Перегрузки на каждом шагу

Любое повседневно наблюдаемое нами механическое движение состоит из разгона, равномерного движения (на всем пути или на определенных участках) и торможения. Этап равномерного движения может иногда отсутствовать. Например, при ходьбе ступня отрывается от земли (вес тела в это время сосредоточен на второй ступне), разгоняется, затем замедляет свое движение и, опускаясь на землю, останавливается. Центр тяжести тела переносится на эту ступню, а вторая ступня повторяет движение первой.

Чем плавнее ходьба, тем меньше ускорение ног и, следовательно, меньше сил затрачивается на передвижение.

При прыжках со ступеньки или стула наше тело приобретает незначительную скорость падения —2—4 м/сек, но ускорение (замедление), испытываемое нами при соприкосновении с полом, может достигать очень больших величин. При этом ускорение различных частей тела будет неодинаково, так как части тела, находясь на определенных расстояниях от пола и имея различную упругость, потеряют приобретенную при прыжке скорость за различное время. Величина же ускорения или резкость торможения зависит при данной скорости движения от продолжительности и длины пути торможения.

Ступня прыгнувшего человека прикасается к поверхности пола за какое-то мгновение — малую долю секунды, и ускорение ее достигает огромных величин. На величину ускорения значительное влияние оказывает упругость обуви и поверхности пола. Определим величину замедления ступни. При прыжке со стула скорость нашего падения достигает примерно 3 м/сек. Обычный деревянный пол при этом несколько прогнется. Величина прогиба, допустим, будет около одного миллиметра.

За среднюю скорость деформации пола, или среднюю скорость, с которой ступня пройдет вместе с полом расстояние от момента соприкосновения до полной остановки, примем половину конечной скорости падения:

тогда время, за которое произойдет деформация пола, будет равно

Следовательно, замедление ступни

или почти в 440 раз больше ускорения свободного падения.

При прыжке на ковер или при прыжке в обуви на толстой резиновой подошве деформация их составит около 10 мм, т. е. больше деформации деревянного пола в 10 раз. Следовательно, в такой же степени увеличится время торможения и уменьшится ускорение. Наоборот, при прыжке на очень твердую поверхность деформация ее практически равна нулю, ускорение же может достигать 10 000 м/сек². Перегрузка нижней поверхности ступни будет при этом более 1000. Неудивительно, что и наши ощущения при прыжке на ковер и на каменный пол будут различны — прикосновение ступни к ковру мало ощутимо, а каменный пол как бы обжигает ее.

В противоположность ступне голова и туловище имеют примерно одинаковое ускорение как при прыжке на твердую поверхность, так и на мягкий ковер. Это происходит потому, что гибкость тела, прогиб ног в голеностопных суставах, изгиб колен увеличивают время и путь торможения тела.

Найдем величину перегрузки головы. В нашем примере, после того как человек коснется ногами деревянного пола, его голова продолжает движение и проходит при этом около 0,6 м (для случая опускания на полусогнутые ноги). Следовательно, в общей деформации тела и пола деформация поверхности пола составляет очень малую долю — около 0,15%, и ею можно пренебречь.

Время, в течение которого произойдет остановка головы,

При подъеме и спуске в лифте также создаются перегрузки. Скорость обычного междуэтажного лифта 2—3 м/сек, лифт развивает ее в течение примерно одной секунды. Следовательно, ускорение лифта равно 2— 3 м/сек², а перегрузка—1,2—1,3. Таким образом, при подъеме лифта вес пассажиров в момент разгона увеличивается на такую же величину.

В практике широко применяются устройства для уменьшения перегрузок, создающихся при движении транспортных средств. Такими устройствами являются буфера, рессоры, амортизаторы.

При составлении поезда даже при большом искусстве невозможно собрать вагоны без толчков и ударов. Часто вагоны ударяются один о другой и при движении железнодорожного состава, так как скорость его движения не бывает постоянной вследствие изменения тяги паровоза, неодинакового рельефа пути и т. д.

Буфер допускает сжатие его до 100 мм. Разность скоростей, с которой допустима встреча (столкновение) вагонов, примерно равна скорости пешехода (1,4 м/сек). При величине сжатия двух соприкасающихся буферов S = 0,2 м продолжительность удара составляет

Перегрузка в этом случае будет равна примерно 0,5, т. е. опасности разрушения вагона нет.

Что бы произошло, если бы с такой же, хотя и незначительной, скоростью столкнулись вагоны весом 20 т, не имеющие буферов?

Погашение скорости, как и всякое ее изменение, всегда происходит на некотором отрезке пути. Очевидно, что чем меньше этот путь, тем будет больше ускорение (замедление) и тем больше сила удара, создающаяся при столкновении тела с препятствием.

При отсутствии специальных амортизирующих устройств погашение скорости происходит за счет деформации самого тела и, следовательно, чем жестче тело, тем большая сила возникнет при ударе.

Таким образом, если рама вагона достаточно жесткая и при ударе ее деформация не превышает 20 мм, то при взятых нами условиях столкновение вагонов будет сопровождаться ударом силой около 100 т (пятикратная перегрузка), могущим нанести серьезные повреждения вагонам.

У первых автомобилей подвеска обычно состояла только из рессор или пружин, а у первых самолетов — из резиновых шнуров или резиновых шайб. С увеличением скоростей такие амортизационные устройства стали малопригодны. Дело в том, что при большой скорости движения перекатывание колес через неровности дороги происходит одновременно с их резким подъемом.

Но рессора, будучи сжата при подъеме колеса, в следующее мгновение разжимается и почти с той же скоростью, с какой было поднято колесо, опускает его и бросает вверх корпус (кузов автомобиля или фюзеляж самолета). Сжатие и распрямление рессор, затухая, повторяются много раз. Все это неприятно отражается на пассажирах.

Кроме того, частые перегрузки в противоположных направлениях (знакопеременные) ослабляют крепления, а повторяясь многократно, даже при незначительной величине могут вызвать разрушение деталей из-за так называемой усталости материала.

В настоящее время для предотвращения резкого подъема корпуса на самолетах и автомобилях устанавливают гидравлические амортизаторы, которые удлиняют время подъема корпуса при ударах колес.

Гидравлический амортизатор по устройству очень прост. Он состоит из одного или нескольких цилиндров с поршнями, приходящими в движение при сжатии рессоры (подъеме колеса). В цилиндр заливается специальное масло.

При сжатии рессоры масло под давлением поршня свободно перетекает через клапан из одной полости цилиндра в другую. При обратном ходе поршня клапан автоматически закрывается и масло имеет возможность перетекать в свою полость только через специальное маленькое отверстие. Поэтому обратный ход продолжается более длительное время, а энергия сжатой рессоры частично расходуется на нагрев масла.

Определим, каковы будут ускорение и перегрузка колеса при переезде через кочку высотой 55 мм на скоростях 15 и 60 км/час.

Если ширина кочки равна 400 мм, подъем колеса на вершину кочки (S = 0,2 м) при скорости 15 км/час (4,2 м/сек) произойдет за время

Среднее ускорение колеса при подъеме на кочку приближенно найдем из формулы линейного ускорения, выраженного через путь и время:

где h — высота кочки.

При скорости 15 км/час ускорение будет равно 48 м/сек², при скорости 60 км/час— 765 м/сек².

Мы видим, что перегрузка, испытываемая колесом при переезде через кочки, достаточно велика (в нашем примере она составляет в первом случае около 5 и во втором случае около 80) и что величина ее возрастает пропорционально квадрату скорости движения: при изменении скорости в четыре раза перегрузка увеличилась в шестнадцать раз.

Большие перегрузки испытывают механизмы и детали машин. Коленчатый вал двигателя мотоцикла делает 5000 оборотов в минуту, или 83 оборота в секунду. Один оборот совершается за 0,012 сек. За это время поршень цилиндра делает два хода — вверх и вниз. Пусть ход поршня равен 80 мм. В продолжение полуоборота, т. е. за 0,006 сек, средняя скорость поршня будет составлять, следовательно, 13,4 м/сек, а максимальная скорость — около 21 м/сек.

Чтобы легче себе представить, насколько велико ускорение поршня, выразим его скорость в км/час. Оказывается, что за время, меньшее одной сотой доли секунды, поршень приобретает скорость, равную 76 км/час, а затем, после остановки поршня в верхней или нижней мертвой точке, скорость снова достигает этой величины в обратном направлении.

Чему же равны ускорение и перегрузка поршня? Изменение скорости на 21 м/сек в течение 0,003 сек (за ¼ оборота) вызывает ускорение, в среднем равное 7000 м/сек²; максимальное ускорение равно π/2 ∙ 7000 ≈ 11 000 м/сек².Таким образом, перегрузка поршня достигает 1120. Это значит, что при работе двигателя поршень, весящий 200 г, в некоторые моменты будет весить 224 кг.

Колеса гоночного автомобиля подвергаются значительным нагрузкам: помимо сильных ударов о малейшие неровности, обод колеса и покрышка растягиваются значительными центробежными силами, направленными вдоль радиуса. В самом деле, при скорости, например, 500 км/час, или 139 м/сек (рекордная скорость движения гоночного автомобиля 607 км/час), перегрузка колеса на радиусе 0,35 м будет равна

Таким образом, при весе колеса, допустим, 30 кг оно в данном случае растягивается в радиальных направлениях с силой около

При движении в стволе орудия снаряд приобретает скорость до 2000 м/сек. Например, при длине ствола 4 м и средней скорости снаряда 1000 м/сек время движения снаряда будет равно всего 0,004 сек. Если считать ускорение снаряда постоянным, то величина ускорения составит

т. е. будет в 51 000 раз больше ускорения свободного падения. Таким образом, во время своего разгона снаряд «весит» в направлении движения в 51 000 раз больше, чем обычно.

Пчела, весящая около 0,15 г, будучи помещенной в такой снаряд, в момент выстрела «весила» бы 0,15-51 000 ≈ 8 кг.

Перегрузки имеют и положительные свойства, что широко используется в технике. Рассмотрим для примера работу сепаратора — прибора, служащего для отделения более плотных частиц жидкости от менее плотных. Сепаратор состоит из вертикально расположенного цилиндра, вращающегося с большой скоростью вокруг своей оси. В дне цилиндра имеются отверстия, в которые вставлены выводные трубки.

В цилиндр заливают жидкость, подлежащую разделению, например молоко. При вращении цилиндра более плотные частицы молока под действием перегрузки устремляются к стенкам сосуда и вытесняют оттуда менее плотные частицы — жиры, которые собираются в центральной части цилиндра. Этот же эффект используют для сушки выстиранного белья. Мокрое белье помещается в сосуд, который затем приводится во вращение. Вода, содержащаяся в ткани, собирается около стенок сосуда и удаляется.