Когда тело испытывает перегрузку


Вес тела в физике. Невесомость и перегрузка

Онлайн калькуляторы

На нашем сайте собрано более 100 бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике.

Справочник

Основные формулы, таблицы и теоремы для учащихся. Все что нужно, чтобы сделать домашнее задание!

Заказать решение

Не можете решить контрольную?! Мы поможем! Более 20 000 авторов выполнят вашу работу от 100 руб!

Вес , как и любая другая сила, в системе СИ измеряется в Ньютонах.

Следы на снегу или на песке свидетельствуют о том, что человек или животное, проходя, давит на снежную или песчаную опору с некоторой силой.

Вес тела во время движения. Состояния невесомости и перегрузки

Вес тела зависит от ускорения, с которым движется тело, а потому может быть различным:

  1. Если тело покоится или движется равномерно прямолинейно, т.е. ускорение тела равно нулю, вес тела равен силе тяжести.

    По второму закону Ньютона:

       

    или в проекции на ось :

       

    откуда

       

    По третьему закону Ньютона:

       

  2. Если тело движется с ускорением, направленным вертикально вверх, вес тела увеличивается. Такое состояние тела называется перегрузкой.

    По второму закону Ньютона:

       

    или в проекции на ось :

       

    откуда

       

    По третьему закону Ньютона:

       

    Перегрузки испытывают космонавты при взлете и на участках торможения космического корабля, летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, пассажиры лифта при разгоне или торможении лифта и т.д.

  3. Если тело движется с ускорением, направленным вертикально вниз, вес тела уменьшается.

    По второму закону Ньютона:

       

    или в проекции на ось :

       

    откуда

       

    По третьему закону Ньютона:

       

  4. Если ускорение тела в этом случае будет равно ускорению свободного падения, вес тела равен нулю, т.е. тело будет находиться в состоянии невесомости.

    Поскольку вес покоящегося тела равен силе тяжести, часто считают, что вес и сила тяжести – это одна и та же сила. Однако это неверно. Во-первых, вес и сила тяжести приложены к разным телам: сила тяжести приложена к телу, а вес – к опоре или подвесу. Во-вторых, вес и сила тяжести имеют различную физическую природу: вес, как правило, является силой упругости, а сила тяжести – это сила гравитационного взаимодействия. Наконец, как было показано выше, вес тела изменяется с изменением ускорения и может быть равен нулю, когда сила тяжести нулю не равна.

    Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

ru.solverbook.com

7. Сила тяжести. Вес тела. Перегрузки. Невесомость

Силу, с которой тело притягивается к Земле под действием поля тяготения Земли, называют силой тяжести. По закону всемирного тяготения на поверхности Земли (или вблизи этой поверхности) на тело массой m действует сила тяжести

,

где М – масса Земли; R – радиус Земли.

Если на тело действует только сила тяжести, то оно совершает свободное падение. Модуль ускорения свободного падения g находят по формуле

.

Из данной формулы следует, что ускорение свободного падения не зависит от массы m падающего тела, т.е. для всех тел в данном месте Земли оно одинаково.

Модуль силы тяжести можно определить по формуле . Эта сила имеет гравитационную природу. Вектор силы тяжести приложен к центру тяжести тела.

Из закона всемирного тяготения следует, что сила тяжести и вызываемое ею ускорение свободного падения уменьшаются при увеличении расстояния от Земли. На высоте от поверхности Земли модуль ускорения свободного падения определяют по формуле

.

Силу, с которой вследствие притяжения к Земле тело действует на свою опору или подвес, называют весом тела.

Вес тела является упругой силой, приложенной к опоре или подвесу (т.е. к связи).

Если тело покоится или движется прямолинейно и равномерно, то его вес равен силе тяжести, т.е. .

Если тело движется ускоренно, то его вес зависит от этого ускорения и его направления относительно направления вектора ускорения свободного падения.

Если тело движется с ускорением а, направленным вертикально вверх, то его вес Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называютперегрузкой.

Если тело движется с ускорением а, направленным вертикально вниз (т.е. совпадающим с направлением ускорения свободного падения), то его вес уменьшается. В этом случае он определяется по формуле

При свободном падении . Следовательно, в данном случае, т.е вес отсутствует. Если тело движется только под действием силы тяжести (свободно падает), то оно находится всостоянии невесомости. Характерным признаком этого состояния является отсутствие у свободно падающих тел деформаций и внутренних напряжений. Причина невесомости тел заключается в том, что сила тяжести сообщает свободно падающему телу и его опоре (или подвесу) одинаковые ускорения.

8. Импульс тела. Импульс силы. Закон сохранения импульса

Уравнение второго закона Ньютона можно представить в виде , или.

Внеся под знак дифференциала, получим.

Векторную величину, равную произведению массы тела на его скорость, называют импульсом тела. Таким образом, импульс тела определяется по формуле . Следовательно,, т.е. производная импульса материальной точки по времени равна равнодействующей всех сил, приложенных к точке.

Последнюю формулу можно представить в виде .

Приращение импульса за время равно

=.

При =. Величину, равную произведению силы на время её действия, называют импульсом силы.

Изменение импульса тела за время равно импульсу силы, действующей на тело в течение этого времени.

Рассмотрим систему, состоящую из N материальных точек (систему тел).

Силы, с которыми на данное тело действуют остальные тела системы, называют внутренними.

Силы, обусловленные воздействием тел, не принадлежащих системе, называют внешними.

В случае отсутствия внешних сил систему называют замкнутой.

Импульсом системы называют векторную сумму импульсов тел, образующих систему

.

Группу тел, взаимодействующих не только между собой, но и с телами, не входящими в состав этой группы, называют незамкнутой системой. Силы, с которыми на тела данной системы действуют тела, не входящие в эту систему, называю внешними (обычно внешние силы обозначают буквой , а внутренние силы – буквой.

Рассмотрим взаимодействие двух тел в незамкнутой системе. Изменение импульсов данных тел происходит как под действием внутренних сил, так и под действием внешних сил.

Согласно второму закону Ньютона, изменения импульсов рассматриваемых тел у первого и второго тел составляют

где t – время действия внешних и внутренних сил. Почленно сложив данные выражения, получим .

В этой формуле - полный импульс системы,

(согласно третьему закону Ньютона), - равнодействующая всех внешних сил, действующих на тела данной системы. С учетом вышеизложенного получаем формулу, из которой следует, чтополный импульс системы изменяется только под действием внешних сил. Если же система замкнутая, т.е. , тои, следовательно,.

Закон сохранения импульса для замкнутой системы тел формулируется следующим образом: импульс замкнутой системы тел остается постоянным при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

На законе сохранения импульса основано реактивное движение.

studfiles.net

Перегрузки и невесомость

«...Взгляд мой остановился на часах. Стрелки показывали 9 часов 7 минут по московскому времени. Я услышал свист и все нарастающий гул, почувствовал, как гигантская ракета задрожала всем своим корпусом и медленно, очень медленно оторвалась от стартового устройства... Могучие Двигатели ракеты создавали музыку будущего, наверное, еще более волнующую и прекрасную, чем величайшие творения прошлого...» Так описывал свой старт в космос 12 апреля 1961 г. первый космонавт Юрий Алексеевич Гагарин (1934—1968).

Что же должен чувствовать человек, находящийся на борту космического корабля?

После включения ракетного двигателя, когда ракета-носитель начинает разгоняться, на человека массой m в космическом корабле будут действовать две силы: сила тяжести mg и сила реакции опоры N. Так как ускорение ракеты a направлено вверх, то преобладающей оказывается сила реакции опоры: N > mg. Их равнодействующая F = N – mg по второму закону Ньютона равна произведению массы на ускорение:

N – mg = ma,

откуда

N = mg + ma.

Вес космонавта Р по третьему закону Ньютона равен по величине силе реакции N, поэтому

P = mg + ma = m(g + a).

До старта ракеты вес космонавта был равен силе тяжести mg. Теперь, как это видно из последнего равенства, его вес увеличился, превысив силу тяжести на величину ma. Состояние тела, при котором его вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой.

«Я почувствовал,— вспоминал Гагарин,— какая-то непреоборимая сила все больше и больше вдавливает меня в кресло. И хотя оно было расположено так, чтобы до предела сократить влияние огромной тяжести, наваливающейся на мое тело, было трудно пошевелить рукой и ногой...»

При перегрузке не только все тело начинает давить сильнее на опору, но и отдельные части этого тела начинают сильнее давить друг на друга. У человека в состоянии перегрузки затрудняется дыхание, ухудшается сердечная деятельность, происходит перераспределение крови, ее прилив или отлив к голове и т. д. Поэтому переносить значительные перегрузки могут только хорошо тренированные люди.

Количественно перегрузку характеризуют отношением a/g, которое обозначают буквой n и называют коэффициентом перегрузки. При n-кратной перегрузке, т е. когда a = ng, вес человека (и любого другого тела) увеличивается в (1 + n) раз.

Чем меньше время действия перегрузки, тем большую перегрузку способен выдержать человек. Так, установлено, что человек, находясь в вертикальном положении, достаточно хорошо переносит перегрузки от 8g за 3 с до 5g за 12–15 с. При мгновенном действии, когда они длятся менее 0,1 с, человек способен переносить двадцатикратные и даже большие перегрузки.

После выключения двигателей, когда космический корабль выходит на орбиту вокруг Земли, его ускорение, как мы знаем, становится равным ускорению свободного падения: a = g. Точно такое же ускорение будет и у космонавта, находящегося внутри корабля. Это ускорение направлено вниз, к центру Земли, и поэтому теперь из двух сил N и mg, действующих на космонавта, преобладающей оказывается сила тяжести. Их равнодействующая F = mg – N по второму закону Ньютона равна произведению массы на ускорение космонавта, т.е. mg. Поэтому

mg – N = mg,

откуда

N = 0.

Это означает, что опора никак не реагирует на присутствие космонавта. По третьему закону Ньютона такое возможно лишь в том случае, если и сам космонавт не оказывает никакого действия на свою опору, т. е. его вес равен нулю.

Состояние тела, при котором его вес равен нулю, называется невесомостью.

Следует помнить, что невесомость означает отсутствие веса, а не массы. Масса тела, находящегося в состоянии невесомости, остается такой же, какой и была.

В состоянии невесомости все тела и их отдельные части перестают давить друг на друга. Космонавт при этом перестает ощущать собственную тяжесть; предмет, выпущенный из его пальцев, никуда не падает; маятник замирает в отклоненном положении; исчезает различие между полом и потолком. Все эти явления объясняются тем, что гравитационное поле сообщает всем телам в космическом корабле одно и то же ускорение. Именно поэтому выпущенный космонавтом предмет (без сообщения ему скорости) никуда не падает: ведь он не может ни «догнать» какую-нибудь стенку кабины, ни «отстать» от нее; все они — и предметы и стены — движутся с одинаковым ускорением.

Наряду с этим невесомость в условиях орбитального полета играет роль специфического раздражителя, действующего на организм человека. Она оказывает существенное влияние на многие его функции: слабеют мышцы и кости, организм обезвоживается и т. д. Однако все эта изменения, вызванные невесомостью, обратимы. С помощью лечебной физкультуры, а также лекарственных препаратов нормальные функции организма могут быть снова восстановлены.

В состоянии невесомости может находиться не только космонавт в орбитальной космической станции, но и любое свободно падающее (без вращения) тело. Чтобы испытать это состояние, достаточно совершить простой прыжок: между моментом отрыва от Земли и моментом приземления вы будете невесомы!

Готовя космонавтов к космическому полету, состояние невесомости моделируют в специальных самолетах-лабораториях. Для воспроизведения на самолете состояния невесомости надо перевести самолет в режим набора высоты по параболической траектории с ускорением, равным ускорению свободного падения. Пока самолет будет двигаться по восходящей, а затем по нисходящей части параболы, пассажиры в нем будут невесомы.

??? 1. Что такое перегрузка? Когда она наступает? 2. Что называют коэффициентом перегрузки? 3. Во сколько раз увеличивается вес тела при n-кратной перегрузке? Почему? 4. Какие силы действуют на космонавта в стартующей ракете? Как они направлены? Какая из них больше? Сделайте соответствующий рисунок. 5. Что такое невесомость? Когда она возникает? 6. Как невесомость влияет на организм человека?

phscs.ru

ПЕРЕГРУЗКИ

Вот помещение круглой формы с рядами окон, расположенными в верхней части стены. Здесь находится уже известная нам центрифуга. Научный сотрудник усаживает в кресло центрифуги человека, тщательно проверяет крепления специальных датчиков, которые воспринимают и передают на приборы, записывающие биопотенциалы коры головного мозга (электроэнцефалограмму), сердечной мышцы (электрокардиограмму), некоторых скелетных мышц (электромиограмму), проверяет правильность регистрации кровяного давления, дыхания и т.д., инженеры еще раз просматривают, все ли в порядке в сложной регистрирующей аппаратуре. Подается команда. Вращение начинается. Что чувствует человек, находящийся в кресле? Какие изменения физиологических процессов зарегистрируют чуткие приборы? Уже при перегрузках в 2 g вес тела человека заметно возрастает. При увеличении перегрузок до 3—4 g это ощущение заметно усиливается; неодолимая сила клонит голову вниз, вдавливает ее в плечи. Производить какие-либо движения удается лишь с трудом. В дальнейшем при нарастании ускорений появляется особое тянущее ощущение в груди. Ступни и голени кажутся увеличенными в объеме, иногда появляются судороги икроножных мышц. Кровь отливает от головы, зрение ухудшается. Если ускорение продолжает нарастать, то наступает потеря сознания. Что же видно на лентах регистрирующих приборов? Кривая записи дыхания показывает сначала его учащение, потом оно становится неправильным (продолжительный, медленный и затрудненный вдох, быстрый, форсированный выдох). Часто видны длительные задержки дыхательных движений на середине вдоха. Кровяное давление в верхней части тела падает, а в сосудах, расположенных ниже уровня сердца, повышается. Амплитуда зубцов электрокардиограммы снижается. Падает насыщение крови кислородом. Соответствующие изменения видны и на электроэнцефалограмме. Все указанные выше явления развиваются только в том случае, если действие перегрузок продолжается относительно большое время и если они направлены от головы к ногам. То, как человек переносит ускорения, прямо зависит от их величины, длительности и направления по отношению к оси тела. Большую роль также играют индивидуальные особенности организма. Различают так называемые продольные перегрузки (действующие в направлении от головы к ногам и от ног к голове) и поперечные, действие которых направлено перпендикулярно к вертикальной оси тела (от груди к спине, слева направо и наоборот). Когда организм человека испытывает перегрузки в направлении голова — ноги, под влиянием механических сил смещаются органы, расположенные в полостях тел а (печень, сердце и др.). В результате могут появиться временные нарушения функции этих органов. Если перегрузки действуют в обратном направлении (от ног к голове), то расположенные в брюшной полости органы в силу инерции прижимаются к диафрагме, что приводит к затруднению дыхания и сердечной деятельности, Из жидких сред организма кровь более всего смещается под влиянием ускорений, так как, протекая по крупным сосудам, она представляет собой большой столб жидкости. Силы ускорения вызывают перераспределение крови, ее прилив к голове или отлив в зависимости от направления действия инерционных сил. Последовательность явлений, развивающихся в кровеносной системе, когда действуют перегрузки, направленные от головы к ногам, будет примерно следующая (при этом кровь накапливается в нижней части тела, преимущественно в брюшной полости, ногах). Приток крови к сердцу снизу, по венам будет затруднен, а отток от головы облегчен. Уменьшится количество крови, выталкиваемой сердцем. Следствием всего этого явится значительное падение давления крови внутри черепа с последующей анемией (малокровием) мозга. Ухудшится кровоснабжение жизненно важных центров головного мозга, следовательно, они будут испытывать недостаток кислорода (гипоксию). Особенно чувствительна к гипоксии сетчатка глаза. Поэтому, когда падает давление крови в этих местах, зрение быстро нарушается, появляется так называемая «черная пелена» (темнеет в глазах). Если падение давления будет продолжаться, то может наступить потеря Сознания. Наиболее ранний внешний признак нарушения деятельности головного мозга — изменение биоэлектрической активности мозга (электроэнцефалограммы) и появление зрительных расстройств. Если при действии центробежных сил производится запись электроэнцефалограммы, а это всегда делают в опытах на центрифуге, то еще до появления нарушений зрения экспериментатор видит приближающуюся угрозу и может своевременно прекратить вращение. Силы, действующие в противоположном направлении — от ног к голове — вызывают обратные изменения в кровоснабжении головного мозга. При этом кровь притекает к голове, давление в сосудах мозга повышается, возможны кровоизлияния в сетчатку глаза. Интересно, что при действии таких ускорений все предметы кажутся окрашенными в красный цвет. Это явление известно под названием «красная пелена». Длительность действия ускорения также играет первостепенную роль. Кратковременные перегрузки, продолжающиеся доли секунды, переносятся значительно лучше, и это понятно, ибо за такой короткий промежуток времени значительного перемещения крови наступить не может, так как для преодоления ее инерции надо известное время. Если же перегрузки действуют значительное время, они вызывают отчетливые изменения даже при меньшей их величине. Большую перегрузку организм может вынести только в том случае, если она продолжается какие-то доли секунды. И наоборот: длительная перегрузка удовлетворительно переносится, если сравнительно невелика. По мере возрастания величины перегрузки, направленной от ног к голове (или длительности ее действия), кровь все сильнее приливает к лицу, появляется пульсирующая головная боль («мозг как будто разрывается»). Ощущение такое, будто глаза выпирают из орбит, под веками чувствуется песок; при этом все предметы кажутся окрашенными в красный цвет. При значительной величине ускорения сознание затуманивается. Как выглядит человек, испытывающий действие подобной перегрузки? Красное, налитое кровью, одутловатое лицо с выступающими на носу и щеках кровеносными сосудами, набухшие веки, слезящиеся глаза. Анализ электрокардиограммы показал бы значительные ее изменения. Частота сердечных сокращений уменьшена (брадикардия), кровяное давление в сонной артерии повышено. Перегрузки, действующие в направлении от груди к спине и наоборот, переносятся значительно легче, чем продольные. Это понятно, ибо их влияние на систему кровообращения невелико, так как у человека нет значительных кровеносных сосудов, направленных в поперечной плоскости, следовательно, при действии ускорений не будет иметь место перераспределение крови. Правда, и в этом случае наступает ряд неприятных явлений, но при значительно больших величинах перегрузки. При действии перегрузки в направлении грудь — спина наступает затруднение вдоха вследствие сжатия грудной и брюшной полости. Появляются боли в подложечной области и за грудиной. Пульс учащается, но умеренно; кровяное давление повышается. На активном участке полета космического корабля (взлет) и при торможении в плотных слоях атмосферы (спуск на Землю) на космонавта действуют довольно значительные перегрузки. Кресло пилота в кабине корабля должно быть расположено так, чтобы перегрузки действовали на космонавта преимущественно в направлении грудь — спина (спина — грудь) или слева направо (справа налево). В этом случае без вреда для организма переносятся значительно большие ускорения. Но и при этом направлении действия перегрузок наблюдаются довольно большие индивидуальные различия в переносимости ускорений. Поэтому перед полетом необходимо многократно испытать устойчивость космонавтов к тем ускорениям, которые ожидаются в полете. Таким образом, одним из видов подготовки космонавтов, очевидно, можно считать испытания на центрифуге при действии перегрузок, близких по длительности, величине и направлению к тем, которые ожидаются в реальном полете. Можно ли защитить человека от действия увеличенной силы тяжести, повысить его устойчивость к перегрузкам? Такие способы есть, и их несколько. Прежде всего, это тренировка. Повторное воздействие перегрузок на центрифуге или в полете на самолете способствует повышению устойчивости к действию ускорений. Занятия физкультурой с применением специальных комплексов упражнений также приведут к цели. Кроме того, существуют, если можно так выразиться, технические пути повышения переносимости перегрузок. Они основаны на разработке специальных средств, которые помогают организму бороться с описанными выше нарушениями, тем самым, улучшая состояние человека при действии повышенной гравитации. К таким средствам относится так называемый противоперегрузочный костюм. В подкладку этого костюма вмонтированы резиновые надувные камеры. При действии ускорений в них автоматически подается сжатый воздух, создавая тем большее давление, чем больше перегрузка (сделать это позволяют специальные клапаны, пропускающие воздух). Обжимая тело, костюм препятствует смещению крови. В результате этого устойчивость к перегрузкам значительно повышается (на 1,5—2 g). Пытаются использовать и другой принцип. По-видимому, наиболее эффективным окажется способ, предложенный еще К.Э. Циолковским. Сущность этого способа наглядно была продемонстрирована им в следующем опыте. Опустив яйцо в кружку с соленой водой (плотность воды была такова, что яйцо находилось во взвешенном состоянии), К.Э. Циолковский прикрыл кружку рукой, и с силой ударил ею о стол. Яйцо не разбилось. Значит, жидкость предохранила яйцо от действия ударной перегрузки. Идея защиты от действия перегрузок при помощи жидкости соответствующей плотности экспериментально проверялась рядом ученых, как отечественных, так и зарубежных. Все они указывают на большую перспективность этого метода. Казалось, что проблема близка к решению. Однако имеется еще много неясных вопросов. Например, следует учитывать, что ткани тела человека имеют не одинаковую плотность, более тяжелые под влиянием ускорений все равно будут смещаться, больше даже, если все тело погружено в жидкость, поэтому абсолютной защиты такой способ не дает, хотя повышение переносимости перегрузок, безусловно, будет. Кроме того, погружение в жидкость связано со многими неудобствами. Самым радикальным решением вопроса является снижение величины перегрузок. Они должны быть по величине вполне переносимыми организмом без какой-либо дополнительной защиты. Нужно думать, что и эту задачу наши замечательные инженеры решат, как решили многие другие не менее сложные проблемы.

Далее…

astronaut.ru


Смотрите также