Создание контента информационной системы "Мобильный гид Maugry" для музея "Парк научных развлечений"

Размещено на http://www.allbest.ru/

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №47»

Контрольная работа

Создание контента информационной системы «Мобильный гид Maugry» для музея «Парк научных развлечений»

Выполнил: Федосеев Сергей Михайлович,

ученик 10 класса

Руководители: Батуева Ольга Николаевна,

учитель истории,

Городилова Светлана Борисовна,

Учитель информатики и ИКТ

Пермь, 2014

Краткая аннотация проекта

Данный проект - это мой небольшой вклад в популяризацию физики.

Недавно в Перми открылся Первый интерактивный музей занимательной науки «Парк научных развлечений». Экспонаты музея наглядно демонстрируют принципы действия различных законов физики. Продуктом данного проекта является описание экспонатов (контент) для работающей в музее информационной системы электронный гид. Создание контента стало возможным благодаря изучению и обобщению большого количества информации по выбранным темам. Результаты этой деятельности полностью соответствует заявленной цели.

Цель проекта - расширить представление о роли фундаментальных физических исследований в развитии техники через создание контента для системы Маугри.

Задачи, которые я ставил перед собой:

· Познакомиться с экспонатами «Парка научных развлечений»

· Выбрать несколько экспонатов, нуждающихся в доработке контента

· Пользуясь различными источниками, собрать материал по темам экспонатов и, обработав его, оформить в виде описания выбранных объектов

· Ввести информацию в базу данных Маугри, тем самым сделав ее доступной всем посетителям музея, включая виртуальных пользователей.

Для создания контента были использованы материалы сайтов, энциклопедий, физических журналов, книги Якова Перельмана -- «Занимательная физика» и «Занимательная математика». Для реализации электронного варианта, включающего фото и аудио сопровождение - современные информационные технологии обработки текста, графики и звука.

Введение

Физика исследует фундаментальные закономерности явлений; это предопределяет ее ведущую роль во всем цикле естественно-математических наук. Однако следует также учесть технический и гуманитарный потенциал физики. Цитирую обращение ученых Российской академии наук:

«Засилье антинаучных и малограмотных статей в газетах и журналах, телевизионных и радиопередачах вызывает серьезное беспокойство у всех ученых страны. Речь идет о будущем нации: сможет ли новое поколение, воспитанное на астрологических прогнозах и вере в оккультные науки, сохранить научное мировоззрение, достойное людей XXI века, или наша страна вернется к средневековому мистицизму». [5]

В прошлом году в Перми открылся Первый интерактивный музей занимательной науки «Парк научных развлечений». На площади в 500 кв. м., разместилось более 60 экспонатов, которые наглядно демонстрируют принципы действия различных законов физики и объясняют природу происхождения самых удивительных и красивых явлений окружающего мира.

В музее представлены несколько тематических зон: «Зеркальный мир», «Мир физических экспериментов», «Черная комната» и другие.

Основное достоинство интерактивного музея заключается в том, что все экспонаты действующие, их можно трогать руками и быть участником всех экспериментов.

Впечатление от посещения музея удваивается от эффектной работы мобильного гида Маугри.

Маугри - это мобильное приложение для смартфонов и планшетов единое для всех музеев.

Маугри позволяет каждому посетителю музея использовать свой смартфон или планшет в качестве аудиогида. Приложение автоматически распознает экспонаты и выдает посетителю аудио, фото, видео и текстовую информацию об экспонате на родном языке. Распознавание происходит на основе QR-кодов, рамочных маркеров на этикетке экспоната или по GPS координатам.

В ходе знакомства с экспонатами музея мне захотелось глубже окунуться в мир физических законов и замечательных технических идей. А благодаря сотрудничеству с фирмой ООО «Лаборатория мультимедийных решений» - разработчиков мобильного гида Маугри, сделать эту информацию доступной всем посетителям музея.

Часть I. О научном, техническом и гуманитарном потенциалах физики

маугри аудиогид музей

Важнейшим источником знаний об окружающем мире для человека является физика. Она исследует наиболее общие свойства и формы движения материи, ищет ответы на вопросы: как устроен окружающий мир; каким законам подчиняются происходящие в нем явления и процессы? Стремясь познать «первоначала вещей» и «первопричины явлений», физика в процессе своего развития сформировала сначала механическую картину мира (XVII1--XIX вв.), затем электромагнитную картину (вторая половина XIX -- начало XX в.) и, наконец, современную физическую картину мира (середина XX в.).

Физика, непрерывно расширяя и многократно умножая возможности человека, обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. Она вносит существенный вклад в развитие духовного облика человека, формирует его мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей. Поэтому будем говорить соответственно о научном, техническом и гуманитарном потенциалах физики.

Эти три потенциала содержались в физике всегда. Но особенно ярко и весомо они проявились в физике XX столетия, что и предопределило ту исключительно важную роль, какую стала играть физика в современном мире.

На стыке физики и других естественных наук возникли новые научные дисциплины. Химическая физика исследует электронное строение атомов и молекул, физическую природу химических связей, кинетику химических реакций. Астрофизика изучает многообразие физических явлений во Вселенной; она широко применяет методы спектрального анализа и радиоастрономических наблюдений. В отдельные разделы астрофизики выделены: физика Солнца, физика планет, физика межзвездной среды и туманностей, физика звезд, космология. Биофизика рассматривает физические и физико-химические явления в живых организмах, влияние различных физических факторов на живые системы. В настоящее время из биофизики выделились самостоятельные направления биоэнергетика, фотобиология, радиобиология. Геофизика исследует внутреннее строение Земли, физические процессы, происходящие в ее оболочках.

Трудно переоценить роль фундаментальных физических исследований в развитии техники. Так, исследования тепловых явлений в XIX в. способствовали быстрому совершенствованию тепловых двигателей. Фундаментальные исследования в области электромагнетизма привели к возникновению и быстрому развитию электротехники. В первой половине XIX в. был создан телеграф, в середине века появились электрические осветители, а затем электродвигатели. Во второй половине XIX в. химические источники электрического тока стали вытесняться электрогенераторами. Девятнадцатый век завершился триумфально: появился телефон, родилось радио, был создан автомобиль с бензиновым двигателем, в ряде столиц открылись линии метрополитена, зародилась авиация. В 1912 г. В. Я. Брюсов написал строки, в которых хорошо отразилось победное настроение тех лет: «Свершились все мечты, что были так далеки. Победный ум прошел за годы сотни миль. При электричестве пишу я эти строки, И у ворот, гудя, стоит автомобиль».

Нет необходимости доказывать, что современное миропонимание -- важный компонент человеческой культуры. Каждый культурный человек должен хотя бы в общих чертах представлять, как устроен мир, в котором он живет. Это необходимо не только для общего развития. Любовь к природе предполагает уважение к происходящим в ней процессам, а для этого надо понимать, по каким законам они совершаются. Мы имеем много поучительных примеров, когда природа наказывала нас за наше невежество; пора научиться извлекать из этого уроки. Нельзя также забывать, что именно знание законов природы есть эффективное оружие борьбы с мистическими представлениями, есть фундамент атеистического воспитания.

Современная физика вносит существенный вклад в выработку нового стиля мышления, который можно назвать планетарным мышлением. Она обращается к проблемам, имеющим большое значение для всех стран и народов. Сюда относятся, например, проблемы солнечно-земных связей, касающиеся воздействия солнечных излучений на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли; прогнозы физической картины мира после ядерной катастрофы, если таковая разразится; глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением Мирового океана и земной атмосферы.

Воздействуя на самый характер мышления, помогая ориентироваться в шкале жизненных ценностей, физика способствует, в конечном счете, выработке адекватного отношения к окружающему миру и, в частности, активной жизненной позиции. Любому человеку важно знать, что мир в принципе познаваем, что случайность не всегда вредна, что нужно и можно ориентироваться и работать в мире, насыщенном событиями, что в этом изменяющемся мире есть тем не менее «опорные точки», что по мере углубления знаний картина неизбежно усложняется, решаются поставленные задачи и возникают новые вопросы. [1,2]

Часть II. Физика в музее

Посетив «Парк научных развлечений», я пришел к выводу, что многие экспонаты работают по принципам известных из школьного курса законов физики. Выделим две основные группы экспонатов и вспомним законы, по которым они работают.

Первая группа - экспонаты, работа которых основана на законах Ньютона.

Вторая группа - экспонаты, работа которых основана на зрительных эффектах.

Законы Ньютона

Установленные Ньютоном три закона механики лежат в основе динамики и составляют основной раздел классической механики. Непосредственно их можно применять к простейшему случаю движения, когда движущееся тело рассматривается как материальная точка, т.е. когда размер и форма тела не учитывается и когда движение тела рассматривается как движение точки, обладающей массой. Для описания движения точки можно выбрать любую систему координат, относительно которой определяются характеризующие это движение величины. За тело отсчета может быть принято любое тело, движущееся относительно других тел. В динамике имеют дело с инерциальными системами координат, характеризуемыми тем, что относительно них свободная материальная точка движется с постоянной скоростью.

Первый закон Ньютона. Закон инерции впервые был установлен Галилеем для случая горизонтального движения: когда тело движется по горизонтальной плоскости, его движение является равномерным и оно могло бы продолжаться бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца. Ньютон дал более общую формулировку закону инерции как первому закону движения: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние.

То есть, если перестать тянуть или толкать движущееся тело, оно останавливается, а не продолжает двигаться с постоянной скоростью - автомобиль с выключенным двигателем останавливается. По закону Ньютона на катящийся по инерции автомобиль действует тормозящая сила, которой является сопротивление воздуха и трение автомобильных шин о поверхность шоссе. Они сообщают автомобилю отрицательное ускорение до тех пор, пока он не остановиться.

Недостатком данной формулировки закона является то, что в ней не содержится указания на необходимость отнесения движения к инерциальной системе координат. Дело в том, что Ньютон не пользовался понятием инерциальной системы координат, - вместо этого он вводил понятие абсолютного пространства - однородного и неподвижного, - с которым и связывал некую абсолютную систему координат, относительно которой и определялась скорость тела. Позднее закон инерции стал формулироваться иначе: относительно инерциальной системы координат свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Второй закон Ньютона. В формулировку второго закона Ньютон ввел понятия:

· Ускорение (a) - векторная величина (Ньютон называл его количеством движения и учитывал при формулировании правила параллелограмма скоростей), определяющая быстроту изменения скорости движения тела.

· Сила (F) - векторная величина, понимаемая как мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате воздействия которой тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

· Масса тела (m) - физическая величина - одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства.

Второй закон механики гласит: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение. Такова его современная формулировка. Ньютон сформулировал его иначе: изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует, и обратно пропорционально массе тела:

Эта формула выражает один из фундаментальных законов природы, которому с удивительной точностью подчиняется движение, как громадных небесных тел, так и мельчайших песчинок. С помощью этого закона можно рассчитать движение поршня автомобиля и сложнейшее движение космических кораблей.

Этот закон также справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон с математической точки зрения представляет собой частный случай второго закона (если равнодействующие силы равны нулю, то и ускорение также равно нулю), но рассматривается как самостоятельный, т.к. именно он утверждает существование инерциальных систем.

Третий закон Ньютона. Третий закон Ньютона гласит: действию всегда есть равное и противоположное противодействие, т. е. тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению.

Ньютон распространил действие этого закона на случай столкновения и на случай взаимного притяжения тел. Простейшей демонстрацией этого закона может служить тело, расположенное на горизонтальной плоскости, на которое действуют сила тяжести Fт и сила реакции опоры Fо. Силы лежат на одной прямой, равны по значению и противоположно направлены. Действие этих сил позволяет телу находиться в состоянии покоя.

В формулировке Ньютона третий закон механики справедлив лишь для случая непосредственного взаимодействия сил или при мгновенной передаче действия одного тела на другое. В случае передачи действия за конечный промежуток времени данный закон применяется тогда, когда временем передачи действия можно пренебречь.[6,7]

Оптико-геометрические иллюзии

Мы воспринимаем окружающее нас как данность: солнечный луч, играющий бликами на поверхности воды, переливы красок осеннего леса, улыбку ребенка... Мы не сомневаемся, что реальный мир именно таков, каким мы его видим. Но так ли это на самом деле? Почему иногда зрение нас подводит? Как мозг человека интерпретирует воспринимаемые объекты?

Человек воспринимает большую часть информации об окружающем мире благодаря зрению. Чаще всего глаз считают похожим на фотоаппарат или телекамеру, проецирующую внешние объекты на сетчатку, которая является светочувствительной поверхностью. Мозг «смотрит» на эту картинку и «видит» все, что нас окружает. Однако не все так просто. Во-первых, изображение на сетчатке перевернуто. Во-вторых, из-за несовершенных оптических свойств глаза, , картинка на сетчатке расфокусирована или размазана. В-третьих, глаз совершает постоянные движения: скачки при рассматривании изображений и при зрительном поиске, мелкие непроизвольные колебания при фиксации на объекте, относительно медленные, плавные перемещения при слежении за движущимся объектом. Таким образом, изображение находится в постоянной динамике. В-четвертых, глаз моргает приблизительно 15 раз в минуту, а это значит, что изображение через каждые 5-6 секунд перестает проецироваться на сетчатку. Поскольку человек обладает бинокулярным зрением, то фактически он видит два размытых, дергающихся и периодически исчезающих изображения, а значит, возникает проблема совмещения информации, поступающей через правый и левый глаз.

Иллюзия - это искаженное, неадекватное отражение свойств воспринимаемого объекта. В переводе с латыни слово «иллюзия» означает «ошибка, заблуждение». Это говорит о том, что иллюзии с давних времен интерпретировались как некие сбои в работе зрительной системы. Изучением причин их возникновения занимались многие исследователи. Основной вопрос, интересующий не только психологов, но и художников, - как на основе двухмерного изображения, на сетчатке воссоздается трехмерный видимый мир. Возможно, зрительная система использует определенные признаки глубины и удаленности, например, принцип перспективы, предполагающий, что все параллельные линии сходятся на уровне горизонта, а размеры объекта по мере его удаления от наблюдателя пропорционально уменьшаются. Мы не осознаем, насколько сильно изменяется проекция объекта на сетчатке по мере его удаления.

Одна из самых известных оптико-геометрических иллюзий - иллюзия Мюллера-Лайера. Посмотрев на этот рисунок, большинство наблюдателей скажет, что левый отрезок со стрелочками наружу длиннее правого со стрелочками, направленными внутрь. Впечатление настолько сильное, что, согласно экспериментальным данным, испытуемые утверждают, что длина левого отрезка на 25-30% превышает длину правого.

Еще один пример оптико-геометрических иллюзий - иллюзия Понцо также иллюстрирует искажения восприятия размера. Левый отрезок кажется значительно больше правого. Было предложено множество теорий, объясняющих подобные искажения. Одна из наиболее интересных предполагает, что человек интерпретирует обе картинки как плоские изображения в перспективе. Стрелочки на концах отрезков, а также схождение косых лучей в одной точке создают признаки перспективы, и человеку кажется, что отрезки расположены на разной глубине относительно наблюдателя.

Учитывая эти признаки, а также одинаковую проекцию отрезков на сетчатке, зрительная система вынуждена сделать вывод, что они разного размера. Те фрагменты рисунка, которые кажутся более удаленными, воспринимаются большими по размеру.

В повседневной жизни нас окружает множество прямоугольных предметов: комнаты, окна, дома, типичные очертания которых можно видеть на рисунке. Поэтому, изображение, на котором линии расходятся, можно воспринимать как угол здания, расположенный дальше от наблюдателя, в то время как рисунок, на котором линии сходятся, воспринимается как угол здания, расположенный ближе. Аналогично можно объяснить иллюзию Понцо. Косые линии, сходящиеся в одной точке, ассоциируются либо с длинным шоссе, либо с железнодорожным полотном, на котором лежат два предмета.

Зрительные шаблоны, сформированные таким «прямоугольным» окружением, и заставляют нас ошибаться. Анализ предложенного объяснения оптико-геометрических иллюзий показывает, что, во-первых, все параметры зрительного образа взаимосвязаны, благодаря чему и возникает целостное восприятие, воссоздается картина внешнего мира. Во-вторых, на восприятие влияют сформированные повседневным опытом стереотипы, например, представления о том, что мир трехмерен, начинающие работать, как только в картинку вносятся признаки, указывающие на перспективу.



Рис. а Рис. б.

Примером того, как можно разрушить целостный образ объекта, служат так называемые «невозможные» противоречивые фигуры (Рис. а), картины с нарушенной перспективой (Рис. б).

В комнате Эймса, описанной мной в работе (Приложение 5), как раз создается эффект оптико-геометрической иллюзии. Существуют и другие эффекты, обманывающие наше зрение: иллюзии восприятия движения; переработки информации; цветового зрения; иллюзии, связанные с особенностями строения глаза; оптическое воздействие цвета.[8]

Заключение

В ходе выполнения проекта был обработан большой объем информации. В результате удалось создать небольшие и доступные описания 15 экспонатов музея. На протяжении всей работы приходилось обращаться к теоретической физике, а конкретно к темам и разделам, связанным с выбранными экспонатами. Таким образом, достигнута цель проекта: расширилось понимание роли физических исследований в развитии науки и техники.

Вся информация внесена в базу данных Маугри. Сегодня она доступна практически всем владельцам мобильных устройств. Несколько экспонатов имеют звуковое сопровождение.

Проект имеет хорошие перспективы, так как является частью реально действующей и динамично развивающейся информационной системы.

Литература

1. Родякин С.В., Ситников А.Н. Основные предпосылки и идеи становления и развития классической механики Галилея и Ньютона // Философия науки (научное издание по философии, методологии и логике естественных наук). - 2003. - №1.

2. История науки и техники. Учебно-методическое пособие./Под ред. Ткачева А.В. - СПб.: СПБ ГУ ИТМО, 2006.

3. Детская энциклопедия./М.: Просвещение, 1964.

4. Перельман А.И. Занимательная физика./Е: Тезис, 1994.

5. Наука и жизнь. № 11, 1999

6. Гурский И.П. Элементарная физика. М: Наука, 1984г.

7. Каперников С.Х. Основные концепции естествознания. М: ЮНИТИ, 1998г.

8. Большая Советская Энциклопедия в 30 томах. Под ред. Прохорова А.М., 3 издание М., Советская энциклопедия 1970г.

Приложение 1. Арочный мост

Ещё в древности люди научились строить арки и арочные мосты. Арочная конструкция прочна с выпуклой стороны. Вес нагрузки, действующий на арочный мост, уравновешивается силами реакции опоры со стороны составных частей конструкции. Таким образом, внешняя нагрузка распределяется по всем составным частям арки, вплоть до основания.

Во многих странах имеются так называемые естественные арочные мосты. Это созданные самой природой арки. Такие естественные арки создавались в течение длительного периода из различных горных пород при их постепенном разрушении под воздействием воды или ветра. Правда, далеко не по всем таким мостам возможно свободное перемещение. Самая большая естественная арка в мире с пролётом в 120 м (мост фей Сянрен) находится в Китае.

Но такая природная конструкция уже в глубокой древности подсказала человеку возможность сооружения арочных мостов.

Первые арочные мосты сооружались из дерева и камня. Дугообразное очертание конструкции отличается большей прочностью и долговечностью, чем прямолинейные балочные системы. Изобретение конструкции арочных мостов в IV веке до нашей эры приписывается китайцам. До нашего времени существуют и эксплуатируются арочные мосты, построенные в I веке.

В первозданном виде, кроме отдельных декоративных элементов, сохранился однопролётный арочный каменный мост, построенный в 610 году в китайской провинции Хэбэй. Пролёт арки составляет 50 м. Этот необычайно прочный мост успешно выдержал множество сильнейших землетрясений и более десяти разрушительных наводнений, несколько крупных войн и народных восстаний.

Говоря об истории мостов, невозможно не сказать о проекте арочного моста через Неву, выполненном выдающимся русским механиком-изобретателем Иваном Петровичем Кулибиным. Он задолго до работ европейских ученых по теории сводов открыл закон взаимодействия сил в арке. Кулибин решил задачу конструктивно по-новому, рационально, оригинально и просто. Он далеко опередил все трудоемкие, сложные и запутанные системы зарубежных мостостроителей. Многорешетчатые фермы, которые первый раз применил Кулибин, позже появились за границей, где стали известны как фермы Тауна.

Согласно проекту, деревянная арка перекрывала пролёт в 300 м (в 5 раз больше, чем у известных в то время мостов). В декабре 1776 г. модель моста Кулибина была испытана пробной статической нагрузкой в присутствии комиссии Академии наук. Под нагрузкой 3.870 пудов (63,4 т) модель простояла 28 дней. Никаких признаков деформации обнаружено не было. В заключении комиссии указывалось, что по проекту можно построить мост длиной 298 м. К сожалению, в силу сложившихся обстоятельств, проект, восхищавший Д. Бернулли и иных современников, не был реализован.

В настоящее время процент строящихся арочных мостов по сравнению с мостами других конструкций довольно низок: арочные системы требуют сооружения массивных опор, трудоёмки в сооружении и являются не типовыми, а индивидуальными объектами проектирования, украшающими городские пейзажи и придающими им особое очарование.

Приложение 2. Аэродинамическая труба

Аэродинамическая труба -- это техническое устройство, предназначенное для моделирования воздействия среды на движущиеся в ней тела. Она состоит из одного или нескольких вентиляторов (или других устройств нагнетания воздуха), которые нагнетают воздух в трубу, где находится модель исследуемого тела, тем самым создаётся эффект движения тела в воздухе с большой скоростью.

Первая в мире аэродинамическая труба была построены в 1871 году членом Совета Королевского авиационного общества Великобритании Френсисом Гербертом Уэнхемом. Это была труба более 3,5 м в длину и сечением 116 см2. Вентилятор, обдувавший модели, приводился в движение паровым двигателем. Уэнхем использовал свою аэродинамическую трубу для исследований несущих свойств крыла.

В том же 1871 г. капитан Российской армии В. А. Пашкевич, преподаватель Артиллерийской академии, построил первую в России АТ для исследования сопротивления движению снарядов. А в 1897 г. К. Э. Циолковский при поддержке Н. Е. Жуковского построил АТ в Калуге, где провел исследования моделей дирижаблей и самолетов в потоке, скорость которого была около 5 м/с.

С тех пор построено великое множество АТ, от миниатюрных до гигантских. В первую очередь аэродинамические исследования в АТ проводятся разработчиками авиационной техники. Изучается обтекаемость водных судов. Первым наземным транспортным средством, которое продули в АТ, стал поезд. Случилось это в 1899 г. Автомобили начали подвергаться испытаниям в АТ только после Первой мировой войны. В настоящее время комплексами для проведения аэродинамических испытаний обладают все крупнейшие автопроизводители мира.

Первая труба, способная удержать на воздушном потоке человека, появилась только в 1943 году. Примерно в это же время аэротрубы начинают использовать для испытаний парашютов. Сегодня аэродинамические трубы используются для тренировки сложных движений в скайдайвинге, парашютном спорте и даже как аттракционы. В 2006 году для церемонии закрытия Олимпийских игр в Турине была установлена открытая аэротруба над которой парили спортсмены, иллюстрирующие различные виды спорта.

Приложение 3. Брахистохрона

Брахистохрона - кривая быстрейшего ската (от греческих слов (всЬчйу фпт - кратчайший и чсьнпт - время). В первоначальном своем значении слово это применялось к кривой, по которой материальная точка, двигаясь под влиянием одной только силы тяжести, переходит из одной данной точки в другую в кратчайшее время. В настоящее время то же название распространено и на случай действия на движущуюся точку каких угодно сил, не только силы тяжести.

Задача о нахождении Брахистохроны сыграла исторически важную роль в математике, так как привела к изобретению вариационного исчисления.

В 1697 г. Иоганн Бернулли, бывший тогда профессором математики в Гронингене, предложил геометрам задачу о кривой наименьшего ската, которую он определил следующим образом: из некоторой точки А опущено тело; требуется найти, по какой кривой нужно заставить его двигаться, чтобы оно пришло наискорейшим образом в некоторую другую точку В.

Готфрид Вильгельм Лейбниц решил задачу Бернулли в тот же день. Оба ученых договорились не открывать своих решений и дать другим математикам год времени для состязания. Почти в одно и то же время было опубликовано три решения задачи. Два из них принадлежали Якобу Бернулли, профессору математики в Базеле (брату Иоганна Бернулли) и маркизу де л'Опиталю. Третье решение было напечатано без имени автора в Трудах Лондонского королевского общества, впрочем, И. Бернулли тотчас узнал автора - Исаак Ньютон. Все эти решения приводили к одинаковому результату: линия кратчайшего ската есть циклоида с горизонтальным основанием, выдающаяся точка которой находится в верхней из данных двух точек.

Вопрос об условиях брахистохронизма и раньше занимал умы ученых, но не мог быть решен вследствие недостаточности анализа. Так, например, Галилей ошибочно думал, что это дуга окружности.

Кто из нас не испытывал удовольствия от катания на ледяных и дощатых горках в детстве? А как захватывает дух на аттракционе «Русские горки»! Их строители, конечно, не знакомы с теоретическими изысканиями математиков, однако, форма горок весьма близко совпадает с циклоидой. Более точное совпадение не требуется и самой теорией, которая доказывает, что циклоида есть брахистохрона в том случае, когда не принимается в расчет сопротивление воздуха, которое, однако, во всех практических случаях имеет весьма малое значение.

Приложение 4. Волновой маятник

Колебания - один из самых распространенных процессов в природе и технике. Колебания бывают механические, химические, электромагнитные, термодинамические и другие. Несмотря на такое разнообразие, все они описываются одними и теми же уравнениями. Свободными колебаниями называются колебания, происходящие благодаря начальному запасу энергии, приданному колеблющемуся телу. Чтобы тело совершало свободные колебания, необходимо вывести его из состояния равновесия.

Первыми учеными, изучавшими колебания, были Галилео Галилей (1564-1642) и Христиан Гюйгенс (1629-1692). Полагают, что соотношение между длиной маятника и временем каждого качания открыл Галилей. Однажды в церкви он наблюдал, как качалась огромная люстра, и засекал время по своему пульсу. Позже он посчитал, что время, за которое происходит один взмах, уменьшается наполовину, если укоротить маятник на три четверти.

Гюйгенс изобрел первые часы с маятником (1657 г.) и во втором издании своей монографии «Маятниковые часы» (1673 г.) исследовал ряд проблем, связанных с движением маятника, в частности нашел центр качания физического маятника.

Приложение 5. Комната Эймса

Комната Эймса -- помещение неправильной формы, используемое для создания трёхмерной оптической иллюзии. Была спроектирована американским офтальмологом Альбертом Эймсом в 1934 году и построена в 1935 году.

Исследования показали, что иллюзия может быть создана без использования стен и потолка, -- для её создания достаточно видимого горизонта (который в действительности не является горизонтальным) против соответствующего фона, а также, чтобы взгляд наблюдателя падал на объект, высота которого превышает высоту этого горизонта.

Принцип комнаты Эймса широко используется в кино и на телевидении для создания спецэффектов, когда человека на самом деле нормального роста необходимо показать в качестве гиганта или карлика по сравнению с другими.

Приложение 6. Мертвая петля

В ньютоновской механике формулируется частный случай закона сохранения энергии: «Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остаётся постоянной». Проще говоря, при отсутствии диссипативных сил (например, сил трения) механическая энергия не возникает из ничего и не может исчезнуть в никуда. Поэтому шарик, запущенный с одной высоты должен подняться на эту же высоту. Но этого мы не наблюдаем из-за действия сил трения между шариком и направляющей, а также шариком и воздухом.

«Мёртвая петля в авиации» -- фигура высшего пилотажа в России известна как «петля Нестерова». Представляет собой замкнутую петлю в вертикальной плоскости. Петля называется правильной, если все точки её траектории лежат в одной вертикальной плоскости. Своё название -- «мёртвая» -- получила из-за того, что некоторое время была рассчитана только теоретически на бумаге и авиаторами не выполнялась.

Первые попытки выполнить эту фигуру пилотажа осуществлялись на заре авиации на самолётах, которые не выдерживали возникающих при этом перегрузок и разрушались.

До Петра Николаевича Нестерова даже горизонтальные развороты на самолетах делали без крена «блинчиком». Его заслуга в том, что он начал использовать подъёмную силу крыла для маневра и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Он так доверял своим расчётам, что перед выполнением «мёртвой петли» 27 августа (9 сентября) 1913 года даже не пристегнулся ремнями. Расчеты оказались правильными и в верхней точке петли он не выпал из самолета, как предостерегали некоторые -- центробежная сила прижала лётчика к сиденью. «Мертвая петля», выполненная П. Н. Нестеровым на самолете «Ньюпор-4» с двигателем «Гном» в 70 л. с., положила начало высшему пилотажу.

Размещено на Allbest.ru