Перегрузки. Инерция. Центробежная и центростремительная силы

В течение последних 50 лет скорость средств передвижения увеличилась примерно в 20 раз — с 50 до 1000 км/час и в настоящее время продолжает интенсивно расти. Все больше и больше увеличиваются высота и скорость полета самолетов. Ракеты могут достичь любого пункта земного шара, летя со скоростью более 25 000 км/час. Ракеты, запускающие искусственные спутники, разгоняются до 30 000 км/час. Космические ракеты имеют скорость более 40 000 км/час.

Наука достигла такого высокого развития, что в настоящее время реальными являются полеты ракет на ближайшие к Земле планеты Солнечной системы.

Но с ростом скоростей движения увеличиваются и ускорения. При ускорении же благодаря инерции возникает обратное действие, или реакция, ускоренно движущегося тела на тело, создающее ускорение.

Разберем прежде всего сущность инерции. Инерция есть свойство тел при отсутствии воздействий (препятствий) сохранять свое состояние покоя или прямолинейного равномерного движения.

Обычно употребляемое нами выражение «сила инерции» является условным, так как в действительности такой силы не существует. Однако при торможении автомобиля пассажиры стремительно, с большим ускорением увлекаются вперед (см. рис. 14); инерция здесь проявляется подобно действию силы. В этом смысле и говорят о силе инерции и ее действии.

Действие силы инерции реально не для самого тела, а для его связей. Если, например, пассажир автомобиля некрепко упрется руками и ногами в кабину, то под действием силы инерции он может быть даже сброшен с сиденья, но какого-либо непосредственного воздействия на свое тело во время движения ощущать не будет.

Направление силы инерции всегда противоположно направлению ускорения. Величину силы инерции можно выразить через произведение массы тела на его ускорение.

Возвращаясь к нашему примеру торможения автомобиля, можно, следовательно, считать, что на пассажиров действует сила инерции, равная 0,61 части их веса (они имеют то же ускорение, что и автомобиль).

Самолеты имеют большие скорости полета. Значит, и ускорения, и силы инерции при полете также значительные. Поэтому летчики привязываются к своим креслам специальными ремнями, чтобы при резких поворотах самолета или при полете в неспокойном воздухе удержаться на сиденье.

Привязная система экипажа самолета рассчитывается таким образом, чтобы при возникновении инерционных сил нагрузка распределялась по возможности равномерно по всему телу. Обычно привязная система состоит из плечевых и поясных ремней и позволяет -выдерживать действие силы, превышающей вес летчика более чем в десять раз. Подвесная система парашютиста (рис. 17) позволяет выдерживать действие еще больших сил.

Рис. 17. Подвесная система парашютиста: 1 – плечевые обхваты; 2 – грудная перемычка; 3 – ножные обхваты; 4 – полупояс (сзади)

Мы рассмотрели действие силы инерции для случая прямолинейного движения. При криволинейном движении на связи тела постоянно действует сила инерции, называемая центробежной силой.

Что же такое центробежная сила? Как было показано выше, криволинейное движение сопровождается центростремительным ускорением. Но всякое ускорение образуется в результате действия силы. Следовательно, при криволинейном движении имеется сила, искривляющая траекторию и не позволяющая телу двигаться прямолинейно.

Сила, искривляющая траекторию, называется центростремительной силой. Вращая в руке ведро с водой (рис. 18), мы затрачиваем усилие не только на то, чтобы ведро имело определенную скорость движения, но и на то, чтобы удержать его, так как оно стремится вырваться из рук. Следовательно, ведро двигается по окружности благодаря центростремительной силе, создаваемой нашей рукой.

Рис. 18. К объяснению центробежной силы

При повороте автомобиля центростремительная сила образуется вследствие трения покрышек передних колес о поверхность дороги, при повороте поезда — вследствие упора реборд колес в рельсы.

Но одним из свойств инерции является стремление тел сохранять прямолинейность движения. Центробежная сила и является проявлением этого свойства.

Центростремительная сила направлена к центру окружности вращения (центру кривизны траектории) и выражается формулой

где m — масса тела, равная отношению веса G к ускорению свободного падения g;
j_n — центростремительное ускорение, равное отношению квадрата линейной скорости v к радиусу вращения r.

Центробежная сила направлена противоположно центростремительной силе и равна ей. Действие центробежной силы реально не для самих тел, а для их связей. В наших примерах — для руки, держащей ведро, для поверхности дороги, рельсов.

Фиктивность ее действия для тела подтверждается тем, что в случае разрыва связи тело летит не по направлению центробежной силы, т. е. не по направлению радиуса, а по касательной к окружности вращения (вспомним, как при работе на точильном круге летят отколовшиеся мелкие частицы круга — искры).

Реальность центробежной силы для связей обнаруживается, например, в том, что на мокром асфальте или в гололедицу автомобиль при крутом повороте на ходу будет скользить. Последнее как раз и объясняется тем, что связь — трение передних колес о поверхность дороги - не обеспечивает в данном случае прочного сцепления между ними. Учитывая это, полотно железных дорог и шоссе в местах крутых поворотов делают наклонными, чтобы часть веса автомобиля или поезда, складываясь с силой трения колес, увеличивала центростремительную силу (рис. 19).

Рис. 19. Схема сил при повороте автомобиля на наклонной поверхности: G — сила веса; Р_ц - центробежная сила; F —сила трения колес; G₁ и G₂ — проекции силы веса

Действие центробежной силы используется также в интересном аттракционе — езде на велосипеде внутри кольца (рис. 20). Верхнюю часть пути велосипедист проезжает в положении вниз головой. Для того чтобы велосипедист в момент прохождения верхней части кольца был прижат к кольцу, центробежная сила должна быть больше силы веса человека с велосипедом.

Рис. 20. Использование центробежной силы в спортивных аттракционах: G — сила веса; Р_ц — центробежная сила; F — сила трения

На этом же принципе основана езда на мотоцикле «по вертикальной стенке» — по стенке цилиндра. На определенной скорости движения мотоцикла образуется значительная центробежная сила, при которой трение покрышек колес становится достаточным, чтобы мотоцикл удерживался от скольжения вниз.

Точно так же при выполнении петли Нестерова — полета самолета по замкнутой кривой в вертикальной плоскости — летчик может быть все время прижат к сиденью благодаря действию центробежной силы.

Вернемся теперь к реакции тела, двигающегося с ускорением. Реакция тела, двигающегося с ускорением, равна по величине и противоположна по направлению приложенной к телу силе, т. е. противоположна направлению ускорения. Величина реакции равна, как и величина силы, произведению массы на ускорение.

Реакцию тела можно уподобить дополнительной силе веса, направленной в сторону, противоположную направлению ускорения. Например, при подъеме на лифте мы вначале, при разгоне лифта, давим на пол значительно сильнее, чем обычно, — нас прижимает к полу, а когда лифт перед остановкой замедляет свое движение, наоборот, давим на пол меньше обычного. Точно так же при вираже самолета вес нашего тела становится больше обычного.

Поэтому, когда тело испытывает ускорение, говорят, что тело подвергается перегрузке. Перегрузка выражается числом, показывающим, во сколько раз силы, действующие на тело в данном направлении (исключая силу тяжести), больше веса тела.

Для случая, когда на тело действует только сила его собственного веса, т. е. тело находится в состоянии покоя, принято считать, что тело подвергается перегрузке, равной единице. Из этого условия вытекает, что если перегрузка равна нулю, то вес тела отсутствует.