Зная свою массу и площадь ботинка, вычислите, какое давление вы производите при ходьбе и какое — стоя на месте.
Указание. Площадь опоры ботинка определите следующим образом. Поставьте ногу на лист клетчатой бумаги и обведите контур той части подошвы, на которую опирается нога (рис. 94).
рис. 94.
Сосчитайте число полных квадратиков, попавших внутрь контура, и прибавьте к нему половину числа неполных квадратиков, через которые прошла линия контура. Полученное число умножьте на площадь одного квадратика (площадь квадратика на листе, взятом из школьной тетради, равна
1
4
с
м
2
) и найдите площадь подошвы.
reshalka.com
ГДЗ учебник по физике 7 класс Перышкин. §36. Задание. Номер №1
Решение
Определим площадь подошвы:
S = 465 + (1/2 *80) * 1/4 = 126,25
с
м
2
Стоя, человек оказывает давление на пол двумя на ногами.
p
=
F
2
S
;
F=gm;
p
=
g
m
2
S
;
g ≈10 Н/кг;
m = 50 кг;
p
=
10
∗
50
2
∗
126
,
25
≈ 1,9802 Н/
с
м
2
=
1
,
9802
0
,
0001
Н/
м
2
= 19802 Па = 19,8 кПа
Идя по земле, давление оказывается в среднем одной ногой, поэтому
p
=
F
S
;
p
=
10
∗
50
126
,
25
≈ 3,9604 Н/
с
м
2
=
3
,
9604
0
,
0001
Н/
м
2
= 39604 Па = 39,6 кПа
Ответ. 19,8 кПа; 39,6 кПа.
Зная свою массу и площадь ботинка, вычислите, какое давление вы производите при ходьбе и стоя на месте. У к а з а н и е. Площадь опоры ботинка определите следующим образом. Поставьте ногу на лист клетчатой бумаги и обведите контур той части подошвы, на которую опирается нога (рис. 94). Сосчитайте число полных квадратиков, попавших внутрь контура, и прибавьте к нему половину числа неполных квадратиков, через которые прошла линия контура. Полученное число умножьте на площадь одного квадратика (площадь квадратика на листе, взятом из школьной тетради, равна ) и найдите площадь подошвы.
Задание 1.
Зная свою массу и площадь ботинка, вычислите, какое давление вы производите при ходьбе и стоя на месте.
Указание. Площадь опоры ботинка определите следующим образом. Поставьте ногу на лист клетчатой бумаги и обведите контур той части подошвы, на которую опирается нога (рис. 94). Сосчитайте число полных квадратиков, попавших внутрь контура, и прибавьте к нему половину числа неполных квадратиков, через которые прошла линия контура. Полученное число умножьте на площадь одного квадратика (площадь квадратика на листе, взятом из школьной тетради, равна 1/4 см2) и найдите площадь подошвы.
|
Ответ: `p_1 = 15″ кПа»`, `p_2 = 30″ кПа»`. |
|
| Дано: | Решение |
|---|---|
|
`m = 45″ кг»` `underset(«стоя»)(s_1 = )300″ см»^2 = 0.03 м^2` `underset(«при ходьбе»)(s_2 = 150)» см»^2 = 0.015 м^2` |
`p = F/s` `F = P` `P = m*g` `p = (m*g)/s` `p_1 = (45″ кг»*10″ «H/»кг»)/(0.03 м^2) = 15″ кПа»` `p_2 = (45″ кг»*10″ «H/»кг»)/(0.015 м^2) = 30″ кПа»` |
| Найти: | |
|
`p_1 = ?` `p_2 = ?` |
УДК 617.586:612.76
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ОТДЕЛЫ СТОПЫ В РАЗЛИЧНЫХ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Н. Н. Рукина*, кандидат медицинских наук,
М. Ю. Ежов, кандидат медицинских наук,
Ю. И. Ежов, доктор медицинских наук
ФГБУ «Нижегородский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии» Минздравсоцразвития России, 603155, Россия, г. Н. Новгород, В.-Волжская наб., д. 18/1
РЕЗЮМЕ Проведена количественная оценка нарушений распределения нагрузок на отделы стоп в различных биомеханических условиях. Обследованы 14 женщин (7 из которых имели здоровые стопы, а 7 — страдали поперечным плоскостопием II степени) стоя и во время ходьбы в обуви без каблука, в обуви с каблуком высотой б-7 и B-9 см. Оценивалось изменение давления стоп в проекции II-III плюсневых костей на сенсорные стельки с использованием программно-аппаратного комплекса «F-scan». Установлено, что при ходьбе на каблуках б-7 см в проекции головок II-III плюсневых костей у страдающих поперечным плоскостопием II степени увеличивается давление во время одноопорного периода цикла шага, при высоте каблука B-9 см показатели значительно превышают норму. Таким образом, оптимальная высота каблука не должна превышать 2-4 см. При его высоте более б см развиваются явления дистресса в стопе и выше-расположенных сегментах.
Ключевые слова: биомеханика, суставы стопы, каблук.
* Ответственный за переписку (corresponding author): e-mail: rukinann@mail.ru
Наиболее частая деформация опорно-двигательного аппарата, развивающаяся в результате нарушения соотношения между анатомическим и функциональным состоянием стоп, — статическое плоскостопие. Данная патология в 1,5-4,0 раза чаще встречается у женщин. Несостоятельность сводов стопы определяют различными способами [3, 4].
В норме опорные точки переднего отдела стопы приходятся на головки I и V плюсневых костей, а головки II, III и IV плюсневых костей образуют свод, вершиной которого является головка III плюсневой кости. В вертикальном положении
человека максимальную нагрузку несёт головка I плюсневой кости — 44%; а головки II, III, IV, V костей — соответственно 15, 11, 14, 16%.
При ношении обуви на каблуке стопа вынуждена принимать ее форму вопреки законам биомеханики. Процесс разнашивания новой обуви на высоком каблуке невосполнимо расходует компенсаторные возможности стопы, что приводит к развитию заболеваний её переднего отдела. Из-за ослабления связочного аппарата и нарушения равновесия мышц увеличивается промежуток между I и II плюсневыми костями, происходит отклонение I плюсневой кости кнутри, её ротация и
Rukina N. N., Ezhov M. Yu., Ezhov Yu. I.
CHARACTERISTIC FEATURES OF LOAD DISTRIBUTION IN FOOT ZONES UNDER VARIOUS BIOMECHANICAL CONDITIONS
ABSTRACT Quantitative evaluation of load distribution disorders in foot zones under various biomechanical conditions was made. 14 women (7 had normal feet, 7 suffered from transverse platypodia) were examined. All of them were examined during standing and walking in footwear without heels, in footwear with 60-70 mm heels, in footwear 80-90 mm heels. Control group consisted of 29 clinically healthy patients aged 19-49 years. Feet pressure alterations in the view of 2-3 metatarsal bones on touch insoles was estimated by computer-assisted «F-scan» apparatus. Walking on 60-70 mm heels in the view of 2-3 metatarsal bones heads caused the increase of pressure while one-support period of step cycle in patients with transverse platypodia of 2 stage; walking on 80-90 mm heels resulted in significantly increased norm indices. The heel optimal height should not exceed 20-40 mm. In its height more than 60 mm distress manifestations both in the foot and in the proximal segments were developed.
Key words: biomechanics, foot joints, heel.
смещение сесамовидных костей. Затем следует веерообразное расхождение плюсневых костей в результате ослабления связочного аппарата переднего отдела стопы, что приводит к изменению нагрузки на головки плюсневых костей: на I и V плюсневые кости нагрузка снижается, в то время как на средние — увеличивается, а также резко возрастает нагрузка на головки II, III плюсневых костей.
По мнению Е. К. Гуторова, оптимальная высота каблука должна строго соответствовать размеру стопы. При подъёме на каблук горизонтальное положение переднего отдела стопы меняется на вертикальное. Измерения рентгенограмм и расчёты показывают, что при наклоне переднего отдела стопы под углом 70° к горизонтали высота каблука составляет 33,3% длины стопы. Построение параллелограмма сил для Р = 100 кг, приложенной к таранной кости в положении стоя на одной ноге, указывает на то, что при каблуке, равном 33,3% длины стопы, 68,3% силы тяжести действует на пяточную кость, а 31,7% — на передний отдел стопы.
В настоящее время разработаны компьютеризированные комплексы «МБН-Биомеханика» (Россия), «Р-эоап» (США) и др. [1, 8, 9, 10, 11], позволяющие быстро зарегистрировать и обработать большое количество параметров, характеризующих качество ходьбы, исследовать опорные реакции стоп, отражающие взаимодействие сил, которые участвуют в локомоторном акте.
Вектор опорной реакции в проекции на основные плоскости разлагается на три составляющие: вертикальную, продольную и поперечную [6, 7].
Вертикальная составляющая, по справедливому выражению Н. А. Бернштейна (1935), знаменует собой борьбу с силой тяжести [2]. График вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в норме имеет вид плавной симметричной двугорбой кривой (рис. 1).
% __________________________________________________ПО
150-
Рис. 1. Вертикальная составляющая опорной реакции [6]
Первый максимум кривой Z1 (рис. 2) соответствует моменту, когда в результате переноса тяжести тела на опорную ногу происходит передний толчок. Второй максимум (Z2) отражает активное отталкивание ноги от опорной поверхности и вызывает продвижение тела вверх, вперед и в сторону опорной конечности. Минимум опорной реакции (Z3) расположен симметрично между ними [11]. Стопа приземляется на наружный отдел пятки. Затем на протяжении фазы опоры центр силы реакции опоры смещается к центру стопы на всю стопу и на ее передний внутренний отдел — в фазу отталкивания. Траектория перемещения вариабельна и зависит от темпа и типа ходьбы, от рельефа поверхности опоры, от типа обуви, а именно от высоты каблука и жесткости подошвы.
Целью данного исследования являлась количественная оценка нарушений распределения нагрузки на отделы стопы в различных биомеханических условиях (без каблуков и на каблуках различной высоты).
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Обследованы 14 женщин в возрасте от 25 до 50 лет, из которых 7 имели здоровые стопы, а 7 страдали поперечным плоскостопием II степени без hallux valgus. Все были обследованы в одних условиях: стоя в обуви с различной высотой каблука, во время ходьбы в обуви без каблука, в обуви с каблуком высотой 6-7 и 8-9 см.
Нормативные показатели распределения нагрузок по отделам стоп получены при обследовании 29 клинически здоровых людей (15 мужчин, 14 женщин) в возрасте от 19 до 49 лет.
Для изучения пространственно-временных характеристик походки пациентов (периоды опоры и переноса для каждой конечности, давления стоп в проекции II-III плюсневых костей) был использован программно-аппаратный комплекс «F-scan» («Tekscan Inc.», США), регистрирующий изменение давления, производимого пациентом при ходьбе, с помощью стелек, снабженных барорецепторами.
Степень плоскостопия оценивалась путем регистрации и анализа давления стоп стоящего (или идущего) босиком человека на сенсорные стельки с применением нагрузочных проб [5].
При изучении опорных функций различных отделов стопы обследуемый стоял в обуви со сенсорными стельками в стандартной ортоградной позе. По графической картине взаимодействия стопы с опорной поверхностью, отражающейся на дис-
плее, оценивалось распределение давления на различные ее отделы.
Изучение показателей ходьбы осуществляли следующим образом: обследуемый надевал обувь с сенсорными стельками, проходил 8-10 метров обычной походкой, соблюдая равномерный темп. По информации о давлении различных участков стопы на стельки, регистрируемой и обрабатываемой «Р-эоап», вычисляли периоды опоры и переноса каждой конечности и перемещение горизонтальной проекции центра масс.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Чем выше каблук, тем значительнее нагрузка на передний отдел стопы (табл. 2). Она достигает 74 ± 6% от величины нагрузки на стопу в целом при отсутствии плоскостопия и 80 ± 5% — при поперечном плоскостопии II степени.
Статистически значимых различий между нагрузками на область 11-111 плюсневых костей у лиц с плоскостопием у без него при кратковременном статическом вертикальном положении не выявлено (рис. 2).
Динамика силы реакции опоры в процессе ходьбы изображается в виде графика, на котором воспроизведена зависимость этой величины от времени опорного периода. График представляет собой перемещение вектора реакции опоры. В норме реакция опоры при ходьбе смещается от наружного отдела пятки вдоль наружного края стопы в медиальном направлении к точке между I и II пальцами стопы.
Как видно на рисунке 3, у пациентки с поперечным плоскостопием в обуви на высоком каблуке траектория силы реакции опоры (В) полностью переместилась в передние отделы стоп и проходит под II плюсневой костью, где создается значительный переизбыток давления (А).
Временные показатели ходьбы на высоких каблуках изменяются следующим образом: увеличивается период опоры до 67 ± 4% (в норме -61,5 ± 3,4%) и уменьшается период переноса до 33,0 ± 3,8% (в норме — 37,6 ± 2,0%). Коэффициент ритмичности ходьбы снижается незначительно и только в случае болевого синдрома в стопе с одной стороны (табл. 3).
При ходьбе даже на каблуках высотой 6-7 см в проекции головок М-Ш плюсневых костей у страдающих поперечным плоскостопием II степени выявлено увеличение давления во время одноопорного периода цикла шага, а если каблук составляет 8-9 см, данные показатели значительно превышают норму (рис. 4).
ВЫВОДЫ
При высоте каблука больше 6-7 сантиметров у пациенток с поперечным плоскостопием II степени существенно изменяется траектория перемещения реакции опоры, а при высоте каблука 8-9 сантиметров создается значительный переизбыток давления в зоне М-Ш плюсневых костей, и стопа перестает справляться со своими функциями.
% от нагрузки на стопу
25 ——————
20
15
10
—
Е
□ обувь без каблука
□ обувь с каблуком высотой 6-7 см
□ обувь с каблуком высотой 8-9 см
Рис. 2. Нагрузка на область 11-111 плюсневых костей во время стояния: 1 — здоровые стопы; 2 — стопы с поперечным плоскостопием II степени
5
0
1
2
Рис. 3. Распределение давления стоп на опорную поверхность при ходьбе в обуви на высоких каблуках при поперечном плоскостопии II степени: А — максимальное давление под стопой; В — траектория силы реакции опоры; С — графическое изображение циклов шага
Таблица 1. Пространственно-временные характеристики ходьбы в норме
Изучаемый параметр Длительность, %
по данным Д. В. Скворцова [7] Собственные результаты (Рукина Н. Н., 2001)
Период опоры 61 ± 6,6 61,5 ± 3,4
Период переноса 39 ± 3,8 37,6 ± 2,0
Таблица 2. Распределение нагрузки на стопу в статическом положении
Биомеханические условия исследования Нагрузка, %
у лиц без плоскостопия (п = 21) у лиц с плоскостопием II степени (п = 21)
на передний отдел на задний отдел на область 11-111 плюсневых костей на передний отдел на задний отдел на область 11-111 плюсневых костей
Обувь без каблука 33 ± 4 67 ± 3 10 ± 2 50 ± 2 50 ± 3 10 ± 3
Обувь с каблуком высотой 6-7 см 60 ± 3 40 ± 4 15 ± 3 60 ± 3 40 ± 2 18 ± 2
Обувь с каблуком высотой 8-9 см 74 ± 6 26 ± 5 16 ± 4 80 ± 5 20 ± 4 22 ± 3
Таблица 3. Распределение нагрузки на стопу при ходьбе
Биомеханические условия исследования Нагрузка, %
у лиц без плоскостопия (п = 21) у лиц с плоскостопием II степени (п = 21)
цикл шага в области 11-111 плюсневых костей цикл шага в области М-Ш плюсневых костей
в период опоры в период переноса в период опоры в период переноса
Обувь без каблука 66 ± 2 34 ± 3 17 ± 3 67 ± 4 33 ± 3 18 ± 3
Обувь с каблуком высотой 6-7 см 66 ± 3 34 ± 4 18 ± 2 68 ± 3 32 ± 3 22 ± 2
Обувь с каблуком высотой 8-9 см 70 ± 4 30 ± 4 22 ± 5 70 ± 2 30 ± 2 40 ± 5
При оценке максимально допустимой высоты каблука необходимо учитывать биомеханические параметры давления под плюсневыми костями стопы.
Постоянное ношение обуви на каблуке высотой более 6 см может стать фактором, провоцирующим прогрессирование имеющейся патологии стоп.
% от нагрузки на стопу
45
40
35
30
25
20
15
10
□ обувь без каблука
□ обувь с каблуком высотой 6-7 см
□ обувь с каблуком высотой 8-9 см
Рис. 5. Сравнение показателей нагрузки на область 11-111 плюсневых костей во время ходьбы: 1 — здоровые стопы; 2 — стопы с поперечным плоскостопием II степени
5
0
ЛИТЕРАТУРА
1. Аграновский С. Г., Мурашко С. К. Ортопедический компьютерный комплекс с тактильными стельками на основе «электронной кожи» // Биомеханика на защите жизни и здоровья человека : I Всероссийская конференция-ярмарка : тез. докл. — Н. Новгород, 1992. — Т. 2. — С. 5-6.
2. Бернштейн Н. А. Исследование по биодинамике локомоций. Книга первая. — М. : Изд. ВИЭМ, 1935.
— 244 с.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
3. Бибикина О. В. Функциональная устойчивость продольного свода стопы у рабочих промышленного предприятия и необходимость физических упражнений для ее восстановления // Теория и практика физической культуры. — 2007. — № 11. — С. 71-74.
4. Маркс В. О. Ортопедическая диагностика : руководство-справочник. — Минск : Наука и техника, 1978.
— 512 с.
5. Пат. 2360601 РФ МПК А61В 5/103 Способ определения степени поперечного плоскостопия / Н. Н. Ру-кина, Г. В. Смирнов, М. Ю. Ежов; заявитель и
патентообладатель ФГУ «Нижегородский НИИ травматологии и ортопедии». — № 2008101080/14; заявл. 09.01.2008; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 19.
6. Скворцов Д. В. Клинический анализ движений. Анализ походки. — М. : МБН, 1996. — 344 с.
7. Скворцов Д. В. Диагностика двигательной патологии инструментальными методами: анализ походки, стабилометрия. — М. : МБН, 2007. — 640 с.
8. Cappozzo A., Marchetti M., Tosi V. Biolocomotion: A Century of Research Using Moving Pictures. — Roma : PROMOGRAPH, 1992. — P. 274-290.
9. Quantitative gait evaluation of hip diseases using principal component analysis / S. Yamamoto [et al.] // J. Biomech. — 1983. — Vol. 16, № 9. — P. 717-726.
10. Young C. R. The F-scan system of foot pressure analysis // Clin. in Pediatr. Med. Sur. — 1993. — Vol. 10, № 3. — P. 142-151.
11. Winter D. A. Biomechanics and motor control of human movement. — Chichster; Toronto; Singapure : John Wiley & Sons. Inc. N. Y, 1990. — 276 p.
- Авторы
- Научный руководитель
- Файлы
- Литература
Семушкин Д.А.
1
1 г. Калуга, МБОУ «СОШ № 15», 8 класс
Андреева Ю.В. (Калуга, МБОУ «СОШ № 15»)
1. Енохович А. С. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990
2. Перышкин А. В. Физика. 7 класс. – М.: Дрофа, 2014
3. Перельман Я. И. Занимательная физика. В двух книгах. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982
4. Перельман Я. И. Физика на каждом шагу. – М.: АСТ: Астрель: Полиграфиздат, 2010
5. Савельев И.В. Курс физики, т.т. 1-5. М.:Наука, 2007
6. Физика. Справочник школьника и студента/ под ред. проф. Рудольфа Гёбеля.- Москва, 2000.
7. http://www.medicinform.net/human/fisiology5_1.htm
8. http://znaiu.ru/art
9. https://fkis.ru/page/1/192.html
10. http://wiki.iteach.ru/index.php/=Загадочность_строения_человеческого_организма
Физика – одна из основных наук о природе.
На уроках физики мы часто рассматриваем физические явления и законы, в основном связанные с неживой природой, а о живой говорим мало. Но живая природа тоже уникальна, и здесь действуют все законы физики.
Насекомые передвигаются, скользя по глади воды, и не тонут, так как их вес не преодолевает силу поверхностного натяжения воды. Многие перелетные птицы во время длительных путешествий выстраиваются в клин, чтобы уменьшить силу трения о воздух и силу сопротивления.
А что уж говорить о самом человеке? Он – часть природы. В нем самом и в его действиях много физический явлений.
Я решил подтвердить гипотезу о том, что на организм человека действует большое количество сил, как внешних, так и внутренних.
Цель работы: научиться применять законы физики для объяснения законов и процессов, протекающих в организме человека, и исследовать свои физические характеристики.
Задачи работы:
— осуществить подбор и анализ материала, отвечающего на вопрос: какие физические явления и процессы играют важную роль в жизни человека;
— опираясь на знания, полученные в этом учебном году, провести ряд опытов, раскрывающих физические характеристики моего организма;
— сделать выводы по полученным результатам.
Методы исследования:
— теоретический (сбор и изучение материала в различных источниках: литература, Интернет-ресурс);
— эмпирический (измерения, расчет физических данных).
Предмет исследования: физические характеристики организма человека.
Объект исследования: мой организм.
Практическая значимость работы заключается в том, что знание личных физических характеристик имеет значение для определения резерва физического здоровья человека. Также не менее важно знать, какие физические законы объясняют процессы, протекающие в организме.
Результаты моей работы актуальны и представляют интерес для людей, которые интересуются физикой, и стремятся познать себя, свой организм, своё тело с точки зрения физики.
1. Физика человека
Рассмотрим основные процессы жизнедеятельности человека и попробуем объяснить их с точки зрения физики.
1.1. Силы, действующие на человека
Если рассматривать человека как объект изучения физики, то можно увидеть, что многие привычные нам действия подчиняются ее законам.
Любое движение, упражнение, положение тела осуществляется при взаимодействии сил, оказывающих действие на тело человека. Эти силы подразделяют на внешние и внутренние.
Внешние – это силы, действующие на человека извне, при взаимодействии его с внешними телами (земля, гимнастические снаряды, любые предметы). Наибольшее значение для движений человека имеют сила тяжести, сила реакции опоры и сила сопротивления среды. Спортсмены, выполняя упражнения со штангой, учитывают силу тяжести, направленную вниз. Если бы не существовало трения, человек не мог бы ходить и бегать: нога, которой производится отталкивание, скользила бы назад, и перемещение тела было бы невозможно (нечто подобное наблюдается при ходьбе по скользкому льду). Сила сопротивления среды действует на тело человека при его движениях в воздушной или водной среде. Уменьшают тормозящее влияние среды принимая наиболее выгодную (обтекаемую) форму тела.
Внутренние силы возникают внутри тела человека при взаимодействии частей тела. Основная активная внутренняя сила – сила сокращения мышц.
Если силы, действующие на тело, уравновешены, то оно находится в покое; если же их равнодействующая не равна нулю, то тело перемещается в направлении этой равнодействующей.
Каждая из сил может быть движущей или тормозящей. Например, сила тяжести при движении вниз является движущей силой, а при движении вверх – тормозящей. Сила попутного ветра, например, при ходьбе – движущая сила, а сила встречного ветра – тормозящая.
Для человека также характерна инерция. Ее типичным случаем являются прыжки. В начале прыжка тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног. Пока они не отрываются от поверхности земли. После этого никакого двигательного усилия уже не нужно. Тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и силу тяжести, исключительно вследствие инерции.
Человек может развивать большую силу, если будет двигаться с ускорением. Следовательно, чем лучше разогнаться, тем дальше будет прыжок.
1.2. Деформация
На примере человека можно проследить все виды деформации.
Деформацию сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности, покровы ступней; растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия; изгиба – позвоночник, кости таза; кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и др. (Приложение 1).
Позвоночный столб, как правило, подвергается сжатию как под воздействием веса тела, так и натяжения различных мышц и сухожилий. Для их удержания и обеспечения подвижности он имеет сложную S-образную форму. Позвоночник – наиболее рано стареющий орган, поэтому его изменения начинаются уже с 18-летнего возраста.
Деформация характерна и для мышц человека. Мышечная ткань обладает свойством растягиваться и сокращаться, ей присущи эластичность и упругость. В теле человека насчитывается около 600 мышц.
1.3. Равновесие
Центр тяжести существует у любого тела (Приложение 2).
Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед? Груз изменяет положение центра тяжести, и человек, находящийся в неустойчивом положении наклоняется, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через центр опоры.
Почему трудно стоять на одной ноге? Площадь опоры мала. Поэтому человеку, стоящему на одной ноге, трудно удержать равновесие.
Почему при ходьбе люди размахивают руками? Когда человек перемещает ногу вперед, вперед смещается и центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад, такое чередование повторяется при каждом шаге.
1.4. Рычаги в теле человека
В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев.
Рука представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе (Приложение 3). Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чтобы удержать груз, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груз.
Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики мы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не легче, чем поднять её вверх, хотя работа равна нулю. Это объясняется тем, что мышцы, приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время. Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется до получения следующего сигнала. В результате груз, который мы держим, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении. При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда мы поднимаем груз, но и когда держим его на весу.
Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700 H. Согласно исследованиям у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время как у смеющегося всего 17. Таким образом смеяться энергетически выгодно.
Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сил отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее, например, икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг.
Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН.
1.5. Движение крови
Сосуды пронизывают все участки нашего тела (Приложение 4). Кровь течет по ветвям артерий до капилляров. Их общая длина около 100 тыс. км.
Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Оно работает в импульсном режиме. Во время каждого импульса, длящегося примерно 0,25 с, сердце выталкивает в аорту около 0,1 л крови. Удивительный двигатель в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови. Вследствие насосной функции сердца в сосудах создается постоянное давление крови. Кровь течет по ним из области высокого давления в область низкого.
1.6. Питание
Пища, находясь в полости рта человека, проталкивается в глотку, а затем к пищеводу мышечными сокращениями языка. Затем происходит сокращение мышц пищевода, и пища проходит в желудок. Роль смазки в данном процессе играет слюна. Она обволакивает пищу, тем самым уменьшая силу трения, возникающую при ее движении по пищеводу.
А как мы пьем? При питье мы расширяем грудную клетку, под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот. Итак, строго говоря, мы пьем не только ртом, но и легкими.
1.7. Диффузия в организме человека. Дыхание
В процессе всасывания пищи большую роль играет диффузия – взаимное проникновение молекул одного вещества в другое.
Наибольшее всасывание происходит в тонких кишках, стенки которых приспособлены для этого. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м2. Она покрыта ворсинками – микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2 – 1 мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4 – 5 м2, то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела.
Дыхание – это перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы, тоже является примером диффузии. В дыхании у человека принимает участие вся поверхность тела. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе.
Однако, во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, при этом в них понижается давление, и воздух через нос и горло входит в легочные пузырьки. При выдохе объем грудной клетки и легких уменьшается. Давление в легочных пузырьках увеличивается, и воздух с избыточным содержанием углекислого газа выходит из легких наружу.
Сколько воздуха мы вдыхаем?
При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около поллитра воздуха. В минуту мы делаем в среднем 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 9 литров воздуха. Это составляет в час 540 л. За сутки человек вдыхает около 12 кубометров воздуха. Но, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на 4/5 из бесполезного для дыхания азота (Приложение 5), то оказывается, что наше тело потребляет кислорода около 8 кг, то есть примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).
2. Исследовательская часть: определение физических показателей моего организма
Для расчета физических показателей моего организма с помощью напольных весов и ростомера я измерил свои рост и вес:
— мой рост – 171 см
— масса тела – 47 кг.
2.1. Определение объема тела
Объем тела я определял двумя способами:
1) по объему вытесненной воды.
Для этого в ванну была налита вода и отмечен ее уровень. Затем я полностью погрузился в воду и отметил новый уровень. После этого емкостью известного объема (банкой) долил воду до отмеченного второй раз уровня. Объем долитой воды равен объему моего тела.
Объем тела, измеренный данным способом, равен 46 л = 0,046 м?.
2) математически (Приложение 6).
Для этого я измерил обхват головы lГ, длину туловища lT, ширину туловища bT, толщину туловища hT, длину руки LP, обхват предплечья lP1, обхват ладони lP2, длину ноги LH, обхват ноги в районе бедра lH1, обхват ноги в районе щиколотки lH2.
Полный объем тела определяла по формуле:
Vобщ = VГ + VТ + 2VР + 2VН ,
где объем головы 
(объем шара),
объем тела 
(объем параллелепипеда),
объем руки:
(объем усеченного конуса),
объем ноги :
(объем усеченного конуса).
Получены результаты:
|
обхват головы lГ, м |
0,56 |
объем головы VГ, м |
0,003 |
||||
|
длина туловища lT, м |
0,57 |
ширина туловища bT, м |
0,29 |
толщину туловища hT, м |
0,16 |
объем туло-вища VТ, м |
0,026 |
|
длина руки LP, м |
0,78 |
обхват предплечья lP1, м |
0,24 |
обхват ладони lP2, м |
0,14 |
объем руки VР, м |
0,002 |
|
длина ноги LH, м |
0,87 |
обхват ноги в районе бедра lH1, м |
0,41 |
обхват ноги в районе щиколотки lH2, м |
0,19 |
объем ноги VН, м |
0,006 |
|
общий объем Vобщ, м3 |
0,045 |
Результаты, полученные двумя способами, близки по значению. Для дальнейших расчетов я буду использовать их среднее значение.
2.2. Определение плотности тела
Плотность тела рассчитывалась по формуле:
где m – масса тела
V – объем тела
ρ = 47/ 0,0455= 1033 кг/м 3
Средняя плотность человека равна 1036 кг/м 3. Таким образом, рассчитанная мной плотность близка по значению к данному показателю.
2.3. Определение давления, оказываемого на пол
Для расчета давления, оказываемого на пол, я, стоя на тетрадном листе, обвел стопу (в спортивной обуви и босиком) (Приложение 7). По числу клеток я определил площадь стопы s (1 клетка = 0,25 см2), перевел полученную величину в м2.
Давление, оказываемое на пол, рассчитывается по формуле:
где F – сила тяжести (F = mg)
S – площадь поверхности, оказывающей давление (S=2s)Получены результаты:
|
Масса тела, кг |
Ускорение свободного падения, м/с2 |
Сила тяжести, H |
Площадь поверхности, м2 |
Давление, кПа |
|
|
Босиком |
47 |
10 |
470 |
0,0402 |
11,7 |
|
В обуви |
0,0,456 |
10,3 |
2.4. Определение средней скорости движения
Средняя скорость движения рассчитывалась на дистанции 30 м (Приложение 
при прохождении ее обычным шагом (три попытки) по формуле:
где S – расстояние
t – время прохождения дистанции
Аналогично рассчитана максимальная средняя скорость при беге на эту дистанцию.
Получены результаты:
|
Расстояние, м |
Время, с |
Среднее время, с |
Средняя скорость движения |
||
|
м/с |
км/ч |
||||
|
обычным шагом |
30 |
23,8 |
23,6 |
1,27 |
4,57 |
|
23,4 |
|||||
|
23,6 |
|||||
|
бегом |
8,01 |
7,98 |
3,8 |
13,68 |
|
|
7,96 |
|||||
|
7,97 |
Моя скорость движения соответствует нормальной скорости движения человека при ходьбе.
2.5. Определение средней мощности при подъеме по лестнице
Данный показатель рассчитывался мной при спокойном подъеме по лестнице на пятый этаж и при подъеме бегом (Приложение 9).
Для определения высоты подъема была измерена высота одной ступеньки и посчитано количество ступенек на пятый этаж. Далее мной вычислена работа, совершенная при подъеме на данную высоту, по формуле:
A = mgh где m – масса тела
g – ускорение свободного падения
h – высота подъема
Я засек время при спокойном и быстром подъеме и рассчитал мощность:
где А – работа, совершаемая при подъеме
t – время подъема
Для более точного определения показателя каждый подъем был произведен три раза.
Получены результаты:
|
Высота одной ступеньки, м |
Кол-во ступенек, шт |
Высота подъема, м |
Работа, Дж |
Время движения, с |
Среднее время движения, с |
Средняя мощность, Вт |
|
|
Спокойный подъем |
0,13 |
88 |
11,44 |
5376,8 |
51 |
50 |
107,5 |
|
50 |
|||||||
|
49 |
|||||||
|
Быстрый подъем |
25 |
26,6 |
202,1 |
||||
|
28 |
|||||||
|
27 |
При быстром подъеме мощность увеличивается почти в два раза.
2.6. Определение механической работы при прыжке в высоту
Для определения механической работы при прыжке в высоту мной были измерены высота планки (h), которую я перепрыгиваю на уроке физкультуры, и высота центра тяжести – на уровне поясницы (Н).
Расчет механической работы выполнен по формуле:
где m- масса тела
g – ускорение свободного падения
h – высота планки
H – высота центра тяжести
Получен результат:
|
Масса тела m, кг |
Ускорение свободного падения g, м/с2 |
Высота планки h, м |
Высота центра тяжести H, м |
Механическая работа A, Дж |
|
47 |
10 |
1,1 |
1,05 |
23,5 |
Механическая работа при прыжке на максимальную высоту – 23,5 Дж.
2.7. Определение работы по преодолению силы тяжести
Для определения работы по преодолению силы тяжести мной был выполнен прыжок вверх на месте (Приложение 10). Его высота составила 25 см.
Работа рассчитывалась по формуле:
A = mgh
где m- масса тела
g – ускорение свободного падения
h – высота прыжка
А = 47*10*0,25 =117,5 Дж
Таким образом, для преодоления силы тяжести при совершении прыжка вверх на высоту 25 см мне необходимо совершить работу, равную 117,5 Дж.
2.8. Определение силы рук при висе на перекладине
Повиснув на перекладине, можно почувствовать напряжение мышц рук (Приложение 11). Сила рук в данном случае будет составлять разницу между силой тяжести, действующей на тело, и выталкивающей силы, действующей на тело со стороны воздуха:
F = Fтяж – Fвыт , где Fтяж = mg, m – масса тела
g – ускорение свободного падения
Fвыт = ρgV ρ – плотность воздуха
V – объем тела
Получен результат:
|
Масса тела m, кг |
Ускорение свободного падения g, м/с2 |
Сила тяжести Fтяж, Н |
Плотность воздуха р, кг/м3 |
Объем тела V, м2 |
Выталкивающая сила Fвыт, Н |
Сила рук F, Н |
|
47 |
10 |
470 |
1,29 |
0,045 |
0,6 |
469,4 |
Таким образом, сила рук при висе на перекладине составляет 469,4 Н.
2.9. Определение емкости легких
Для определения емкости легких я использовал воздушный шарик (Приложение 12).
Вдохнув воздух, я максимально выдохнул его в шарик. Измерив обхват шарика, я вычислил его диаметр по формуле:
где l – длина окружности
Емкость легких будет равна емкости наполненного воздухом шарика (его объему), которая вычисляется по формуле:
где d – диаметр шарика
Опыт повторялся пять раз и высчитывался средний показатель.
Получены результаты:
|
Обхват шарика l, м |
Диаметр шарика d, м |
Объем V, м3 |
|
|
1 |
0,57 |
0,18 |
0,003 |
|
2 |
0,59 |
0,19 |
0,004 |
|
3 |
0,58 |
0,18 |
0,003 |
|
4 |
0,59 |
0,19 |
0,004 |
|
5 |
0,60 |
0,19 |
0,004 |
|
Vср |
0,0036 |
Средний объем моих легких приблизительно равен 0,0036 м3 или 3,6 л, что соответствует нормальному объему легких человека.
Приложения
1. Позвоночник. Деформация
2. Равновесие. Центр тяжести
3. Рычаги в теле человека
4. Кровеносная система
5. Дыхание. Состав воздуха
6. Измерение объема тела
7. Определение давления, оказываемого на пол
8. Определение скорости движения
9. Определение средней мощности при подъеме по лестнице
10. Определение работы по преодолению силы тяжести
11. Определение силы рук при висе на перекладине
12. Определение емкости легких
Заключение
Организм человека – единая система.
На организм человека действует большое количество сил, как внешних, так и внутренних. Опорно-двигательная система выдерживает огромные нагрузки. Все виды деформаций можно пронаблюдать на человеке. Но самой очаровательной деформацией на его теле является улыбка. В процессе дыхания участвуют не только легкие, но и кожа. Центральным органом системы кровообращения является сердце.
Человеческий организм – сложная машина, которая может беспрерывно работать 70 – 80 лет и более.
Используя знания, полученные на уроках физики, я провел несколько опытов, ориентируясь на свои физические характеристики, и лучше узнал свой организм. Знания, полученные в ходе исследования, надеюсь, будут интересны не только мне. Проведенные опыты просты, но они доказывают, что и к человеку применимы законы физики.
Изучая дальше эту интереснейшую науку, я смогу открыть новые тайны моего организма.
Библиографическая ссылка
Семушкин Д.А. ФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА // Международный школьный научный вестник. – 2018. – № 5-2.
;
URL: https://school-herald.ru/ru/article/view?id=666 (дата обращения: 29.05.2023).
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)