Всероссийский заочный конкурс «Юный исследователь»

Московский государственный педагогический университет
Конференция проектно-исследовательских работ учащихся школ –
экспериментальных площадок МПГУ
Номинация «Биология, экология»
Фазы сна и движения человека во сне
Дмитриев Иван,
ученик 3 в класса,
ГОУ ЦО №1272 г.Москвы
Руководитель:
Смирнова
Галина Васильевна,
учитель начальных классов
Москва - 2011
Когда человек спит, он проходит через различные фазы сна. Сон может быть
поверхностным и глубоким, быстрым и медленным, со сновидениями и без, и
эти фазы сменяют друг друга. Учёные выяснили - самочувствие человека
сильно зависит от момента пробуждения
Если разбудить человека в фазу глубокого сна, то он будет чувствовать
себя «разбитым». Если разбудить человека в середине сновидений, то у него
проявляется повышенная нервозность. Наилучшим моментом пробуждения
для человека является начало или конец фазы сновидений. При пробуждении
в этот момент человек просыпается бодрым и в хорошем настроении. Вроде
это просто – разбудить в конце фазы сновидений. Но это очень сложно,
потому что начало фаз сна всегда приходится на разное время. На
длительность циклов и фаз сна влияет очень и очень многое и заранее нельзя
предугадать когда они начнутся и когда закончатся.
•
•
Медленный сон
–
–
–
Легкий, поверхностный сон
Средний сон
Глубокий сон
Быстрый сон (БДГ – быстрые движения глаз)
У нас дома есть «умный будильник». Он работает так: устанавливаем
будильник на нужное время пробуждения, надеваем браслет на руку, - и
будильник разбудит нас в наилучший момент, но не позже установленного
времени. Например, если мы поставим будильник на 7 утра, он может
разбудить нас без десяти семь, а может без пятнадцати. Согласно описанию,
он самостоятельно определяет в какой фазе сна мы находимся и будит в
наилучший момент, чтобы мы проснулись бодрыми и в хорошем настроении.
Меня это заинтересовало и я решил разобраться, как он это делает.
По инструкции к будильнику я выгрузил из него файл с данными и
расстроился: файл содержал полную абракадабру, совершенно непонятно,
как можно с этим разобраться.
Но глаза боятся, а руки делают. Папа мне сказал, что это текст на языке XML
и что его умеет открывать известная мне компьютерная программа Excel.
•
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <java version="1.6.0_11"
class="java.beans.XMLDecoder"> <object
class="com.dreikraft.infactory.data.SleepData"> <void property="deviceType">
<object class="com.dreikraft.infactory.data.DeviceType" method="valueOf">
<string>AXBO</string> </object> </void> <void property="id">
<string>P1</string> </void> <void property="movements"> <void
method="add"> <object class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
<void property="movementsY">
<int>1</int> </void> <void
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
<long>1285002502653</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add"> <object class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
<void property="movementsY">
<int>1</int> </void> <void
property="movementsZ">
<int>-1</int> </void> <void
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
<long>1285002510654</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add"> <object class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
<void property="movementsX">
<int>13</int> </void> <void
property="movementsY">
<int>14</int> </void> <void
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
<long>1285002522657</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add"> <object class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
<void property="movementsY">
<int>7</int> </void> <void
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
<long>1285002526660</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add"> <object class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
<void property="movementsY">
<int>4</int> </void> <void
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
<long>1285002530663</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add"> <object class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
<void property="movementsX">
<int>2</int> </void> <void
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
<long>1285002546683</long>
</object> </void> </object> </void> <void
<object
class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
Внутриmethod="add">
этой абракадабры
видны
повторяющиеся слова, обозначающие по–
<void property="movementsX">
<int>2</int> </void> <void
английски
движение и дату,<int>1</int>
а программа
Excel<void
оказалась способной
property="movementsY">
</void>
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
преобразовать
этот в файл в довольно
понятную таблицу. В ней можно
<long>1285002550683</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add">
<object
class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
разглядеть
какое было
движение
и в какое время, величина движения
<void property="movementsX">
<int>3</int> </void> <void
задаетсяproperty="movementsY">
числом, а время – это <int>2</int>
количество миллисекунд,
</void> <void прошедших с нуля
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
часов по Гринвичу 1 января 1970 года. Фактически данные в файле говорят: в
<long>1285002554683</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add">
<object
class="com.dreikraft.infactory.data.MovementData">
такую-то секунду человек двинулся на 2 единицы, а в такую-то секунду – на
<void property="movementsX">
<int>9</int> </void> <void
40 единиц.
property="movementsY">
<int>2</int> </void> <void
property="timestamp">
<object class="java.util.Date">
<long>1285002558683</long>
</object> </void> </object> </void> <void
method="add"> <object class=“
Я собрал все данные за 30 дней о движениях во сне двух человек – меня и
моей сестры Маши – в одну таблицу, вывел ее на график и вот что у меня
получилось.
Исходные данные: все не так
страшно и довольно понятно
• Текст на языкt XML
- <void property="movementsY">
<int>1</int>
</void>
- <void property="timestamp">
- <object class="java.util.Date">
<long>1285517250028</long>
</object>
</void>
• Таблица Excel
property7
movementsY
timestamp
movementsY
timestamp
movementsX
movementsY
timestamp
movementsX
movementsY
timestamp
movementsX
movementsY
timestamp
movementsY
timestamp
movementsX
movementsY
timestamp
movementsX
movementsY
timestamp
movementsX
movementsY
timestamp
int class8
long9
boolean
1
java.util.Date
1285517250028
java.util.Date
1285517254030
java.util.Date
1285519762034
java.util.Date
1285519766036
java.util.Date
1285519770056
java.util.Date
1285519807056
java.util.Date
1285519811056
java.util.Date
1285519935056
java.util.Date
1285519939056
1
1
1
1
2
2
1
2
7
7
2
4
1
7
На первый взгляд выглядит неожиданно. На графике представлены наши
движения с момента засыпания, и видно, что на оси времени не осталось
свободного места, как будто мы не спим, а непрерывно движемся. Речь,
конечно, идет о микродвижениях, но все равно их многовато. Необходимо
отфильтровать данные, избавившись от мелких случайных движений, а
большие движения приравнять друг другу. Таким образом мы получим
спектр нашего сна. Я сделал это отдельно для себя и для сестры.
Первый взгляд на данные
Движения с момента засыпания
Получается, что я склонен к тому, чтобы двигаться примерно через полтора
часа, через три часа и через семь часов после начала сна, а Маша чаще
двигается через полчаса, три часа, пять, шесть и восемь часов после
засыпания. Никакой закономерности в спектре сна найти не удалось, и
каждая новая ночь не укладывалась в тот же спектр, а расширяла его.
Однако эта неудача меня не остановила, я решил рассмотреть длительности
сна без движения. Для каждого движения я рассчитал отрезки времени до
следующего движения и посчитал количества этих отрезков длиной в 1
минуту, в 2 минуты, в три минуты и так далее. И тут оказалось, что эти
количества
подчиняются
закономерностям.
красивым
и
простым
математическим
Второй взгляд на данные
Спектр сна
• Ваня
• Маша
На графике синим нарисована теоретическая кривая ноль целых двадцать
пять сотых поделить на икс и наблюдаемые длительности сна без движения
для меня и сестры. Четко видно, что наблюдаемые длительности похожи
друг на друга и очень близки к теоретической кривой. Эта кривая дает
возможность прогнозирования.
Когда мы бросаем кубик, мы не знаем, какое число на нем выпадет, но мы
знаем, что если бросить его шесть тысяч раз, то каждое число выпадет
примерно по тысяче раз. Так и здесь, мы не знаем, когда пошевелится
человек следующий раз, но мы знаем, что из тысячи промежутков сна без
движения примерно 125 будет длиной в 2 минуты, примерно 25 длиной в 10
минут, а общая формула для количества промежутков длиной икс минут
выглядит как ноль целых двадцать пять сотых поделить на икс.
Если бы движения в течение ночи были циклическими, то на наблюдаемой
кривой обязательно был бы максимум в точке, равной длине цикла. Этого
максимума нет, что математически доказывает, что движения человека в
течение ночи не являются циклическими.
Из этого следует вывод, что по движениям человека определить фазы сна
невозможно.
Но как же тогда работает умный будильник? Ведь он же работает!
У меня есть такое предположение. Будильник, улавливая движения человека,
будит его тогда, когда он начал двигаться незадолго до намеченного времени
пробуждения. Начал двигаться – вставай! Поскольку в фазе быстрого сна
мышцы человека расслаблены и человек двигаться не может, то начало
движения часто оказывается завершением фазы быстрого сна, и время
пробуждения оказывается правильным. Однако заявление производителей
умного будильника, что он определяет фазы сна, в моем эксперименте
подтверждения не нашло.
Третий взгляд на данные
Отрезки сна без движения
Вот выводы, к которым привела меня эта работа.
Движения человека во сне не являются циклическими и, вероятно, не
связаны с фазами сна, которые, наоборот, являются циклическими.
Вероятность того, что следующее движение во сне человек совершит через x
минут, определяется простой и красивой формулой 0,134/x.
Умный будильник не определяет фазы сна, а будит в тот момент, когда
человек начал двигаться и готов проснуться.