Název: Studium možností lidského těla Autor: RNDr. Jaromír Kekule, PhD. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: fyzika, biologie Ročník: 3. (1. ročník vyššího gymnázia), 4. (2. ročník vyššího gymnázia, bilingvní sekce), Tematický celek: Mechanika Stručná anotace: Lidské tělo má řadu parametrů a je schopno řady činností, které lze nějak kvantitativně zkoumat. Pomocí dostupných modulů počítačového měřícího systému budou žáci zkoumat své limity a vlastnosti. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Výukové materiály Studium možností lidského těla Pomůcky (seznam potřebného materiálu) modul senzor síly stisku ruky, modul siloměrná deska, modul sonar, modul optická závora, externí zdroj světla k optické závoře (baterka), datalogger, pravítko 50 cm, stopky (mobilní telefon), osciloskop, generátor GBF, reproduktor Teorie Pomocí čidel měřicího systému je možno měřit řadu výkonů, kterých je člověk schopen, a to jak mechanických (měření síly vyvinuté různými částmi těla, měření rychlosti různých částí těla, měření reakční doby), tak dokonalosti (možností) smyslů, jako je zrak a sluch. Konkrétní návody k jednotlivým aktivitám jsou popsány níže. Cíl Změřit některé charakteristiky lidského těla a výkony, kterých je tělo schopno. Porovnat výše uvedené pro několik žáků. Postup 1. Měření síly stisku ruky 1. Připojte senzor síly stisku ruky k dataloggeru. Napřed budeme měřit maximální dosažitelnou sílu nastavte dobu měření na 30 s a vzorkovací frekvenci na 1000 Hz. 2. Stiskněte senzor co nejsilněji pravou rukou. Na grafu odečtěte maximální dosaženou sílu. Totéž udělejte pro levou ruku a naměřené hodnoty porovnejte. 3. Nastavte dobu měření na 300 s. Stiskněte senzor co nejsilněji a držte, dokud můžete. Prozkoumejte závislost měřené síly na čase. Totéž zkuste pro levou ruku. 4. Porovnejte dosažené výkony několika žáků. Při dostatečném počtu chlapců a děvčat lze porovnat průměrnou sílu chlapců a děvčat. 2. Měření síly dopadu a doby skoku 1. Připojte siloměrnou desku k dataloggeru. Postavte se na ni a odečtěte sílu. 2. Nastavte parametry pokusu: Doba měření 2 s, vzorkovací frekvence 10 khz, start trigger, úroveň 0,01, měřit 10 000 hodnot před startem. 3. Seskočte na siloměrnou desku z výšky 10 cm (normálně, do pokrčených kolen). Zaznamenejte maximální působící sílu, průběh síly v čase a celkovou dobu dopadu. 4. Nechte přidat nové měření do stávajícího grafu. Tentokrát seskočte na desku ze stejné výšky 10 cm na natažená kolena. (OPATRNĚ! NEZKOUŠEJTE TO Z VĚTŠÍ VÝŠKY!) Zaznamenejte maximální působící sílu, průběh síly v čase a celkovou dobu dopadu. Porovnejte s předchozím měřením a vyslovte závěry týkající se správné techniky skoku z výšky. 5. Skákejte postupně na siloměrnou desku z větších výšek (zvyšujte výšku po 10 cm). Skákejte do pokrčených kolen. Porovnávejte dosažené síly. 6. Pokuste se seskočit na desku tak, aby maximální síla byla co možná nejmenší. Zjistěte, jaký průběh síla má a jaká je celková doba doskoku. Vyslovte závěry. 7. Postavte se na siloměrnou desku, odrazte se, vyskočte co nejvýš a dopadněte opět na desku. Zjistěte z grafu maximální sílu odrazu, její průběh v čase, dobu trvání odrazu a dobu trvání výskoku. Z této doby zkuste vypočítat výšku výskoku a porovnejte ji se skutečností.
3. Měření reakční doby 1. Jeden žák dá ruce před sebe, dlaněmi k sobě, dlaně jsou asi 10 cm od sebe. Druhý žák drží svisle pravítko o délce 50 cm tak, aby nula na pravítku byla ve stejné výšce jako horní hrana dlaní spolužáka. Pravítko v neočekávané chvíli pustí. Testovaný žák musí dát dlaně v sobě, jakmile si všimne, že pravítko padá, a tak ho zachytit. 2. Odečteme délku s pravítka, která propadla mezi dlaněmi. Pravítko padá volným pádem, tedy 1 s = gt 2, kde g = 9,8 m.s -2 je tíhové zrychlení a t je doba pádu pravítka, tedy doba, za kterou 2 byl zkoušený žák schopen uvést do pohybu ruce poté, co spatřil, že pravítko padá. Tato doba se nazývá reakční doba. 3. Z výše uvedeného vztahu vyjádřete reakční dobu t. Porovnejte reakční doby jednotlivých žáků. 4. Měření rychlosti ruky a nohy 1. Optickou závoru připojte k dataloggeru. Dejte 2 lavice cca 1 m od sebe, na jednu lavici položte optickou závoru (senzor), na druhou zdroj světla (baterku). Zkontrolujte, zda optická závora reaguje na vložení předmětu mezi baterku a závoru. Pracujte v alespoň částečně zatemněné místnosti (nebo používejte dostatečně silnou a bodovou baterku). 2. Nastavte parametry pokusu: Doba měření 0,5 s, vzorkovací frekvence 100 khz, start trigger, úroveň 0,01, měřit 10 000 hodnot před startem. 3. Co nejrychleji máchněte rukou před optickou závorou. Na obrazovce dataloggeru se objeví impulz (prudký pokles osvětlení při počátku zakrytí závory a opět prudký vzrůst při jejím úplném odkrytí). Odečtěte délku impulzu to je doba zakrytí závory. 4. Vypočtěte rychlost ruky (šířka ruky dělená dobou zakrytí závory). Porovnejte rychlost u několika žáků. 5. Zkuste stejným způsobem změřit rychlost nohy. 5. Měření sluchu (vytvoření audiogramu) 1. Připojte reproduktor a osciloskop paralelně k GBF. Na GBF nastavte jako výstup sinusový signál, minimální napětí a frekvenci 100 Hz. Na osciloskopu zobrazte signál na výstupu GBF. 2. Umístěte pravé ucho 20 cm od reproduktoru a pomaličku zvyšujte napětí na GBF. Jakmile uslyšíte zvuk, přestaňte zvyšovat napětí a na osciloskopu změřte amplitudu tohoto napětí. 3. Nastavte na GBF frekvenci 500 Hz a zopakujte postup dle bodu 2. Pak stejný postup zopakujte pro všechny hodnoty frekvencí uvedené v tabulce níže a také pro levé ucho. Frekvence/Hz Limitní napětí / mv (levé ucho) Limitní napětí / mv (levé ucho) 100 500 1000 2000 4000 8000 17000
4. Zpracujte audiogram pro pravé i levé ucho (je to graf závislosti limitního napětí na frekvenci). Liší se audiogramy pro obě uši? Co lze v grafu vidět? 6. Měření zraku Použijte Snellenovu tabulku (na konci dokumentu). Pověste ji např. na tabuli a postavte se de vzdálenosti 6 m od ní. Zamhuřte (nebo si zakryjte) jedno oko a druhým se pokoušejte přečíst postupně řádky napsané čím dál menším písmem. Zlomek u řádku, který jste ještě přečetli jako poslední, udává vaše zrakové schopnosti v porovnání s běžnou populací. Poznámka: Test konaný za těchto podmínek je pouze orientační! Výsledky a diskuze Uvádíme některé příklady výsledků, které jsme naměřili. Výsledky přirozeně silně závisí na tom, koho zkoumáme. Obr. 1: Měření síly stisku ruky na maximální sílu i na výdrž Je vidět, že u praváka dosahuje pravá ruka o něco lepších výsledků. S časem síla ochabuje. Pokles síly není neustálý, občas se člověk ještě vzmůže (zejména při pohledu na klesající křivku), ale vzrůst není velký ani trvalý.
Obr. 2: Skok na plošný siloměr (dopadovou plošinu) do pokrčených nohou a na natažené nohy Obr. 3: Záznam plošného siloměru při skoku co nejvýše a následném dopadu do pokrčených kolen Je vidět, že při dopadu na natažené nohy je síla působící na člověka zhruba dvojnásobná než při běžném dopadu do pokrčených nohou. To může způsobit vážné úrazy zlomeniny kostí. Zaznamenaný skok se odehrával z výšky pouhých 10 cm a působící síla byla asi 2800 N. Je také patrné, že při skoku na natažené nohy působí velká síla po krátkou dobu (tělo se rychle zastaví), zatímco při skoku do pokrčených nohou působí menší síla déle. Toto lze vysvětlit pomocí 2. Newtonova zákona změna hybnosti musí být pokaždé stejná (tedy impuls síly také), což při menší působící síle odpovídá delšímu časovému intervalu. Na druhém záznamu je vidět, že odrazová a dopadová síla jsou téměř stejné. Časový interval, ve kterém žádná síla nepůsobí, odpovídá době, po kterou je tělo ve vzduchu.
Aplikace, další možnosti a doplnění. Lze zkoumat řadu dalších věcí například zrychlení ruky (s akcelerometrem), zrychlení člověka při rozběhu (se sonarem), teplota vody, kterou člověk ještě snese (s teplotním čidlem), minimální množství kyslíku ve vzduchu, který lze ještě dýchat (se senzorem CO 2 ) apod. Ve třídě lze soutěžit, kdo bude mít měřené charakteristiky nejlepší či při dostatečném počtu měření zjišťovat rozdíly ve výkonech chlapců a děvčat.
Pracovní list pro žáka Studium možností lidského těla Pomůcky (seznam potřebného materiálu) modul senzor síly stisku ruky, modul siloměrná deska, modul sonar, modul optická závora, externí zdroj světla k optické závoře (baterka), datalogger, pravítko 50 cm, stopky (mobilní telefon), osciloskop, generátor GBF, reproduktor Teorie Pomocí čidel měřicího systému je možno měřit řadu výkonů, kterých je člověk schopen, a to jak mechanických (měření síly vyvinuté různými částmi těla, měření rychlosti různých částí těla, měření reakční doby), tak dokonalosti (možností) smyslů, jako je zrak a sluch. Konkrétní návody k jednotlivým aktivitám jsou popsány níže. Cíl Změřit některé charakteristiky lidského těla a výkony, kterých je tělo schopno. Porovnat výše uvedené pro několik žáků. Postup 1. Měření síly stisku ruky 1. Připojte senzor síly stisku ruky k dataloggeru. Napřed budeme měřit maximální dosažitelnou sílu nastavte dobu měření na 30 s a vzorkovací frekvenci na 1000 Hz. 2. Stiskněte senzor co nejsilněji pravou rukou. Na grafu odečtěte maximální dosaženou sílu. Totéž udělejte pro levou ruku a naměřené hodnoty porovnejte. 3. Nastavte dobu měření na 300 s. Stiskněte senzor co nejsilněji a držte, dokud můžete. Prozkoumejte závislost měřené síly na čase. Totéž zkuste pro levou ruku. 4. Porovnejte dosažené výkony několika žáků. Při dostatečném počtu chlapců a děvčat lze porovnat průměrnou sílu chlapců a děvčat. 2. Měření síly dopadu a doby skoku 1. Připojte siloměrnou desku k dataloggeru. Postavte se na ni a odečtěte sílu. 2. Nastavte parametry pokusu: Doba měření 2 s, vzorkovací frekvence 10 khz, start trigger, úroveň 0,01, měřit 10 000 hodnot před startem. 3. Seskočte na siloměrnou desku z výšky 10 cm (normálně, do pokrčených kolen). Zaznamenejte maximální působící sílu, průběh síly v čase a celkovou dobu dopadu. 4. Nechte přidat nové měření do stávajícího grafu. Tentokrát seskočte na desku ze stejné výšky 10 cm na natažená kolena. (OPATRNĚ! NEZKOUŠEJTE TO Z VĚTŠÍ VÝŠKY!) Zaznamenejte maximální působící sílu, průběh síly v čase a celkovou dobu dopadu. Porovnejte s předchozím měřením a vyslovte závěry týkající se správné techniky skoku z výšky. 5. Skákejte postupně na siloměrnou desku z větších výšek (zvyšujte výšku po 10 cm). Skákejte do pokrčených kolen. Porovnávejte dosažené síly. 6. Pokuste se seskočit na desku tak, aby maximální síla byla co možná nejmenší. Zjistěte, jaký průběh síla má a jaká je celková doba doskoku. Vyslovte závěry. 7. Postavte se na siloměrnou desku, odrazte se, vyskočte co nejvýš a dopadněte opět na desku. Zjistěte z grafu maximální sílu odrazu, její průběh v čase, dobu trvání odrazu a dobu trvání výskoku. Z této doby zkuste vypočítat výšku výskoku a porovnejte ji se skutečností.
3. Měření reakční doby 1. Jeden žák dá ruce před sebe, dlaněmi k sobě, dlaně jsou asi 10 cm od sebe. Druhý žák drží svisle pravítko o délce 50 cm tak, aby nula na pravítku byla ve stejné výšce jako horní hrana dlaní spolužáka. Pravítko v neočekávané chvíli pustí. Testovaný žák musí dát dlaně v sobě, jakmile si všimne, že pravítko padá, a tak ho zachytit. 2. Odečteme délku s pravítka, která propadla mezi dlaněmi. Pravítko padá volným pádem, tedy 1 s = gt 2, kde g = 9,8 m.s -2 je tíhové zrychlení a t je doba pádu pravítka, tedy doba, za kterou 2 byl zkoušený žák schopen uvést do pohybu ruce poté, co spatřil, že pravítko padá. Tato doba se nazývá reakční doba. 3. Z výše uvedeného vztahu vyjádřete reakční dobu t. Porovnejte reakční doby jednotlivých žáků. 4. Měření rychlosti ruky a nohy 1. Optickou závoru připojte k dataloggeru. Dejte 2 lavice cca 1 m od sebe, na jednu lavici položte optickou závoru (senzor), na druhou zdroj světla (baterku). Zkontrolujte, zda optická závora reaguje na vložení předmětu mezi baterku a závoru. Pracujte v alespoň částečně zatemněné místnosti (nebo používejte dostatečně silnou a bodovou baterku). 2. Nastavte parametry pokusu: Doba měření 0,5 s, vzorkovací frekvence 100 khz, start trigger, úroveň 0,01, měřit 10 000 hodnot před startem. 3. Co nejrychleji máchněte rukou před optickou závorou. Na obrazovce dataloggeru se objeví impulz (prudký pokles osvětlení při počátku zakrytí závory a opět prudký vzrůst při jejím úplném odkrytí). Odečtěte délku impulzu to je doba zakrytí závory. 4. Vypočtěte rychlost ruky (šířka ruky dělená dobou zakrytí závory). Porovnejte rychlost u několika žáků. 5. Zkuste stejným způsobem změřit rychlost nohy. 5. Měření sluchu (vytvoření audiogramu) 1. Připojte reproduktor a osciloskop paralelně k GBF. Na GBF nastavte jako výstup sinusový signál, minimální napětí a frekvenci 100 Hz. Na osciloskopu zobrazte signál na výstupu GBF. 2. Umístěte pravé ucho 20 cm od reproduktoru a pomaličku zvyšujte napětí na GBF. Jakmile uslyšíte zvuk, přestaňte zvyšovat napětí a na osciloskopu změřte amplitudu tohoto napětí. 3. Nastavte na GBF frekvenci 500 Hz a zopakujte postup dle bodu 2. Pak stejný postup zopakujte pro všechny hodnoty frekvencí uvedené v tabulce níže a také pro levé ucho. Frekvence/Hz Limitní napětí / mv (levé ucho) Limitní napětí / mv (levé ucho) 100 500 1000 2000 4000 8000 17000
4. Zpracujte audiogram pro pravé i levé ucho (je to graf závislosti limitního napětí na frekvenci). Liší se audiogramy pro obě uši? Co lze v grafu vidět? 6. Měření zraku Použijte Snellenovu tabulku (na konci dokumentu). Pověste ji např. na tabuli a postavte se de vzdálenosti 6 m od ní. Zamhuřte (nebo si zakryjte) jedno oko a druhým se pokoušejte přečíst postupně řádky napsané čím dál menším písmem. Zlomek u řádku, který jste ještě přečetli jako poslední, udává vaše zrakové schopnosti v porovnání s běžnou populací. Poznámka: Test konaný za těchto podmínek je pouze orientační! Výsledky Diskuze