Почему голова круглая? Клуб почемучек

Добрый день, участники и читатели "Клуба почемучек"! На этой неделе в очередном выпуске Клуба ответ на вопрос, который снова затрагивает тему анатомии. Мама Светлана и ее дочка Машенька спрашивают меня: 

«Почему голова круглая?»

Этот, совсем детский и смешной на первый взгляд вопрос, требует рассмотрения очень сложных понятий эволюции, физиологии, физики и математики. Но мы с вами попытаемся ответить на него просто и коротко, не претендуя на строго научное объяснение :)

Для начала подумаем, а могла голова быть, например, квадратной или треугольной? 

Задание:

Попросите малыша посмотреть вокруг себя и определить, на какие геометрические фигуры похожи окружающие его объекты. 

Можно воспользоваться приготовленным мною заданием: на рисунке надо соединить линиями предметы и ведро с геометрической фигурой, к которой близка их форма.

А теперь те же предметы давайте разделим на природного (естественного) происхождения и искусственного (созданные руками человека). И сравним оба эти задания.

Оказывается, что среди природных объектов практически нет ничего квадратной или треугольной формы! Большинство вещей, созданных человеком, имеет острые края, ровные грани и линии. А вот в основе большинства природных объектов лежит окружность. Все, что создано природой, имеет закругленные края и плавные очертания.

Попросите ребенка подумать, где в природе он может увидеть круги? Они есть практически везде! Микроорганизмы и клетки тела, Солнце и планеты, цветы и икринки - все стремиться стать круглым. Капли воды и оладьи по сковороде растекаются именно кругом (помните, мы с вами проводили опыты на кухне, изучая этот вопрос?). Даже там, где на первый взгляд окружности не видно - она есть. Например, дерево: где у него круг? Круг получается в сечении (т.е. разрезе) ствола. Это легко увидеть, стоит посмотреть на пенек. Круг лежит в сечении наших частей тела, в телах большинства живых существ, в их норах, гнездах, в плодах, семенах и частях растений.

Такая распространенность окружностей в природе неслучайна. Ведь форма круга (или шара) - самая оптимальная с точки зрения отношения площади фигуры к длине ограничивающей ее линии (а в случае шара - площади поверхности к внутреннему объему). Звучит сложновато для объяснения ребенку((( Было бы хорошо проиллюстрировать это наглядно. Например так: нарисуйте на бумаге круг, а рядом с ним квадрат такой же площади и измерьте ниточкой их контур - у квадрата длина контура получится больше, чем у круга. Но тут мы столкнемся с большой сложностью. Ведь для того, чтобы нарисовать с помощью циркуля и линейки квадрат, равный по площади кругу, нам надо решить знаменитую задачу о квадратуре круга! А над ее разрешением бились математики с античных времен, пока уже в 18 веке не доказали, что это невозможно!

Задание: Решаем задачу о квадратуре круга

Задача, как мы уже знаем, решения не имеет. Но мы немного схитрим и сделаем построение приблизительно*. 

На бумаге в клеточку нарисуем круг радиуса 2 см, а рядом  - квадрат с длиной стороны 3,5 см. Теперь предложим ребенку убедиться, что внутри окружности и внутри квадрата помещается одинаковое число клеточек (т.е. площади этих фигур равны). Для этого просто вслух считаем клеточки, закрашивая их карандашом. С квадратом это сделать легко. А вот с кругом придется потрудиться: сначала считаем только целые клеточки, а потом из оставшихся "половинок" собираем еще клеточки и суммируем все их. У нас с Катей получилось тютелька в тютельку 49 клеток в квадрате и 49 клеток в круге. То есть площади фигур равны.

Дальше мы сравниваем длину их границ. Для этого мы взяли нитки и проложили их вдоль границы. А потом сравнили и измеряли линейкой. Но даже без линейки видно, что нитка, соответствующая длине окружности короче, чем нитка, соответствующая периметру квадрата.

Аналогичным образом можно проверить и треугольник - чтобы площади его и круга были примерно равны, длину стороны треугольника надо взять равной 5,4 (треугольник для простоты возьмем равносторонний).

Считаем площадь фигур клеточками и измеряем их контур ниткой

Как и предполагалось в теории, длина окружности меньше периметра квадрата такой же площади

______

* Для взрослых я объясню выкладки. 

Если мы примем пи равным 3,14, то при радиусе круга 2 см его площадь будет равна 12,56 кв.см, и длина окружности тоже 12,56 см.

Приравняв площадь квадрата и площадь нашего круга и решив уравнение, мы получим, что сторона квадрата должна быть равна 3,54 см. При этом значении его площадь будет 12,53 кв.см, что очень близко площади нашего круга. А вот длина сторон квадрата (его периметр, равный 14,16 см) будет заметно длиннее длины окружности. Аналогично вычисляем сторону треугольника.

Ребенку все это знать нет необходимости - можно просто посчитать площадь по клеточкам, а длину границы - с помощью нитки.

То есть мы проверили, что круг имеет поверхность соприкосновения с внешней средой меньше, чем квадрат и треугольник. То же правило распространяется и на объемные фигуры. Шар будет иметь меньшую поверхность соприкосновения с окружающей средой, чем куб или пирамида. Поэтому такая форма для природы энергетически выгоднее: тратится меньше сил на ее поддержание, все точки поверхности равноудалены от центра и доступ к ним легче (например, для кровеносных сосудов). 

Да и сфера гораздо устойчивее к сжатию, чем куб - недаром яйца имеют шарообразную форму. Благодаря обтекаемой форме, удары, приходящиеся по шару, получаются скользящими и выходят гораздо слабее. А значит, если череп у головы круглый, то он лучше защищает содержимое.

Кроме того, представьте, как бы трудно было рожать маме ребеночка, если бы у него  голова была с углами!

Таким образом, мы смогли объяснить, почему наша голова не квадратная и не треугольная. 

Но почему она именно круглая? Ведь у многих животных голова вовсе не шар. У большинства из них вперед выдается нос или челюсть. Если посмотреть на черепа наших предков - человекообразных обезьян, неандертальцев или других ископаемых гоминид, то окажется, что у них голова совсем не такая круглая, как у нас.  

Все дело в том, что форма нашего черепа сложилась в результате долгих веков эволюции и приспособилась к тому образу жизни, который мы ведем. Спросите малыша, чем собака, волк, лиса с длинной любопытной мордочкой познают мир? Из всех органов чувств важнейшим для них является обоняние. Поэтому и та часть черепа, которая соответствует носу, у них выдается вперед. А чем человек познает мир? Правильно, мозгом. Поэтому у него часть черепа, прикрывающая мозг, гораздо больше и тоже выдается. Но не вперед, а вверх. Поэтому наши головы круглее голов зверей.

Задание:

Сравните на рисунках черепа разных животных. Сможет ли ребенок найти среди них череп человека? Ему поможет в этом именно круглая форма черепа.

1. Череп человека

2. Череп  собаки

3. Череп  крокодила

4. Череп гориллы

5. Череп  зайца

6. Череп неандертальца

Надеюсь, Машеньке хоть что-то стало понятнее в этом вопросе :)

Другие эксперименты и занятия по биологии человека вы найдете здесь: Откуда берутся родинки?, Почему человек дышит, Типы лиц, Почему люди плачут, Почему люди зевают, Почему людям надо спать, Почему у человека две руки и две ноги, Откуда берется слюна, Откуда появился человек, Анатомия человека из фетра - скачать шаблоны, Анатомия из подручных материалов, Ставим опыты... над собой, Детям о сердце: 6 экспериментов

На следующей неделе я буду отвечать на вопрос "Кто такие лунатики?"
А чтобы я ответила и на ваши вопросы, вступайте в Клуб и задавайте их!

Для этого надо:
1) Поставить баннер на боковую панель вашего блога или сайта (код баннера можно взять, перейдя на страницу "Клуба почемучек"), а если блога нет, то дать ссылку на страницу Клуба в своих соц. сетях.
2) Прислать ваш вопрос мне на почту tavika2000 @ yandex.ua (убрать пробелы) с пометкой "Клуб почемучек".  

ВНИМАНИЕ! Среди всех присланных весной и летом вопросов в начале сентября я разыграю ПРИЗ. Независимо от того, сделала я ответ на вопрос или нет. Подробности будут ближе к розыгрышу. 

Подписаться на новости Клуба можно прямо тут, заполнив форму рассылки.
После этого вам на почту будут приходить ссылки на новые выпуски "Клуба почемучек" и сообщения о розыгрышах призов.

Ваше имя: Ваш email:

Архив прошлых выпусков "Клуба почемучек" можно посмотреть ЗДЕСЬ.

Материалы по теме:

1. Череп человека. Википедия (http://ru.wikipedia.org/wiki/Череп_человека)
2. Почему у человека голова круглая (http://www.topauthor.ru/Pochemu__u_cheloveka_golova_kruglaya_8392.html)
3. Индивидуальные и половые особенности черепа (http://ilive.com.ua/health/individualnye-i-polovye-ossobennosti-cherepa_2335i623.html)
4. Я.И.Перельман "Квадратура круга"