу этой окружности, мы используем радианы. Например, в полном круге (360′) 2п радиан, а прямой угол (90’) равен п/2 радиан. Поскольку радианы — естественные единицы, они часто не указываются при расчетах и определении производных единиц.

Когда качели вращаются, меняется их угловая координата; иначе говоря, они имеют угловую скорость. Угловая скорость — первый важный для нас вектор, ко­торый характеризует вращательное движение и служит мерой быстроты измене­ния угловой координаты; угловая скорость задается модулем (собственно угловой скоростью вращения) и направлением оси, вокруг которой происходит вращение. Угловая скорость качелей — это изменение угла, деленное на время, в течение которого менялся угол.

Единица измерения угловой скорости в СИ — радиан в секунду (сокращенно 1/c).

Ось вращения качелей представляет собой линию в пространстве, вокруг ко­торой они поворачиваются. Но одной только этой линии недостаточно — надо еще знать, в какую сторону поворачиваются качели, по часовой стрелке или против.

Чтобы устранить неопределенность, вспомним, что любая прямая имеет два направления. Обозначив прямую, вокруг которой происходит вращение, мы мо­жем посмотреть на плоскость вращения качелей с разных сторон. Глядя с одной стороны, мы увидим, что качели поворачиваются по часовой стрелке; посмотрим с другой стороны — и вращение явно происходит против часовой стрелки. Да­вайте договоримся, что мы смотрим с такой точки зрения, что качели вращаются по часовой стрелке, и что ось вращения направлена от нас к качелям. Такое со­глашение называется правилом правой руки: если обхватить ось вращения пра­вой рукой так, чтобы четыре пальца были направлены в направлении вращения, то отставленный большой палец укажет направление оси вращения (рис. 2.1.4). Можно также назвать это "правилом штопора (буравчика)": когда мы поворачиваем штопор, он врезается в пробку в том направле­нии, в котором надо направить вектор угловой скорости. Когда вы попытаетесь применить правило правой руки на практике, не забудьте переложить эту книгу в левую руку.

У любого преподавателя физики, и я не исключение, непременно находится в группе несколько студентов, которые вос­принимают правило правой руки наоборот. Я никак не мог догадаться, в чем же дело, пока во время одного семинара кто-то не обратил мое внимание на то, что боль­шинство студентов делают записи правой рукой. Чтобы не класть на стол ручку (и по­том снова не брать ее), некоторые из них пытаются проверить правило правой руки с помощью левой — и у них ничего не выхо­дит. Вероятно, они полжизни мучаются, не понимая, почему же у них такая неудобная обувь, — по схожей причине.

Надпись на вывеске: "Товары для левшей".

Отметим, что соблюсти это условие не так важно, как понять, почему при определении вектора угловой скорости необходимо указывать направление вращения. Подобно тому, как вектор скорости поступательного движения характе­ризуется собственно скоростью (модулем) и направлением, в котором происходит поступательное движение, так и угловая скорость имеет численное значение (ско­рость вращения) и направление, в котором происходит вращение.

Теперь мы можем описать вращательное движение висящих на веревке каче­лей. Поскольку на них не действуют внешние силы и они имеют момент инерции, их угловая скорость постоянна. Подвешенные качели постоянно поворачиваются с одной и той же угловой скоростью вокруг одной и той же оси.

Как вы, наверное, догадываетесь, так ведут себя не только качели. Это и есть первый закон Ньютона для вращательного движения: если жесткое тело не раска­чивают и не подвергают внешним воздействиям, оно вращается с постоянной угловой скоростью и совершает одинаковые повороты за равные промежутки времени вокруг фиксированной оси вращения. Под внешними воздействиями здесь подразумеваются моменты силы — так в научном мире называют вращаю­щие (они же крутящие) моменты. Когда вы отвинчиваете крышку банки или запу­скаете волчок, вы прикладываете к ним момент силы.

Этот закон неприменим к качающимся телам и телам изменчивой формы, потому что они участвуют в более сложном движении. Такие тела подчиняются более общему закону — закону сохранения импульса, который мы будем изучать в разделе 2.3.

|	следующая лекция ==>
Взаимосвязь физики и спортивных тренажеров	|	Ядовитые змеи. О самом главном

Дата добавления: 2017-09-21 ; просмотров: 5572 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

А Вы умеете качаться на качелях? И Вы сможете сами сильно раскачаться? Глупые вопросы? Не очень! Оказывается, не все так просто. А Вы знаете, что качели умеют смеяться (в прямом смысле этого слова)? Не знаете? Не слышали? Тогда "мы идем к вам" .

Вы заметили, как люди обычно начинают раскачивания на качелях?
Маленькие дети садятся на сиденье и терпеливо ждут, когда качели сами начнут раскачиваться, или громко зовут маму …
Они еще не знают, что такое физика!

Дети старше и опытней садятся на качели, затем в зависимости от того, на сколько позволяет длина ног, достающих до земли, отступают ими как можно дальше назад (т.е. отклоняют качели от положения равновесия), и только затем поднимают ноги в воздух … желая раскачаться сильнее, они начинают невпопад «брыкаться» на качелях, и иногда из этого кое-что получается …
Но, скорее всего, они еще тоже не в курсе физических законов!

С годами приходит умение. Удобно устроившись на качелях, сидя или стоя, повзрослевшие «детки» начинают раскачивания и практически из неподвижного начального положения добиваются сильнейших размахов качелей. Они как-то незаметно и вовремя покачиваются, приседают, выгибаются, делая это совершенно интуитивно …
Вот мы и добрались до возраста, когда детки уже многое знают о физике, маятниках и колебаниях, но совершенно тщетно просить их объяснить свои движения!

Для этого надо сначала «подумать»!
А может быть, подумаем вместе?

Начнем с того, что качели – это аналог нитяного маятника. А нитяной маятник может совершать свободные колебания, если вывести его из состояния равновесия.
Вот Вам и начальное отталкивание ногами от земли!

Но, дальше-то интересней!
Свободные колебания в воздухе всегда затухающие, т.к. механическая энергия колеблющегося маятника в результате действия силы трения (в самих качелях и о воздух) неуклонно уменьшается и превращается в тепловую энергию.
А чтобы качаться долго-долго, колебания надо поддерживать!

Чтобы объяснение было наглядней, представим себе человека, качающего на качелях стоя.
Что же он делает для того, чтобы раскачаться сильнее?
Правильно подумали!
Человек приседает, когда качели идут из верхней точки вниз, и встает, выпрямляя ноги, когда достигает самого низкого относительно земли положения, причем делает он это периодически (практически при каждом движении вниз вперед лицом).

А зачем? Что, чем сильнее жмешь ногами на качели, тем лучше?
Нет, сила здесь ни при чем, а вот глубина приседания – может быть!
Здесь возникает то, о чем молчат в базовом курсе школьной физики!
Незатухающие параметрические колебания маятника!

Знакомимся.
С «незатухающими» все ясно – чего хотели, того и добились!
А что такое «параметрические»?
Параметрическими колебаниями называются колебания, при которых меняются параметры колебательной системы. В данном случае изменяющимся параметром маятника будет длина нити маятника.

Так что же мы меняем, приседая и поднимаясь на качелях?
Оказывается, если нитяной маятник – это шарик на ниточке, то человека на качелях тоже можно представить «шариком», который находится на уровне центра тяжести человека (около «пупка»). Расстояние от центра тяжести человека до оси вращения качелей – это длина нити маятника (ну, а если у Вас сидение на качелях тяжелое, то придется поискать точку общего центра тяжести системы). А приседая и поднимаясь, т.е. перемещая центр тяжести тела вверх или вниз, мы меняем «длину нити» маятника!

А от длины нити маятника многое зависит: и период колебания маятника, и частота колебания маятника, и … т.д., только начни писать формулы!
Перемещая центр тяжести тела, человек меняет длину нити маятника, т.е. параметры колебательной системы.

Параметрические незатухающие колебания можно пронаблюдать и на обычном нитяном маятнике. Если нить, пропущенную через неподвижное кольцо, периодически подтягивать в положениях максимального отклонения маятника, или отпускать, когда маятник проходит через положение равновесия, то амплитуда колебаний маятника будет возрастать.

Увеличение амплитуды колебаний четко говорит о возрастании энергии маятника.
Здесь энергия колебательного движения маятника будет поддерживаться за счет работы, совершаемой рукой при изменении длины нити.
В этом случае наблюдается параметрический резонанс.
Раскачка качелей также обусловлена параметрическим резонансом, возникающем при приседании и вставании человека на качелях.

Что же делает человек, приседая и вставая? Он совершает работу. В этом случае потери механической энергии качелей на трение и сопротивление воздуха компенсируются работой сил человека, изменяющих параметры системы.

Каждый, кто сам качался на качелях, знает, как легко присесть «наверху» и как трудно выпрямиться «внизу»! Чтобы увеличить механическую энергию колебаний качелей, человек должен вставать, когда для этого необходимо приложить максимальное усилие, т.е. в нижней точки траектории, при этом будет совершена максимальная работа.
Если уменьшать длину «нити» качелей в нижнем положении и увеличивать в крайних положениях, то работа силы человека за период колебаний будет положительной, и амплитуда колебаний будет возрастать, т.е. совершение человеком работы при вставании будет восполнять потери механической энергии качелей.

Интересно, что возбуждение параметрических колебаний может происходить, если параметр будет меняться даже при редком воздействии, например, при приседании и вставании всего один раз за период колебаний или даже реже.

Максимальное же раскачивание качелей произойдет, когда частота изменения параметра в два раза превысит собственную частоту колебаний качелей – за один период ( одно качание «туда-обратно») нужно дважды присесть и дважды встать. Возникнет параметрический резонанс.

В отличие от вынужденных колебаний он наступит в том случае, когда частота изменения параметров системы истанет в два раза больше собственной частоты колебаний системы.

Ну, а если Вы не настолько легкомысленны, чтобы качаться на качелях стоя?

В режиме «сидя» все происходит аналогично. Периодически откидываясь назад или усаживаясь вертикально и поднимая ноги, Вы меняете положение центра тяжести тела … а об остальном мы уже говорили!

Чем же с точки зрения физики незатухающие параметрические колебания отличаются от незатухающих вынужденных колебаний, когда заботливая мама сама раскачивает качели с ребенком?
— А видом внешнего воздействия! При вынужденных колебаниях периодически действующая «мамина» сила, поддерживающая незатухающие колебания, задана извне, и параметры системы при этом остаются постоянными.

Вот так, все формулы и теоретическое обоснование данного явления можно найти на страницах учебников "Теоретическая физика". А мы с Вами просто обратили внимание на то, что при качании на качелях "не все так просто"!

И , наконец, чуть-чуть о смешном!
С виду — это простые качели, но как только на них садится человек, качели начинают "смеяться"!
И чем сильнее раскачиваются качели, тем громче и заразительнее смех .
Конструкторы качелей M. Rothschild и M. Rinott установили датчики, фиксирующие степень раскачивания, а в сидение вмонтировали громкоговоритель.
В результате из динамика можно услышать даже просто дикий хохот, если у Вас хватит сил раскачаться очень сильно!

"Смеющиеся качели" были построены специально для конференции «помешанных разработчиков» GeekCon и установлены в фойе зала, где она проходила. От желающих покачаться не было отбоя .

Правда, хочется сесть на качели и проверить всё в действии?