Наука собственными силами
Расчет перегрузок, возникающих при использовании «реактивного якоря»
Пусть транспортное средство массы m движется со скоростью v0.
Рассмотрим торможение с помощью реактивного якоря(идея изобретателя Сергея Братченко).
Этот способ экстренного торможения состоит в том, что в дорожное покрытие «выстреливается» металлический штырь с раскрывающимися лопастями, к штырю прикреплен упругий элемент, другой конец упругого элемента прикреплен к автомобилю. Тогда автомобиль тормозится не силой трения, а силой упругости, которая подчиняется закону Гука – сила упругости пропорциональна растяжению упругого элемента.
Эта сила по ходу торможения не постоянна, она возрастает по мере растяжения упругого элемента, и, очевидно, будет максимальной при максимальном растяжении xмакс
Рассчитаем, какая максимальная перегрузка возникает при таком торможении. Силу трения между колесами и дорогой и силу сопротивления воздуха для простоты не будем принимать в расчет.
По закону сохранения энергии кинетическая энергия автомобиля переходит в потенциальную энергию упругого элемента:
откуда максимальная сила торможения
Здесь m – масса автомобиля, а xМ – тормозной путь, определяемый максимальной длиной упругого элемента.
При этом максимальное тормозное ускорение (отрицательное) автомобиля
Определим также горизонтальную перегрузку, которая показывает, во сколько раз сила торможения превышает вес автомобиля
где g≈10м/с 2 – ускорение свободного падения.
Подставив (4), получим
Полное время торможения можно определить, рассматривая машину, прикрепленную к упругому элементу, как пружинный маятник. Период такого маятника
а время торможения соответствует четверти периода, т.е.
Например, при тормозном пути xМ=5м , скорости перед началом торможения v0=108км/час =30м/с получим ПМ=18 , т.е. сила инерции, действующая на водителя, в 18 раз больше его веса.
При этом время торможения, определяется формулой (8), где коэффициент жесткости k можно определить с помощью формул (1) и (2):
Подставляя в (8), получим время торможения
При наших данных получим t≈0,25c .
Опасна ли перегрузка 18 g ?
Для сравнения приведем таблицу типичных перегрузок из Википедии и фотографии людей, подвергшихся перегрузкам. Из этих материалов можно сделать вывод, что перегрузка 18 g переносима на пределе физиологических возможностей человека.
И она, предотвращая аварию, представляет собой заведомо меньшее зло, чем разрушительные перегрузки, возникающие при авариях.
Источник статьи: http://www.your-own-science.org/reactive-anchor
При какой максимальной скорости разгона автомобиля с 0-100 км/ч может выжить водитель
Какая скорость разгона с 0 до 100 км/час угрожает жизни человека?
По какой-то особой причине в мире большое внимание уделяется именно скорости разгона автомобиля с 0 до 100 км/час (в США с 0 до 60 миль в час). Эксперты, инженеры, любители спортивных автомобилей а также и простые автолюбители с какой-то одержимостью постоянно следят за технической характеристикой автомобилей, которая как правило раскрывает динамику разгона автомобиля с 0 до 100 км/час. Причем весь этот интерес наблюдается не только к спортивным автомобилям для которых динамика разгона с места является очень важным значением, но и к совсем обычным автомобилям эконом-класса.
В наши дни наибольший интерес к динамике разгона с 0 до 100 км/час направлен на электрические современные автомобили, которые начали потихоньку вытеснять из авто ниши спортивные суперкары с их невероятной скоростью разгона. Вот например, еще несколько лет назад казалось просто фантастикой, что автомобиль может разгоняться до 100 км/час чуть-более чем за 2 секунды. Но сегодня некоторые современные электрокары уже вплотную приблизились к этому показателю.
Это естественно заставляет задуматься: А какая скорость разгона автомобиля с 0 до 100 км/час опасна для здоровья самого человека? Ведь чем быстрее разгоняется автомобиль, тем больше нагрузки испытывает водитель, что находится (сидит) за рулем.
Согласитесь с нами, что человеческий организм имеет свои определенные пределы и не может выдержать бесконечные нарастающие нагрузки, которые действуют и оказывают на него при быстром разгоне транспортного средства, определенное воздействие. Давайте вместе с нами узнаем, а какой предельный разгон автомобиля может теоретически ну и практически выдержать человек.
Ускорение, как все мы наверно знаем, это простое изменение скорости движения тела за единицу взятого времени. Ускорение любого объекта находящегося на земле зависит, как правило, от силы тяжести. Сила тяжести — это сила, действующая на любое материальное тело, которое находится вблизи к поверхности земли. Сила тяжести на поверхности земли складывается из гравитации и центробежной силы инерции, которая возникает из-за вращения нашей планеты.
Согласно законам физики установлено, что при движении объекта возникает перегрузка (G), которая зависит от ускорения. То есть, чем быстрее происходит ускорение движущего объекта, тем больше возникает перегрузка, образуемая из-за силы тяжести. Например, когда человек стоит неподвижно на месте, то он испытывает перегрузку в 1g, так как по сути, мы движемся в пространстве вместе с нашей планетой и в связи с гравитацией, которая нас и удерживает на поверхности земли.
Такая же перегрузка в 1g действует и на наше тело, когда, мы допустим сидим на стуле. 1g это количество силы, которая оказывается (давит) на нашу поясницу и нижнюю часть спины, все для того, чтобы помешать нам уйти в свободное падение в пространстве. Ведь согласитесь, если бы сила тяжести оказываемая свое давление на нас была бы меньше, то мы просто не смогли бы устоять на поверхности нашей планеты. В этом случае мы бы отправились в свободное падение.
Когда же мы сидим в автомобиле и начинаем ускоряться, то эти G-силы начинают действовать на линейно-горизонтальной оси. Естественно, что перегрузка при разгоне машины будет совершенно иной по сравнению с той, которая воздействует на человека в стоящем автомобиле.
Давайте же выясним, какая перегрузка оказывается на человека при разгоне автомобиля.
Начнем мы с относительно медленной динамики этого ускорения (по современным меркам), с 0 до 100 км/час в периодике 10 секунд.
Для этого можно воспользоваться специальным онлайн-конвектором преобразования величин. Так, с помощью этого калькулятора мы с вами высчитали, что при разгоне автомобиля с 0 до 100 км/час за 10 секунд перегрузка, воздействующая на водителя, составляет 0.28325450 = 0.28. То есть разгон с места с 0 до 100 км/час в течение десяти секунд будет оказывать на человека перегрузку в 0.28g.
Как вы видите, при ускорении за рулем автомобиля линейно горизонтальные G-силы воздействуют на человека гораздо меньше, чем эти силы оказывают воздействие на тело человека в состоянии покоя.
Соответственно, для того, чтобы добиться той же перегрузки в 1g, которая воздействует на человека когда он стоит или сидит неподвижно на стуле необходимо, чтобы автомобиль с 0 до 100 км/час разгонялся за 2,83 секунды. Это можно вычислить и с помощью простого калькулятора.
Если мы хотим быть совсем уж точными, то перегрузка человека в 1g сидящего за рулем автомобиля образуется при ускорении машины с 0 до 100 км/час за 2,83254504 секунды.
И так, мы знаем, что при перегрузке в 1g человек не испытывает на себе ни каких проблем. Например, серийный автомобиль Tesla Model S (дорогая спецверсия) с 0 до 100 км/час может разгоняться за 2,5 секунды (согласно спецификации). Соответственно, водитель находящийся за рулем этого автомобиля при разгоне будет испытывать перегрузку в 1.13g.
Это уже как мы видим, больше чем перегрузка, которая испытывается человеком в обычной жизни и которая возникает из-за гравитации а также из-за движения планеты в пространстве. Но это совсем немного и перегрузка не представляет для человека никакой опасности. Но, если мы сядем за руль мощного драгстера (спортивного автомобиля), то картина здесь уже получается совершенно иная, так как мы с вами наблюдаем уже иные цифры перегрузки.
Например, самый быстрый драгстер может разгоняться с 0 до 100 км/час всего за 0,4 секунды. В итоге получается, что это ускорение вызывает перегрузку внутри машины в 7.08g. Это уже, как вы видите, немало. За рулем такого сумасшедшего транспорта вы будете чувствовать себя не очень-то комфортно, и все из-за того, что ваш вес увеличится по сравнению с прежним почти в семь раз. Но не смотря на такое не очень-то комфортное состояние при такой динамике разгона, эта (данная) перегрузка не способна вас убить.
Так как же тогда автомобиль должен разогнаться, чтобы убить человека (водителя)? На самом деле ответить однозначно на такой вопрос нельзя. Дело тут в следующем. Каждый организм у любого человека сугубо индивидуален и естественно, что последствия воздействия на человека определенных сил будут тоже совершенно разными. Для кого-то перегрузка в 4-6g даже на несколько секунд уже будет (является) критичной. Такая перегрузка может привести к потере сознания и даже к гибели этого человека. Но обычно подобная перегрузка для многих категорий людей не опасна. Известны случаи, когда перегрузка в 100g позволяла человеку выжить. Но правда, это очень большая редкость.
Приведем пример, человек на американских горках в парке аттракционов может испытывать перегрузки до 6g, но их длительность настолько мала, что это не опасно для жизни. Летчики пилотируемых истребителей в компрессионных костюмах могут выжить при длительных перегрузках в 8g или 9g. Но это все не те виды перегрузок, которые испытывает человек, находясь за рулем автотранспортного средства с ускорением в пространстве на земле.
Кстате, мы заодно сразу вспомнили, что офицер ВВС США Джон Стапп участвовал в эксперименте по воздействию перегрузки на человека во время ускорения. Джона Стаппа посадили в специальные сани установленные на платформе, которые с помощью тяги ракетных двигателей разогнали до 1017 км/час. Во время этого ускорения Джон выдержал перегрузку в 46.2g.
Таким образом убеждаемся, зная, что человек способен выдержать перегрузку в 46.2g, выяснить с какой скоростью должен разгоняться автомобиль, чтобы перегрузка составляла такое значение, которое выдержал офицер ВВС США Джон Стапп, мы должны снова воспользоваться калькулятором преобразования величин, подставив в соответствующем поле полученное значение в 46.2g.
В итоге, калькулятор помог нам установить следующее, чтобы водитель за рулем автомобиля испытывал перегрузку в 46.2g, необходимо разогнать транспортное средство с места до 100 км/час с ускорением, всего за 0,06131050 = 0,06 секунды.
Хотим вам сказать, что Джон Стапп также участвовал и во многих других подобных экспериментах, где перегрузка во время ускорения составляла тоже до 35g. Во многих этих испытаниях Джон не раз получал травмы. Например, в одном эксперименте у него, от силы тяжести оказываемое на его тело, лопнуло одно ребро. Также, не редко во время проведения экспериментов у офицера вылетали пломбы из зубов.
Таким образом мы с вами убедились, что перегрузка выше 30g все-таки для человека запредельная. Не думаем, что покупатели премиальных дорогих суперкаров были бы довольны такими последствиями разгона своего автомобиля.
И так, на основании выше представленной информации давайте вместе с вами установим, что перегрузка в 30g при ускорении за рулем автомобиля является нашим (человеческим) пределом при котором, ни- каких особых последствий от разгона машины не будет. То есть, не будет травм.
Соответственно от сюда делаем вывод, что максимально безопасная динамика разгона автомобиля с 0 до 100 км/час составляет (составит) 0,09441817 = 0,09 секунды.
Если же мы (Вы) согласны разгоняться на машине с риском получить для себя травмы рёбер или готовы распрощаться с пломбами в зубах, то нам (Вам) нужен автомобиль способный разгоняться с места до 100 км/час за 0,08092986 = 0,08 секунды.
Но, если же мы готовы повторить мировой рекорд по перегрузке организма человека, который был установлен Джоном Стаппом, то ваше транспортное средство должно ускориться с 0 до 100 км/час за 0,06 секунды.
К нашему большому счастью таких автомобилей в мире (на планете) не существует. И что здесь самое главное, что человечеству еще очень далеко до таких динамических характеристик автотранспортных средств. А именно, до таких автомобилей, которые будут способны оказывать на человека невероятную перегрузку, которая будет способна его просто убить. Согласитесь с нами, это очень хорошая новость. Не правда ли друзья?
Источник статьи: http://1gai.ru/publ/518087-pri-kakoy-maksimalnoy-skorosti-razgona-avtomobilya-s-0-100-km-ch-mozhet-vyzhit-voditel.html
Перегрузки и их действие на человека в разных условиях
В авиационной и космической медицине перегрузкой считается показатель величины ускорения, воздействующего на человека при его перемещении. Он представляет собой отношение равнодействующей перемещающих сил к массе тела человека.
Перегрузка измеряется в единицах, кратных весу тела в земных условиях. Для человека, находящегося на земной поверхности, перегрузка равна единице. К ней приспособлен человеческий организм, поэтому для людей она незаметна.
Если какому-либо телу внешняя сила сообщает ускорение 5 g, то перегрузка будет равна 5. Это значит, что вес тела в данных условиях увеличился в пять раз по сравнению с исходным.
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.
Источник статьи: http://ria.ru/20181011/1530453074.html