Для выполнения своих функций трубчатые кости скелета человека должны сочетать в себе значительную прочность и относительную лёгкость.

Question

Реши задание на изображении

Расшифровка фото нейросетью:
ПОДУМАЙТЕ!
Для выполнения своих функций трубчатые кости скелета человека должны сочетать в себе значительную прочность и относительную лёгкость. В противном случае организм человека не сможет нормально существовать в условиях наземно-воздушной окружающей среды.
Разработайте и проведите исследование, которое позволит убедительно доказать, что прочность трубки из какого-либо материала (например, бумаги) не только не уступает, но может превосходить прочность стержня из того же материала, но той же массы.
Сформулируйте цель и гипотезу исследования. Составьте план проведения исследования и перечень необходимого оборудования.
Организуйте проведение эксперимента, а затем на основании полученных данных сделайте вывод.

Answer

Я разбираю итоговое задание «ПОДУМАЙТЕ!» внизу страницы — исследование о прочности трубки и сплошного стержня.

Кратко. Нужно на опыте сравнить полую трубку и сплошной стержень из одного материала, одинаковой массы и длины. При одинаковой нагрузке трубка должна давать меньший прогиб — или выдерживать большую нагрузку до одинаковой деформации. Причина: при изгибе сильнее всего работают наружные слои, а материал вблизи оси почти не помогает. У трубки материал расположен дальше от оси, поэтому он используется эффективнее.

Цель исследования. Сравнить сопротивление изгибу полой трубки и сплошного стержня одинаковой массы, длины и из одного материала.

Гипотеза. Если из одного и того же материала сделать трубку и сплошной стержень одинаковой массы и длины, то трубка выдержит большую нагрузку на изгиб, потому что её материал удалён от оси.

Оборудование. Одинаковые листы плотной бумаги, линейка, ножницы, клей или узкий скотч, весы, две опоры одинаковой высоты (например, книги), небольшая чашка для груза, монеты или бутылка с водой, лист бумаги с миллиметровой шкалой.

Подготовка образцов.

1. Сделай трубку: сверни лист в цилиндр, склей шов.

2. Сделай сплошной стержень из такого же количества бумаги: плотно сверни её в трубочку без пустоты внутри.

3. Масса и длина образцов должны быть одинаковыми. Диаметр трубки будет больше — это важно.

4. Взвесь и измерь оба образца.

Ход исследования.

1. Положи образец на две опоры. Расстояние между опорами одинаковое для обоих образцов, например 20 см.

2. В середину образца поставь чашку и постепенно добавляй одинаковые грузы — монеты или воду.

3. Отмечай нагрузку, при которой в середине появляется заметный прогиб, например 5 мм, или появляется вмятина/перелом. Для обоих образцов критерий должен быть одинаковым.

4. Повтори опыт по 3 раза для трубки и для стержня.

5. Сравни средние значения.

Таблица для данных.

Образец |
Масса $m$, г |
Длина $L$, см |
Диаметр, мм |
$F_1$, Н |
$F_2$, Н |
$F_3$, Н |
$F_{\text{ср}}$, Н |

Трубка |
___ |
___ |
___ |
___ |
___ |
___ |
___ |

Сплошной стержень |
___ |
___ |
___ |
___ |
___ |
___ |
___ |

Среднюю нагрузку считай по формуле:

$$
F_{\text{ср}}=\frac{F_1+F_2+F_3}{3}
$$

Проверка результата. Сравни $F_{\text{ср}}$ для трубки и стержня. Если у трубки средняя нагрузка больше, гипотеза подтвердилась. Если меньше — вывод нужно сделать по своим данным, подгонять числа нельзя. Обязательно проверь, что массы и длины образцов одинаковые, расстояние между опорами тоже одинаковое.

Вывод — вставь свои измерения.
При массе ___ г и длине ___ см трубка выдержала в среднем ___ Н, а сплошной стержень — ___ Н. Трубка оказалась прочнее в ___ раза при том же расходе материала. Значит, сопротивление изгибу зависит не только от массы, но и от распределения материала: материал, удалённый от оси, работает эффективнее. Поэтому трубчатое строение кости позволяет ей быть прочной и одновременно лёгкой.

Почему так происходит. При изгибе одна сторона образца сжимается, другая растягивается, а средняя часть почти не участвует в работе. У сплошного стержня той же массы диаметр меньше, и часть материала находится близко к середине. У трубки материал отнесён к наружной поверхности, поэтому он сильнее сопротивляется изгибу. Это и есть модель трубчатой кости.

Участок	Строение	Функция
Тело кости — диафиз	Толстый слой компактного вещества, внутри костномозговая полость	Прочность на изгиб и сжатие, уменьшение массы; в полости находится жёлтый костный мозг
Головки — эпифизы	Снаружи компактное вещество, внутри губчатое; покрыты суставным хрящом	Распределение нагрузки, амортизация, уменьшение трения в суставе; в губчатом веществе — красный костный мозг
Метафизы — зоны роста	Хрящевая прослойка между эпифизом и диафизом	Рост кости в длину
Надкостница	Наружная соединительнотканная оболочка с сосудами и нервами	Питание кости, рост в толщину, восстановление при переломах
Суставной хрящ	Гладкая упругая хрящевая ткань на концах	Снижение трения и амортизация в суставе

Функция	В чём выражается	Пример
Опорная	Служит опорой для тела, удерживает органы и мышцы	Позвоночник поддерживает туловище
Двигательная	Кости — рычаги, на которые действуют мышцы; обеспечивают перемещение тела и частей тела	Сгибание руки в локте
Защитная	Образует полости и каркас, защищающие внутренние органы	Череп защищает мозг, грудная клетка — сердце и лёгкие
Формообразующая	Определяет форму тела и его частей	Форма черепа, грудной клетки, конечностей
Амортизационная	Смягчает толчки и удары при ходьбе, беге, прыжках	Хрящи, изгибы позвоночника, своды стопы
Кроветворная	В красном костном мозге образуются клетки крови	Кроветворение в губчатом веществе костей
Обменная	Кости — депо кальция, фосфора и других минеральных веществ; участвуют в обмене веществ	Кальций «запасается» в костях и поступает в кровь при необходимости

Образец	Масса \(m\), г	Длина \(L\), см	Диаметр, мм	\(F_1\), Н	\(F_2\), Н	\(F_3\), Н	\(F_{\text{ср}}\), Н
Трубка	___	___	___	___	___	___	___
Сплошной стержень	___	___	___	___	___	___	___

Для выполнения своих функций трубчатые кости скелета человека должны сочетать в себе значительную прочность и относительную лёгкость.

Обсуждение