Позитивне навантаження. Перевантаження, їх вплив на людину в різних умовах

У цій статті репетитор з фізики та математики розповідає про те, як розрахувати перевантаження, яке зазнає тіло в момент розгону чи гальмування. Цей матеріал дуже погано розглядається у школі, тому школярі дуже часто не знають, як здійснювати розрахунок навантаження, А відповідні завдання зустрічаються на ЄДІ та ОДЕ з фізики. Так що дочитайте цю статтю до кінця або подивіться відеоурок, що додається. Знання, які ви отримаєте, знадобляться вам на іспиті.

Почнемо з визначень. Перевантаженнямназивається відношення ваги тіла до величини сили тяжіння, що діє це тіло біля поверхні землі. Вага тіла- Це сила, яка діє з боку тіла на опору або підвіс. Зверніть увагу, вага – це саме сила! Тому вимірюється вага у ньютонах, а не в кілограмах, як дехто вважає.

Таким чином, навантаження - це безрозмірна величина (ньютони діляться на ньютони, в результаті нічого не залишається). Однак іноді цю величину виражають у прискореннях вільного падіння. Кажуть, наприклад, що навантаження дорівнює , маючи на увазі, що вага тіла вдвічі більша за силу тяжкості.

Приклади розрахунку перевантаження

Покажемо, як здійснювати розрахунок навантаження на конкретні приклади. Почнемо з самих простих прикладіві перейдемо далі до складніших.

Очевидно, що людина, яка стоїть на землі, не має жодних перевантажень. Тому хочеться сказати, що його навантаження дорівнює нулю. Але не робитимемо поспішних висновків. Намалюємо сили, що діють на цю людину:

До людини прикладено дві сили: сила тяжіння, що притягує тіло до землі, і протидіє їй з боку земної поверхні сила реакції, спрямована вгору. Насправді якщо бути точним, то ця сила прикладена до підошв ніг людини. Але в даному конкретному випадку це не має значення, тому її можна відкласти від будь-якої точки тіла. На малюнку вона відкладена від центру мас людини.

Вага людини прикладена до опори (до поверхні землі), у відповідь відповідно до третього закону Ньютона з боку опори на людину діє рівна за величиною і протилежно спрямована сила. Значить для знаходження ваги тіла нам потрібно знайти величину сили реакції опори.

Оскільки людина стоїть на місці і не провалюється крізь землю, то сили, які на неї діють компенсовані. Тобто , і, відповідно, . Тобто розрахунок навантаження у цьому випадку дає наступний результат:

Запам'ятайте це! За відсутності перевантажень перевантаження дорівнює 1, а чи не 0. Як дивно це звучало.

Визначимо тепер, чому дорівнює перевантаження людини, яка перебуває у вільному падінні.

Якщо людина перебуває у стані вільного падіння, то на неї діє лише сила тяжіння, яка нічим не врівноважується. Сили реакції опори немає, як і ваги тіла. Людина перебуває у так званому стані невагомості. У цьому випадку навантаження дорівнює 0.

Космонавти знаходяться в горизонтальному положенніу ракеті під час її старту. Тільки так вони можуть витримати перевантаження, які вони відчувають, не втративши свідомості. Зобразимо це малюнку:

У цьому вся стані ними діє дві сили: сила реакції опори і сила тяжкості . Як і попередньому прикладі, модуль ваги космонавтів дорівнює величині сили реакції опори: . Відмінність полягатиме в тому, що сила реакції опори вже не дорівнює силі тяжіння, як минулого разу, оскільки ракета рухається вгору з прискоренням. З цим прискоренням синхронно з ракетою прискорюються і космонавти.

Тоді відповідно до 2-го закону Ньютона в проекції на вісь Y (див. малюнок), отримуємо наступне вираз: , звідки . Тобто шукане навантаження дорівнює:

Треба сказати, що це не найбільше навантаження, яке доводиться зазнавати космонавтів під час старту ракети. Перевантаження може сягати 7. Тривале вплив таких перевантажень на тіло людини неминуче призводить до смерті.

У нижній точці "мертвої петлі" на пілота діятимуть дві сили: вниз - сила, вгору, до центру "мертвої петлі" - сила (з боку крісла, в якому сидить пілот):

Туди ж буде направлено доцентрове прискорення пілота, де км/год м/с — швидкість літака, — радіус «мертвої петлі». Тоді знову відповідно до 2-го закону Ньютона в проекції на вісь, спрямовану вертикально вгору, отримуємо наступне рівняння:

Тоді вага дорівнює . Отже, розрахунок навантаження дає наступний результат:

Дуже суттєве навантаження. Рятує життя пілота тільки те, що діє воно не дуже довго.

Ну і насамкінець, розрахуємо перевантаження, яке відчуває водій автомобіля при розгоні.

Отже, кінцева швидкість автомобіля дорівнює км/год. м/с. Якщо автомобіль прискорюється до цієї швидкості зі стану спокою за c, його прискорення дорівнює м/с 2 .Автомобіль рухається горизонтально, отже, вертикальна складова сили реакції опори врівноважена силою тяжкості, тобто . У горизонтальному напрямкуводій пришвидшується разом із автомобілем. Отже, по 2-закону Ньютона в проекції на вісь, сонаправленную з прискоренням, горизонтальна складова сили реакції опори дорівнює .

Величину загальної сили реакції опори знайдемо за теоремою Піфагора: . Вона дорівнюватиме модулю ваги. Тобто шукане навантаження дорівнюватиме:

Сьогодні ми навчилися розраховувати навантаження. Запам'ятайте цей матеріал, він може стати в нагоді при вирішенні завдань з ЄДІ або ОГЕ з фізики, а також на різних вступних іспитівта олімпіадах.

Матеріал підготував, Сергій Валерійович

Літаки. Перевантаження - безрозмірна величина, однак часто одиниця перевантаження позначається так само, як прискорення вільного падіння, g. Перевантаження в одну одиницю (або 1g) означає прямолінійний політ, 0 - вільне падіння або невагомість. Якщо літак виконує віраж на постійній висоті з креном 60 градусів, його конструкція перевантажується в 2 одиниці.

Допустиме значення перевантажень для цивільних літаків становить 2,5. Звичайна людинаможе витримувати будь-які навантаження до 15G близько 3-5 сек без відключення, але великі навантаження від 20-30G і більше людина може витримувати без відключення не більше 1-2 сек і залежно від розміру навантаження, наприклад 50G=0.2 сек. Треновані пілоти в антиперевантажувальних костюмах можуть переносити навантаження від -3 ... -2 до +12. Опірність до негативних, спрямованих нагору перевантажень, значно нижча. Зазвичай при 7-8 G в очах червоніє і людина втрачає свідомість через приплив крові до голови.

Перевантаження – векторна величина, спрямована у бік зміни швидкості. Для живого організму це важливо. При перевантаженні органи людини прагнуть залишатися у колишньому стані (рівномірного прямолінійного руху чи спокою). При позитивному навантаженні (голова-ноги) кров йде від голови в ноги. Шлунок йде вниз. При негативній крові підступає в голову. Шлунок може вивернутися разом із вмістом. Коли в нерухому машину врізається інше авто - той, хто сидить, зазнає перевантаження спина-груди. Таке навантаження переноситься без особливих труднощів. Космонавти під час зльоту переносять перевантаження лежачи. У цьому положенні вектор спрямований груди-спина, що дозволяє витримати кілька хвилин. Протиперевантажувальних засобів космонавти не застосовують. Вони являють собою корсет з шлангами, що надуваються, надуваються від повітряної системи і утримують зовнішню поверхнютіла людини, трохи перешкоджаючи відтоку крові.

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Перевантаження (авіація)" в інших словниках:

Перевантаження: Перевантаження (авіація) відношення підйомної сили до ваги Перевантаження (техніка) в об'єктах, що прискорюються Перевантаження (шахи) шахова ситуація, коли фігури (фігура) не в змозі впоратися з поставленими завданнями. Перевантаження… … Вікіпедія

1) П. у центрі мас відношення n результуючої сили R (сума тяги та аеродинамічної сили, див Аеродинамічні сили та моменти) до твору маси літального апарату m на прискорення вільного падіння g: n = R/mg (при визначенні П. для… … Енциклопедія техніки

Найбільше nеymax і найменше nеymin допустимі за міцністю конструкції значення нормального навантаження ny. Значення Е. п. визначається на підставі Норм міцності для різних розрахункових випадків, наприклад, для маневру, польоту при бовтанці. По… … Енциклопедія техніки

Сила, прикладена до тіла, у системі одиниць СІ вимірюється в ньютонах (1 Н = 1 кг·м/с 2). У технічних дисциплінах нерідко як одиниця виміру сили традиційно використовують кілограм-силу (1 кгс, 1 кг) та аналогічні одиниці: грам-силу (1 гс, 1 Г), тонна-силу (1 транспорт, 1 Т). 1 кілограм-сила визначена як сила, що повідомляє тілу масою 1 кгнормальне прискорення, що дорівнює визначенню 9,80665 м/с 2(це прискорення приблизно дорівнює прискоренню вільного падіння). Таким чином, за другим законом Ньютона, кгс = 1 кг· 9,80665 м/с 2 = 9,80665 Н. Можна сказати також, що тіло масою 1 кг, що лежить на опорі, має вагу 1 кгсЧасто заради стислості кілограм-силу називають просто «кілограмом» (а тонна-силу, відповідно, «тонною»), що часом породжує плутанину у людей, які не звикли до використання різних одиниць.

Російська термінологія, що склалася в ракетобудуванні, традиційно використовує «кілограми» і «тонни» (точніше, кілограм-сили та тонна-сили) як одиниці тяги ракетних двигунів. Таким чином, коли говорять про ракетному двигуніз тягою 100 тонн, мають на увазі, що даний двигун розвиває тягу 10 5 кг· 9,80665 м/с 2$\approx$ 10 6 Н.

Часта помилка

Плутаючи ньютони та кілограм-сили, деякі вважають, що сила в 1 кілограм-силу повідомляє тілу масою 1 кілограм прискорення 1 м/с 2, Т. е. пишуть помилкову «рівність» 1 кгс / 1 кг = 1 м/с 2. Водночас очевидно, що насправді 1 кгс / 1 кг = 9,80665 Н / 1 кг = 9,80665 м/с 2— таким чином допускається помилка майже в 10 разів.

приклад

<…>Відповідно, сила яка тисне на частинки в межах середньозваженого радіусу дорівнюватиме: 0,74 Гс/мм 2 · 0,00024 = 0,00018 Гс/мм 2 або 0,18 мГс/мм 2 . Відповідно, на середню частинку з поперечним перерізом 0,01 мм 2 тисне сила в 0,0018 мГс.
Ця сила додасть частинці прискорення, що дорівнює її відношенню до маси середньої частки: 0,0018 мГс / 0,0014 мГ = 1,3 м/сек 2. <…>

(Виділення apollofacts.) Зрозуміло, сила величиною 0,0018 міліграм-сил повідомила б частинці масою 0,0014 міліграм прискорення майже в 10 разів більше за те, що нарахував Мухін: 0,0018 міліграм-сил / 0,0014 міліграм = 0,0018 мг· 9,81 м/с 2 / 0,0014 мг $\approx$ 13 м/сек 2 . (Можна помітити, що з виправленням однієї тільки цієї помилки нарахована Мухіним глибина кратера, який нібито мав би утворитися під місячним модулем при посадці, одразу впаде з 1,9 м, які вимагає Мухін, до 20 см; проте весь інший розрахунок настільки безглуздий, що ця поправка не здатна його виправити).

Вага тіла

За визначенням, вага тілає сила, з якою тіло тисне на опору чи підвіс. Вага тіла, що лежить на опорі чи підвісі (тобто неподіжного щодо Землі чи іншого небесного тіла) дорівнює

(1)

\begin(align) \mathbf(W) = m \cdot \mathbf(g), \end(align)

де $\mathbf(W)$ - вага тіла, $m$ - маса тіла, $\mathbf(g)$ - прискорення вільного падіння в даній точці. На поверхні Землі прискорення вільного падіння близьке до нормального прискорення (часто округленого до 9,81 м/с 2). Тіло масою 1 кгмає вагу $\approx$ 1 кг· 9,81 м/с 2$\approx$ 1 кгс. На поверхні Місяця прискорення вільного падіння приблизно в 6 разів менше, ніж у поверхні Землі (точніше, близько 1,62 м/с 2). Таким чином, на Місяці тіла приблизно у 6 разів легше, ніж на Землі.

Часта помилка

Плутають вагу тіла та його масу. Маса тіла не залежить від небесного тіла, вона постійна (якщо знехтувати релятивістськими ефектами) і завжди дорівнює одній і тій же величині - і на Землі, і на Місяці, і в невагомості

приклад

приклад

У газеті «Дуель», № 20, 2002 р. автор малює страждання, які мають зазнавати астронавти місячного модуля при посадці на Місяць, і наполягає на неможливості такої посадки:

Космонавти<…>зазнають тривалого навантаження, максимальне значення якого — 5. Перевантаження спрямоване вздовж хребта (найнебезпечніше навантаження). Запитайте у військових льотчиків, чи можна встояти у літаку протягом 8 хв. при п'ятикратному навантаженні та ще й керувати ним. Уявіть собі, що після трьох днів перебування у воді (три дні польоту до Місяця в невагомості) ви вибралися на сушу, вас помістили в Місячну кабіну, а ваша вага стала 400 кг (перевантаження 5), комбінезон на вас – 140 кг, а рюкзак за спиною - 250 кг. Щоб ви не впали, тримають вас тросом, прикріпленим до пояса, 8 хвилин, а потім ще 1,5 хв. (Жодних крісел, ложементів немає). Не підгинайте ноги, спирайтеся на підлокітники (руки мають бути на органах управління). Кров відлила від голови? Очі майже не бачать? Не вмирайте і не зомлійте<…>
вже зовсім погано змушувати космонавтів керувати посадкою в положенні «стоячи» при тривалому 5-кратному навантаженні — це просто НЕМОЖЛИВО.

Однак, як уже було показано, на початку спуску астронавти зазнавали перевантаження $\approx$ 0,66 g - тобто помітно менше їх нормальної земної ваги (і ніякого рюкзака за спиною у них не було - вони були безпосередньо підключені до системи життєзабезпечення корабля) . Перед посадкою тяга двигуна майже врівноважувала вага корабля на Місяці, тому пов'язане з нею прискорення становить $1/6 g — таким чином, протягом усієї посадки вони зазнавали меншого навантаження, ніж при простому стоянні на землі. По суті, одне із завдань описаної тросової системи якраз і було в тому, щоб допомогти астронавтам утриматися на ногах. в умовах зниженої ваги.

Однак часто перевантаження вказується в одиницях стандартного прискорення вільного падіння g(вимовляється як «ж»), що дорівнює 9,80665 м/с². Перевантаження 0 gвипробовується тілом, що перебуває у стані вільного падіння під впливом лише гравітаційних сил, тобто у стані невагомості. Перевантаження, яке випробовує тіло, що лежить на поверхні Землі на рівні моря, дорівнює 1 .

Перевантаження - векторна величина. Для живого організму дуже важливий напрямок дії перевантаження. При перевантаженні органи людини прагнуть залишатися у колишньому стані (рівномірного прямолінійного руху чи спокою). При позитивному навантаженні (прискорення спрямоване від ніг до голови, а вектор перевантаження - від голови до ніг) кров йде від голови в ноги, шлунок опускається вниз. При негативному навантаженні збільшується приплив крові до голови. Найбільш сприятливе становище тіла людини, у якому може приймати найбільші перевантаження - лежачи на спині, обличчям до напрямку прискорення руху, найбільш несприятливе для перенесення перевантажень - в поздовжньому напрямку ногами до напрямку прискорення. При зіткненні автомобіля з нерухомою перешкодою людина, що сидить в автомобілі, зазнає перевантаження спина - груди. Таке навантаження переноситься без особливих труднощів. Звичайна людина може витримувати навантаження до 15 g близько 3-5 секундбез втрати свідомості. Навантаження від 20-30 g і більше людина може витримувати без втрати свідомості трохи більше 1-2 секунд і залежність від величини навантаження.

Одна з основних вимог до військових льотчиків та космонавтів – здатність організму переносити навантаження. Треновані пілоти в протиперевантажувальних костюмах можуть переносити навантаження від −3…−2 g до +12 g . Зазвичай при позитивному навантаженні 7-8 g в очах «червоніє», зникає зір, і людина поступово втрачає свідомість через відлив крові від голови. Опірність до негативних, спрямованих нагору перевантажень, значно нижча. Космонавти під час зльоту переносять перевантаження лежачи. У цьому положенні перевантаження діє у напрямку грудей - спина, що дозволяє витримати кілька хвилин навантаження в кілька одиниць g. Існують спеціальні протиперевантажувальні костюми, завдання яких – полегшити дію перевантаження. Костюми є корсетом зі шлангами, що надуваються від повітряної системи і утримують зовнішню поверхню тіла людини, трохи перешкоджаючи відтоку крові.

Перевантаження збільшує навантаження на конструкцію машин і може призвести до їх поломки або руйнування, а також переміщення не закріпленого або погано закріпленого вантажу. Дозволена експлуатаційною документацією величина навантаження для пасажирських літаків [яких?] складає 2,5 g .

Приклади перевантажень та їх значення:

Приклад навантаження	Значення g
Людина (або будь-який предмет), у нерухомому стані щодо Землі	1
Пасажир у літаку під час зльоту	1,5
Парашутист при приземленні зі швидкістю 6 м/с	1,8
Парашутист при розкритті парашута	до 10,0 (По-16, Д1-5У) до 16 (Ут-15 сер. 5)
Космонавти під час спуску в космічному кораблі «Союз»	до 3,0-4,0
Льотчик спортивного літака під час виконання фігур вищого пілотажу	від −7 до +12
Перевантаження (тривале), що відповідає межі фізіологічних можливостей людини	8,0-10,0
Рекорд під час несмертельного аварійного спуску космічного корабля «Союз»	20-26 (за різними даними) :37
Попередній рекорд (короткочасного) перевантаження автомобіля, при якому людині вдалося вижити	179,8
Найбільше (короткочасне) навантаження, при якому людині вдалося вижити. Кенні Брак , IRL IndyCar , аварія в останній гонці сезону у Форт-Уорті	214
Перевантаження, яке зазнала автоматична міжпланетна станція Венера-7 при гальмуванні в щільних шарах атмосфери Венери.	350
Перевантаження, яке може витримати твердотільний накопичувач (SSD-диск)	1500
Перевантаження снаряда під час пострілу (на початку ствола)	47 000

Посилання [ | ]

1. , стаття навантаження.
2. Декларація III Генеральної конференції з заходів та ваг (1901)(англ.). Міжнародне бюро заходів та ваг. Перевірено 9 квітня 2013 року.
3. Деньгуб Ст М., Смирнов Ст Р.Одиниці величин. Словник-довідник. - М.: Вид-во стандартів, 1990. - С. 237.
4. Вищий пілотаж легких машин
5. Смиренний Л.Вагома невагомість / / Наука і життя. - 2007. - №5. - С. 36-42.
6. "Союз" без номера. 1975 року радянські космонавти вижили, впавши з космосу (неопр.) . Аргументи та Факти (27 листопада 2014 року).
7. 1975 року радянські космонавти двічі уникли смерті за один політ (неопр.) . РІА Новини (2 липня 2010 року).

Перевантаження - відношення абсолютної величинилінійного прискорення, викликаного негравітаційними силами, до прискорення вільного падіння лежить на Землі. Будучи ставленням двох сил, навантаження є безрозмірною величиною, проте часто навантаження вказується в одиницях прискорення вільного падіння g. Перевантаження в 1 одиницю (тобто 1 g) чисельно дорівнює вазі тіла, що лежить у полі тяжкості Землі. Перевантаження в 0 g випробовується тілом, що знаходиться в стані вільного падіння під впливом гравітаційних сил, тобто в стані невагомості.

Перевантаження – векторна величина. Для живого організму дуже важливий напрямок дії перевантаження. При перевантаженні органи людини прагнуть залишатися у колишньому стані (рівномірного прямолінійного руху чи спокою). При позитивному навантаженні (голова - ноги) кров йде від голови в ноги, шлунок опускається вниз. При негативному навантаженні збільшується приплив крові до голови. Найбільш сприятливе становище тіла людини, у якому може приймати найбільші перевантаження - лежачи на спині, обличчям до напрямку прискорення руху, найбільш несприятливе для перенесення перевантажень - в поздовжньому напрямку ногами до напрямку прискорення. При зіткненні автомобіля з нерухомою перешкодою людина, що сидить в автомобілі, зазнає перевантаження спина-груди. Таке навантаження переноситься без особливих труднощів. Звичайна людина може витримувати навантаження до 15 g близько 3-5 секунд без втрати свідомості. Перевантаження від 20-30 g і більше може витримувати без втрати свідомості трохи більше 1-2 секунд і залежність від величини перевантаження.

Одна з основних вимог до військових льотчиків та космонавтів - здатність організму переносити навантаження. Треновані пілоти в протиперевантажувальних костюмах можуть переносити навантаження від -3 ... -2 g до +12 g. Опірність до негативних, спрямованих нагору перевантажень, значно нижча. Зазвичай при 7-8 g в очах червоніє, пропадає зір, і людина поступово втрачає свідомість через приплив крові до голови. Космонавти під час зльоту переносять перевантаження лежачи. У цьому положенні навантаження діє у напрямку груди - спина, що дозволяє витримати кілька хвилин навантаження в кілька одиниць g. Існують спеціальні протиперевантажувальні костюми, завдання яких – полегшити дію навантаження. Костюми є корсетом зі шлангами, що надуваються від повітряної системи і утримують зовнішню поверхню тіла людини, трохи перешкоджаючи відтоку крові.

Перевантаження збільшує навантаження на конструкцію машин і може призвести до їх поломки або руйнування, а також переміщення не закріпленого або погано закріпленого вантажу. Допустиме значення перевантажень для цивільних літаків становить 2,5 g.

Приблизні значення перевантажень, які у житті Людина, що стоїть нерухомо1Пасажир у літаку при зльоті1,5Парашутист при приземленні зі швидкістю 6 м/с1,8Парашутист при розкритті парашутадо 10,0 (По-16, Д1-5У) до 16 (Ут-15 сер.5)Космонавти при спуску в космічному кораблі"Союз" до 3,0-4,0Льотчик спортивного літака під час виконання фігур вищого пілотажаот −7 до +12Перевантаження (тривале), що відповідає межі фізіологічних можливостей людини8,0-10,0Попередній рекорд (короткочасного) перевантаження автомобіля, при якому людині вдалося вижити 179,8 Найбільше (короткочасне) перевантаження автомобіля, при якому людині вдалося вижити.