Что такое перегрузка в физике
Вес и невесомость
Существует различие между силой тяжести m g → и весом тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни.
Вес тела – это сила, с которой притягивается тело Землей и действует на опору или подвес, причем неподвижно и относительно опоры или подвеса.
Система отсчета, связанная с Землей, называется инерциальной.
Реакция опоры
Силу N → называют силой нормального давления или силой реакции опоры.
Из определения видно, что P → называют весом тела. По соотношениям P → = F т → = m g → он равняется силе тяжести. Причем силы приложены к разным телам.
Когда тело находится в неподвижном подвешенном состоянии на пружине, тогда роль силы реакции опоры относят к упругой силе пружины. При ее растяжении определяется вес тела и сила его притяжения Землей. Для этого применяют рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Когда они находятся в равновесии, можно достичь равенства массы тела суммарной массой гирь. Значение ускорения свободного падения от этого не зависит.
Вес тела
Перегрузка
Перегрузка – это увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса.
Действие перегрузки на себе ощущали космонавты при взлете во время вхождения в плотные слои атмосферы. Также это явление характерно для летчиков, выполняющих фигуры высшего пилотажа.
Факты программы «Аполлон»
One Small Step for Man, One Giant Leap for Mankind
Основные разделы
Page tags
Add a new page
Единицы силы
Сила, приложенная к телу, в системе единиц СИ измеряется в ньютонах (1 Н = 1 кг·м/с 2 ). В технических дисциплинах в нередко качестве единицы измерения силы традиционно используют килограмм-силу (1 кгс, 1 кГ) и аналогичные единицы: грамм-силу (1 гс, 1 Г), тонна-силу (1 тс, 1 Т). 1 килограмм-сила определена как сила, сообщающая телу массой 1 кг нормальное ускорение, равное по определению 9,80665 м/с 2 (это ускорение приблизительно равно ускорению свободного падения). Таким образом, по второму закону Ньютона, 1 кгс = 1 кг · 9,80665 м/с 2 = 9,80665 Н. Можно сказать также, что тело массой 1 кг, покоящееся на опоре, имеет вес 1 кгс Часто ради краткости килограмм-силу называют просто «килограммом» (а тонна-силу, соответственно, «тонной»), что порождает порой путаницу у людей, не привыкших к использованию разных единиц.
Частая ошибка
Пример
Ю. И. Мухин в книге «Антиаполлон. Лунная афера США» (2006) ведет расчет ускорения частиц песка под воздействием газов из двигателя лунного модуля:
Вес тела
По определению, вес тела есть сила, с которой тело давит на опору или подвес. Вес тела, покоящегося на опоре или подвесе (т. е. неподижного относительно Земли или иного небесного тела) равен
Частая ошибка
Путают вес тела и его массу. Масса тела не зависит от небесного тела, она постоянна (если пренебречь релятивистскими эффектами) и всегда равна одной и той же величине — и на Земле, и на Луне, и в невесомости
Пример
В газете «Дуэль», № 47, 2005 г. «объясняется», почему лунный модуль якобы не мог взлететь с Луны [2]:
Перегрузка
Частые ошибки
Иногда путают вес тела и его силу тяжести (силу, действующую на тело со стороны планеты). При этом приходят к абсурдному выводу о том, что корабль, движущийся в поле тяжести планеты с выключенным двигателем, все-таки испытывает перегрузку из-за действия на корабль гравитационной силы. Гравитационная сила сама по себе не может вызывать перегрузки. Ее вызывает лишь действие на тело опоры (подвеса). Для ракеты и космического корабля перегрузка обычно связана либо с действием тяги его двигателя, либо с тормозящим действием атмосферы (или суммой этих действий).
Пример
В газете «Дуэль», № 20, 2002 г. автор живописует страдания, которые должны испытывать астронавты лунного модуля при посадке на Луну, и настаивает на невозможности такой посадки [3]:
Космонавты испытывают длительную перегрузку, максимальное значение которой — 5. Перегрузка направлена вдоль позвоночника (самая опасная перегрузка). Спросите у военных летчиков, можно ли устоять в самолете в течение 8 мин. при пятикратной перегрузке да еще и управлять им. Представьте себе, что после трех дней пребывания в воде (три дня полета к Луне в невесомости) вы выбрались на сушу, вас поместили в Лунную кабину, а ваш вес стал 400 кг (перегрузка 5), комбинезон на вас — 140 кг, а рюкзак за спиной — 250 кг. Чтобы вы не упали, вас держат тросом, прикрепленным к поясу, 8 минут, а затем еще 1,5 мин. (никаких кресел, ложементов нет). Не подгибайте ноги, опирайтесь на подлокотники (руки должны быть на органах управления). Кровь отлила от головы? Глаза почти не видят? Не умирайте и не падайте в обморок
уж совсем плохо заставлять космонавтов управлять посадкой в положении «стоя» при длительной 5-кратной перегрузке — это просто НЕВОЗМОЖНО.
Сила тяжести. Вес, невесомость, перегрузки
Урок 19. Физика 10 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «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: Fт = 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.
Перегрузка в динамике.
Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называется перегрузкой.
При перегрузке не только тело начинает сильнее давить на опору, но и его отдельные части начинают сильнее давить друг на друга.
Если тело движется с ускорением, направленным вертикально вверх, вес тела увеличивается. Такое состояние тела называется перегрузкой. По второму закону Ньютона
.
Будучи отношением двух сил, перегрузка – безразмерная величина, однако, часто она выражается в единицах ускорения свободного падения g. Перегрузка в одну единицу (1 g) численно равна весу тела, покоящемуся в поле тяжести Земли.
Перегрузки испытывают космонавты при взлете и торможении космического корабля, летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, пассажиры лифта при его подъеме или торможении и т. д.
В состоянии перегрузки у человека затрудняется дыхание, ухудшается сердечная деятельность, перераспределяется кровь – приливает к голове или отливает и т. д.
Перегрузка – векторная величина. Для живого организма важно направление ее действия. При перегрузке органы человека стремятся остаться в прежнем состоянии. При перегрузке голова-ноги (положительная перегрузка) кровь отливает от головы в ноги, желудок опускается вниз. При отрицательной перегрузке кровь приливает к голове. Положение тела человека, при котором он может выдерживать наибольшие перегрузки – лежа на спине, лицом к направлению ускорения движения.
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
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
«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.
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.