Перегрузка — физика

Во время старта космического корабля космонавты испытывают перегрузок. Этот термин означает, что вес космонавта по модулю становится больше силу тяжести. Выясним, почему это происходит.

После включения ракетного двигателя, когда ракета начинает разгоняться, ее движение и движение космонавта осуществляются с ускорением, направленным вертикально вверх. При этом вес космонавта будет больше силу тяготения:

P = m (g + a)> mg.

^ Отношение силы, с которой тело давит на опору в случае ускоренного движения вверх, к его весу в инерциальной системе отсчета называют перегрузкой. Когда вес тела больше силы тяжести, говорят, что тело испытывает перегрузки. Перегрузка испытывают пассажиры лифтов, космонавты при взлете на ракете в космос, летчики при выходе из пикирования и т.д.. Вследствие перегрузки увеличивается не только вес человека в целом, но и каждого ее органа. Здоровый человек может без вреда для своего здоровья выдерживать кратковременные трехкратные перегрузки, т.е. увеличение веса втрое. Космонавтам же во время старта и посадки космического корабля приходится выдерживать многократные перегрузки.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. При каких условиях вес тела равен по модулю силе тяжести, действующей на это тело?

2. Ли вес гиря, висит на нитке? Чему равна вес, если нить перерезать?

3. Ли вес у дерева, растущего во дворе?

4. Камень бросили вертикально вверх. В какие моменты полета он находится в состоянии невесомости, если можно пренебречь сопротивлением воздуха? Изменится ответ, если камень бросить под углом к горизонту?

5. Почему необходимо учитывать перегрузки?

6. Что общего в падении тел на Землю, вращении Луны вокруг Земли, приливах и отливах?

Закрепление изученного материала

1. Тренируемся решать задачи

1. В лифте установили динамометр, на котором подвесили тело массой 1 кг. Что покажет динамометр, если:

а) лифт движется равномерно;

б) лифт поднимается вверх с ускорением 5 м/с2;

в) лифт опускается вниз с ускорением 5 м/с2?

2. Самолет делает «мертвую петлю», описывая в вертикальной плоскости окружность радиусом 250 м. Во сколько раз вес летчика в нижней части траектории больше силы тяжести, если скорость самолета — 100 м / с?

3. Ученик утверждает, что вес человека, находящегося в лифте, обязательно увеличивается, когда лифт движется вверх, и уменьшается, когда лифт движется вниз. Согласны ли вы с этим утверждением? Решение

Утверждение неверно: вес зависит не от скорости лифта, а от его ускорения.

4. Космический корабль сразу же после старта движется вертикально вверх с ускорением 40 м/с2. С какой силой космонавт массой 70 кг давит на кресло кабины? Чему равна в этом случае коэффициент перегрузки?

2. Контрольные вопросы

1. Приведите примеры движений, когда вес тела равен силе тяжести, действующей на это тело.

2. Приведите примеры движений, при которых вес тела меньше силу тяжести, действующая на него (больше силы тяжести, действующей на него).

3. Или исчезает сила притяжения тела к Земле во время перехода тела в состояние невесомости?

4. Когда возникают перегрузки?

5. Зависит вес тела от его местонахождения?

worldofscience.ru

Перегрузки и невесомость | Физика

«…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 и их действие на человека в разных условиях

При взлете обычного авиалайнера пассажиры в салоне испытывают перегрузку в 1,5 g. По международным нормам предельно допустимое значение перегрузок для гражданских самолетов составляет 2,5 g.

В момент раскрытия парашюта человек подвергается действию инерционных сил, вызывающих перегрузку, достигающую 4 g. При этом показатель перегрузки зависит от воздушной скорости. Для военных парашютистов он может составлять от 4,3 g при скорости 195 километров в час до 6,8 g при скорости 275 километров в час.

Реакция на перегрузки зависит от их величины, скорости нарастания и исходного состояния организма. Поэтому могут возникать как незначительные функциональные сдвиги (ощущение тяжести в теле, затруднение движений и т.п.), так и очень тяжелые состояния. К ним относятся полная потеря зрения, расстройство функций сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной систем, а также потеря сознания и возникновение выраженных морфологических изменений в тканях.

С целью повышения устойчивости организма летчиков к ускорениям в полете применяют противоперегрузочные и высотно-компенсирующие костюмы, которые при перегрузках создают давление на область брюшной стенки и нижние конечности, что приводит к задержке оттока крови в нижнюю половину тела и улучшает кровоснабжение головного мозга.

Для повышения устойчивости к ускорениям проводятся тренировки на центрифуге, закаливание организма, дыхание кислородом под повышенным давлением.

При катапультировании, грубой посадке самолета или приземлении на парашюте возникают значительные по величине перегрузки, которые могут также вызвать органические изменения во внутренних органах и позвоночнике. Для повышения устойчивости к ним используются специальные кресла, имеющие углубленные заголовники, и фиксирующие тело ремнями, ограничителями смещения конечностей.

Перегрузкой также является проявление силы тяжести на борту космического судна. Если в земных условиях характеристикой силы тяжести является ускорение свободного падения тел, то на борту космического корабля в число характеристик перегрузки также входит ускорение свободного падения, равное по величине реактивному ускорению по противоположному ему направлению. Отношение этой величины к величине называется «коэффициентом перегрузки» или «перегрузкой».

На участке разгона ракеты-носителя перегрузка определяется равнодействующей негравитационных сил — силы тяги и силы аэродинамического сопротивления, которая состоит из силы лобового сопротивления, направленной противоположно скорости, и перпендикулярной к ней подъемной силы. Эта равнодействующая создает негравитационное ускорение, которое определяет перегрузку.

Ее коэффициент на участке разгона составляет несколько единиц.

Если космическая ракета в условиях Земли будет двигаться с ускорением под действием двигателей или испытывая сопротивление среды, то произойдет увеличение давления на опору из-за чего возникнет перегрузка. Если движение будет происходить с выключенными двигателями в пустоте, то давление на опору исчезнет и наступит состояние невесомости.

При старте космического корабля на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g. По статистике, космонавты редко испытывают перегрузки, превышающие 4 g.

Способность переносить перегрузки зависит от температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания космонавта в условиях невесомости до начала ускорения и т.д. Существуют и другие более сложные или менее уловимые факторы, влияние которых еще не до конца выяснено.

Под действием ускорения, превышающего 1 g, у космонавта могут появиться нарушения зрения. При ускорении 3 g в вертикальном направлении, которое длится более трех секунд, могут возникнуть серьезные нарушения периферического зрения. Поэтому в отсеках космического корабля необходимо увеличивать уровень освещенности.

При продольном ускорении у космонавта возникают зрительные иллюзии. Ему кажется, что предмет, на который он смотрит, смещается в направлении результирующего вектора ускорения и силы тяжести. При угловых ускорениях возникает кажущееся перемещение объекта зрения в плоскости вращения. Эта иллюзия называется окологиральной и является следствием воздействия перегрузок на органы внутреннего уха.

Многочисленные экспериментальные исследования, которые были начаты еще ученым Константином Циолковским, показали, что физиологическое воздействие перегрузки зависит не только от ее продолжительности, но и от положения тела. При вертикальном положении человека значительная часть крови смещается в нижнюю половину тела, что приводит к нарушению кровоснабжения головного мозга. Из-за увеличения своего веса внутренние органы смещаются вниз и вызывают сильное натяжение связок.

Чтобы ослабить действие высоких ускорений, космонавта помещают в космическом корабле таким образом, чтобы перегрузки были направлены по горизонтальной оси, от спины к груди. Такое положение обеспечивает эффективное кровоснабжение головного мозга космонавта при ускорениях до 10 g, а кратковременно даже до 25 g.

При возвращении космического корабля на Землю, когда он входит в плотные слои атмосферы, космонавт испытывает перегрузки торможения, то есть отрицательного ускорения. По интегральной величине торможение соответствует ускорению при старте.

Космический корабль, входящий в плотные слои атмосферы, ориентируют так, чтобы перегрузки торможения имели горизонтальное направление. Таким образом, их воздействие на космонавта сводится к минимуму, как и во время запуска корабля.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

ria.ru

Вес тела в физике. Невесомость и перегрузка

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:

      

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

Сообщение «Перегрузка и невесомость» (9 класс)

Перегрузка и невесомость

Я почувствовал: какая то непреодолимая 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 …

Ю. А. Гагарин о перегрузке

12 апреля 1961 г. состоялся первый полет человека в космос. Начало полета Ю.А.Гагарин описывает так: «…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…» .

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 эти 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.

В периоды воздействия больших перегрузок ( на старте корабля и при его торможении) большинство операций, связанных с управлением кораблем, должно быть автоматизировано.

infourok.ru

1.3. Перегрузки и невесомость

В обычных условиях на животное действуют сила тяжести и сила реакции опоры. При отсутствии ускорения эти силы равны и противоположено направлены. Такое состояние естественно.

При ускоренном движении системы могут возникнуть особые состояния, называемые перегрузками и невесомостью.

Рисунок 1.

Рассмотрим некоторые примеры.

Пусть человек находится в кабине лифта (в ракете), который поднимается вверх с ускорением а (рисунок 1а). На человека действует сила тяжести mg и сила реакции опоры N. По второму закону Ньютона

или в скалярной форме с учетом направления сил

В этом случае сила реакции опоры больше силы тяжести, и возникают перегрузки. Перегрузка выражается отношением

Перегрузки могут оказывать существенное влияние на организм, так как в этих состояниях происходит отток крови, изменяется взаимное давление внутренних органов друг на друга, возникает их деформация и т.п. Поэтому животные способны выдерживать лишь ограниченные перегрузки.

Если лифт (или космический корабль) ускоренно движется вниз (рис.1б) или замедленно вверх, то

или .

Как видно, сила реакции опоры меньше чем сила тяжести. Если а=g, то N=0 – состояние невесомости. Это такое состояние, при котором действующие на систему внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц системы друг на друга.

Для биологических объектов невесомость – необычное состояние, хотя в обыденной жизни встречается кратковременные периоды частичной невесомости: прыжки, качели, начало движения вниз скоростного лифта и т.п.

Отсутствие действия опоры при невесомости приводит к общей детренированности организма и связанному с этим снижению работоспособности. При этом уменьшается мышечная масса, происходит деминерализация костной ткани, кров равномерно распределяется в организме, это означает, что верхняя часть тела переполнена кровью по сравнению с обычным состоянием, ощущается тяжесть в голове, появляется отечность лица.

1.4. Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации

Удобным индикатором ускорения является устройство, изображенное на рисунке 2, — тело известной массы укреплено на шести пружинах. По деформации пружин можно определить значение и направление силы действующей на тело, а отсюда и ускорение системы, если учесть ускорение свободного падения. Такого рода индикаторы используются в инерциальной навигации, получившей развитие в связи с решением космических задач. Соответствующие устройства называются инерциальными системами ориентации.

Рисунок 2. Рисунок 3.

В человеческом организме имеется орган, который тоже, по существу, является инерциальной системой ориентации – это вестибулярный аппарат. Он расположен во внутреннем ухе и состоит из трех взаимно перпендикулярных полукружных каналов К и полости преддверия В (рис.3). На внутренней поверхности стенок преддверия и в части полукружных каналов находятся группы чувствительных нервных клеток, имеющих свободные окончания в форме волосков. Внутри преддверия и полукружных каналов ест студенистая масса (эндолимфа), содержащая мелкие кристаллы фосфорнокислого и углекислого кальция (отолиты). Ускоренное перемещение головы вызывает перемещение эндолимфы и отолитов, что воспринимается нервными клетками (через волоски). Вестибулярный аппарат, как и любая другая физическая система, не отличает гравитационное воздействие от воздействий, возникающих при ускоренном движении системы.

studfile.net

Сила тяжести. Вес, невесомость, перегрузки

Вы уже знакомы с понятием силы тяжести — это сила, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности (или вблизи этой поверхности). Именно под действием силы тяжести, тела могут находиться в свободном падении. Находясь в свободном падении можно ясно ощутить состояние невесомости, то есть, отсутствие веса. Рассмотрим эти явления более подробно.

Еще в седьмом классе вы познакомились с весом тела. Вес тела — это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или растягивает подвес. Надо сказать, что вес — это частный случай силы упругости. Рассмотрим простой пример. В помещении вы видите сидящего человека, горшки с растениями, часы, висящие на стене и так далее. На все эти тела, несомненно, действует сила тяжести.

Несмотря на это, все тела находятся в состоянии покоя. Дело в том, что опора, по третьему закону Ньютона, действует, например, на горшок, с той же силой, что и горшок давит на неё. Эта сила называется реакцией опоры. Итак, мы выяснили что, исходя из третьего закона Ньютона, реакция опоры равна по модулю весу тела. Поскольку тело покоится, равнодействующая сила равна нулю. Следовательно, реакция опоры должна уравновешивать силу тяжести (в противном случае, тело бы падало по направлению к центру Земли).

Таким образом, если тело покоится на горизонтальной поверхности, или двигается равномерно и прямолинейно, то вес тела равен силе тяжести.

А теперь, давайте рассмотрим, что произойдет, если опора будет двигаться с ускорением. Классический пример подобной ситуации — это движение лифта. При начальном движении лифта вверх, ускорение, конечно, направлено вверх.

Применим второй закон Ньютона:

 

Из этого уравнения, мы видим, что вес тела увеличивается при ускоренном движении опоры вверх. Это явление называется перегрузкой. Действительно, при рывке лифта вверх, мы чувствуем некое давление.

Нетрудно догадаться, что при ускоренном движении вниз, происходит противоположное явление: вес тела уменьшается.

В этом можно убедиться, если вновь применить второй закон Ньютона:

Как видно, из уравнения, при движении вниз с ускорением свободного падения, вес тела обратится в ноль:

Это явление называется невесомостью. И правда, при рывке лифта вниз, мы ощущаем некую легкость.

Так, космонавты, находящиеся на космической станции, испытывают состояние невесомости. Они, фактически находятся в свободном падении, но падают, как бы, вокруг Земли. Дело, конечно, в их орбитальной скорости, достаточной для того, чтобы находиться на околоземной орбите.

Приведем пару примеров. Допустим, вы поставите стакан с водой на поднос. Очевидно, что стакан будет действовать на поднос с силой: F_т = mg. Но, как вы знаете, если вы отпустите поднос, то и стакан, и поднос будут находиться в свободном падении.

При этом, стакан не будет оказывать никакого воздействия на поднос, то есть не будет обладать весом. Точно также, мотоциклист, едущий с постоянной скоростью, будет действовать на сиденье мотоцикла силой тяжести. Но после прыжка на трамплине, и мотоциклист, и мотоцикл будут находиться в свободном падении.

Таким образом, вес мотоциклиста будет равен нулю, до тех пор, пока он не приземлится.

Примером перегрузки может быть выход пилота из пике.

В нижней точке, его центростремительное ускорение будет направлено вверх, что приведет увеличению веса пилота. Пилоты истребителей испытывают перегрузки до 30g. Перегрузки часто измеряются в единицах измерения g. То есть, например, перегрузка 5g означает, что вес пилота увеличился в 6 раз (в состоянии покоя наша перегрузка равна g). Иногда перегрузку обозначают буквой n, и она является безразмерной величиной, равной отношению ускорения движения к ускорению свободного падения.

Таким образом, вес тела при перегрузках можно вычислить по формуле: .

Для примера вычислим перегрузку, которую испытывает пилот в нижней точке пике в вертикальной плоскости, если радиус кривизны траектории полёта равен 400 м, а скорость самолёта равна 1080 км/ч.

videouroki.net