19.03.2016 Омск: Русские Витязи на Иртышской набережной 

1. Вступление.

Силы тяготения являются, очевидно, первыми, с которыми мы знакомимся еще с детских лет. В физике их часто называют гравитационными (от латинского – тяжесть).

Значение сил тяготения в природе огромно. Они играют первостепенную роль в образовании планет, в распределении вещества в глубинах небесных тел, определяют движение звезд, планетных систем и планет, удерживают около планет атмосферу. Без сил тяготения невозможной была бы жизнь и само существование вселенной, а значит, и нашей Земли.

Сооружая здания и каналы, проникая в глубь Земли или в космическое пространство, конструируя корабль или шагающий экскаватор, добиваясь результатов почти в любом виде спорта, человек всюду имеет дело с силой тяготения.

Великие и таинственные силы тяготения были предметом размышления выдающихся умов человечества: от Платона и Аристотеля в древнем мире до ученых эпохи Возрождения – Леонардо да Винчи, Коперника, Галилея, Кеплера, от Гука и Ньютона до нашего современника Эйнштейна.

При рассмотрении гравитационных сил используются различные понятия, в числе которых сила тяготения, сила тяжести, вес.

2. Вес тела.

Вес – есть сила, с которой вследствие земного притяжения тело давит на опору или натягивает подвес.

В аэродинамике под весом тела понимают несколько иную величину.

На самолет при полете действуют аэродинамические силы (подъемная сила и лобовое сопротивление), сила тяги двигательной установки и сила земного притяжения, которую называют весом и обозначают G.

G = mg,

где m – масса летательного аппарата, g – ускорение свободного падения.

Вес – одна из самых сложных сил в природе. Вы знаете, что вес – величина непостоянная, он меняется в зависимости от характера движения тела.

Если тело движется без ускорения, то вес тела равен силе тяжести и определяется по формуле P = mg.

Если тело движется с ускорением вверх, т. е. с ускорением противоположно направленным ускорению свободного падения (а↓↑g), то вес тела увеличивается, определяется по формуле P = m(g+a) и возникает перегрузка.

Если тело движется с ускорением вниз, т. е. с ускорением сонаправленным с ускорением свободного падения (а ↓↓g), то вес тела определяется по формуле P = m(g-a), и в этом случае возможны несколько вариантов:

если |a|<|g|, то вес тела уменьшается (становится меньше силы тяжести), и возникает состояние частичной невесомости;

если |a|=|g|, то вес тела равен 0, возникает состояние полной невесомости (т. е. тело свободно падает);

если |a|>|g|, то вес тела становится отрицательным и возникает отрицательная перегрузка.

3. Перегрузки.

Перегрузкой называется отношение суммы всех сил, кроме силы веса, действующих на самолет, к весу самолета, и определяется по формуле:

n = (P+R) / G,

где P – тяга двигателя, R – суммарная аэродинамическая сила.

Стрелки над символами в формуле указывают, что учитывается направление действия сил, поэтому силы нельзя складывать алгебраически.


Например, если аэродинамическая сила R и тяга двигателя P лежат в плоскости симметрии, то их сумма R+P, определяется, как показано на рисунке 4.14.

В большинстве случаев пользуются не суммарной перегрузкой n, а ее проекциями на оси скоростной системы координат – nx
,
ny
, nz
как показано на рисунке 4.15.

Существуют три вида перегрузки: нормальная, продольная и боковая.

Нормальная перегрузка ny
определяется в первую очередь подъемной силой и определяется по формуле:

ny
= Y/G,

где Y – подъемная сила.

На заданной скорости и высоте полета изменить нормальную перегрузку можно путем изменения угла атаки. Как показано на рисунке с уменьшением скорости полета предельные нормальные перегрузки возрастают, а с увеличением высоты – уменьшаются. При отрицательном угле атаки возникают отрицательные перегрузки.

Продольная перегрузка nx
определяется отношением разности сил тяги двигателя (Р) и лобового сопротивления (Q) к весу самолета:

nx
= (P-Q) / G.

Продольная перегрузка положительна, если тяга больше лобового сопротивления, и отрицательна, если тяга меньше лобового сопротивления или если тяги вообще нет.

Таким образом, знак продольной перегрузки зависит от соотношения величин тяги двигателя и лобового сопротивления самолета.

С увеличением высоты полета положительные продольные перегрузки nх
уменьшаются, т. к. уменьшается избыточность тела. Зависимость продольной перегрузки от высоты и скорости полета изображена на рисунке.

Боковая перегрузка nz
возникает при несимметричном обтекании самолета воздушным потоком. Это наблюдается при наличии скольжения, либо при отклонении руля направления.

4. Перегрузки при выполнении фигур высшего пилотажа.

Рассмотрим, какие перегрузки возникают при выполнении фигур высшего пилотажа.

На самолетах в разных пилотажных фигурах перегрузка действует по-разному.

Например, на самолете Л-39 при выполнении полупетли необходимо выдерживать оптимальные изменения перегрузки.

Полупетля – фигура пилотажа, при выполнении которой самолет описывает восходящую часть петли Нестерова с последующим поворотом относительно продольной оси на 1800
и выводом в горизонтальный

полет в направлении, обратном вводу.

При выполнении данной фигуры можно отметить несколько отсчетных точек:
r />
1. Ввод в полупетлю.

2. Угол кабрирования 500
– 600
. Перегрузка в данной

точке 4,5 – 5 ед.

3. Угол кабрирования 900
. Перегрузка 3,5 – 4 ед.

4. Начало ввода в полубочку. Перегрузка

приблизительно равна 1ед.

5. Вывод из полубочки.

При перегрузке больше оптимальной резко увеличивается лобовое сопротивление и быстро падает скорость, возможен выход самолета на режим тряски и сваливания. При перегрузке меньше оптимальной увеличивается время выполнения фигуры и скорость в верхней точке также становится менее заданной.

Рассмотрим еще одну фигуру высшего пилотажа – переворот.

Переворот – это фигура пилотажа, при выполнении которой самолет поворачивается относительно продольной плоскости оси на 1800
с последующим движением по нисходящей траектории в вертикальной плоскости и выводом в горизонтальный полет в направлении, обратном вводу.

При выполнении переворота на Л-39, в первой половине траектории составляющая силы веса (Gcosθ) способствует искривлению траектории, поэтому на этом участке достаточно небольшое значение нормальной перегрузки 2 – 3 ед. Во второй половине эта же сила препятствует искривлению траектории, поэтому для вывода самолета из пикирования необходима большая перегрузка 3,5 – 4,5 ед. При перевороте происходит зависание самолета, возникновение отрицательных перегрузок в положении «вверх колесами» летчик устраняет, взяв РУС на себя, увеличивает перегрузку до допустимой и создает необходимое угловое вращение.

На Як-52 , например, при выполнении пикирования, при вводе в пикирование появляется отрицательная перегрузка. При выводе из пикирования потеря высоты определяется скоростью, углом пикирования и перегрузкой, создаваемой летчиком.

При выводе из виража «Горки», во избежание возникновения больших отрицательных перегрузок, вывод летчик производит плавным движением ручки управления от себя.


«Пикирование» «Горка»

Еще одной захватывающей фигурой высшего пилотажа является петля Нестерова.

Петля Нестерова – фигура пилотажа, при выполнении которой самолет описывает траекторию в вертикальной плоскости, расположенную выше точки ввода.

При выполнении петли Нестерова на Як-52 летчик должен следить по нарастанию перегрузки за созданием угловой скорости. Необходимо создать угловую скорость вращения с таким расчетом, чтобы при угле кабрирования 400
– 500
перегрузка была равна 4 – 4,5 ед. При выводе самолета из петли летчик должен следить за темпом нарастания перегрузки.

5. Ограничения по перегрузке. Невесомость.

Исходя из условий обеспечения безопасности полета, вводятся ограничения, накладываемые на различные режимы полета самолета.

Для существующих самолетов ограничения накладываются на нормальную перегрузку. Продольная и боковая перегрузки не учитываются, т. к. они незначительны. Создание больших перегрузок, с одной стороны, приводит к разрушению самолета, с другой – имеет ограничения, обусловленные физиологическими особенностями членов экипажа.

Так с увеличением аэродинамических сил растут нагрузки на элементы конструкции самолета. Например, с увеличением подъемной силы увеличиваются перерезывающая сила, изгибающий и крутящий моменты, действующие на крыло. При определенном значении подъемной силы, а следовательно, и нормальной перегрузки крыло разрушится. Перегрузка, при которой происходит разрушение конструкции самолета, называется разрушающей перегрузкой. Максимальная эксплуатационная перегрузка должна быть в 1,5 – 2 раза меньше разрушающей.

Отрицательные перегрузки для большинства самолетов, по существу, ограничены физиологическими особенностями человека и условиями работы топливной системы. Так, например, при отрицательных перегрузках может прекратиться подача топлива в двигатель.

Сохранение работоспособности членов экипажа зависит от направления, величины, времени действия перегрузок и индивидуальных особенностей человека. Легче всего переносятся перегрузки, действующие в направлении спина – грудь в нормальном положении. Этому соответствуют положительные продольные перегрузки. Перегрузки поперечные бывают большими и поэтому в зависимости от знака переносятся по-разному. Положительная поперечная перегрузка , действующая в направлении таз – голова, воспринимается значительно легче, чем отрицательная, действующая в том же направлении. При полете без противоперегрузочного костюма летчик сохраняет работоспособность, если сравнительно длительно действует перегрузка 2 – 4 ед. и кратковременно – перегрузка 5 – 6 ед. Противоперегрузочный костюм позволяет повысить перегрузки до 3 – 5 в первом случае и до 6 – 8 во втором. Отрицательные поперечные перегрузки не должны быть больше единицы.

Помимо перегрузки человек может испытывать состояние невесомости.

Полет по параболе – практически единственный метод воспроизведения невесомости на земле. Во время такого полета пилот сначала на высоте 6000 м поднимает нос самолета и начинает набор высоты до 7600 м. Этот этап длится около 20 с и в это время пассажиры испытывают перегрузку 1,8 g. Затем пилот уменьшает тягу двигателя почти до 0 и направляет самолет по параболической траектории. Самолет начинает свободное падение (тяга двигателей компенсирует только сопротивление воздуха). При этом самолет продолжает набор высоты. На высоте 8500 м самолет достигает вершины параболы и начинает терять высоту. В течение почти 20 с в самолете наблюдается невесомость.

В ходе многих испытаний выяснилось, что подавляющее большинство людей переносят кратковременную невесомость хорошо. Но даже натренированный на кратковременные невесомости человек, может страдать спутниковой болезнью.

У человека есть органы, которые отвечают за ощущение веса. Находятся они во внутреннем ухе, по обеим сторонам головы, а выглядят, как маленькие пластиночки. Под микроскопом видно, что каждая пластинка состоит из трех слоев: внутреннего – нервные клетки, среднего – чувствительные волоски, наружного – слизь, в которую вкраплены камешки, точнее кристаллы кальциевых солей. Из-за камешков весь орган был назван отолитовым. Благодаря этим органам человек всегда четко представляет, где небо, а где земля. Только в одном случае органы эти перестают работать, и человек утрачивает ориентировку в пространстве: при невесомости. Такая неестественная для земных условий ситуация приводит к разнообразным расстройствам. Спутниковая болезнь сопровождается головокружением, тошнотой и чувством страха.

Но в подобных случаях существует и еще одна проблема. У человека есть так называемая система гравитации. Это не что иное, как сформированная еще у наших далеких предков система, состоящая как из органов, воспринимающих вес, так и из центров, управляющих борьбой с его постоянным воздействием. Если бы системы антигравитации не существовало, мы не могли бы даже встать, ведь при это кровь переливалась бы в сосуды ног. Земное притяжение тянет кровь вниз, а система антигравитации – вверх. Стоит тяжесть убрать, как кровь устремляется вверх. Сосуды головы набухают, лицо становится отечным, нос закладывает, как при насморке, кровь переполняет вены и артерии легких, мешая дыханию, раздувает предсердия, нарушает работу сердца.

Со всеми этими проблемами, связанными как с перегрузками, так и с невесомостью, человеку приходиться справляться.

6. Заключение.

В данной работе мы пытались дать полную характеристику такому сложному понятию, как вес тела; пытались разобраться, какое значение играет вес в авиации.

Можно сказать однозначно, что понятие веса тела и, связанные с ним, перегрузка, состояние невесомости – неразрывно связаны с авиацией и космонавтикой. Влияние их на технические конструкции и живые организмы обязательно учитывается.

Поэтому, выбирая профессию, связанную с авиацией, необходимо хорошо ориентироваться в понятии веса тела и в том, какое влияние оказывает его изменение на технические характеристики механизмов, в том числе летательных аппаратов, а также на человека.

Список литературы

1. Брага В. Г. , Лысенко Н. М., Микиртумов Э. Б. Практическая аэродинамика самолетов с турбореактивными двигателями. – М: Воениздат, 1969

2. Коровин А. Е. Пособие летчику Як-52. – М.: «ДОСААФ СССР», 1987

3. Самолет Л-39. Альбом наглядных пособий. Под редакцией В.В.Ерофеева. – М.: Воениздат, 1990

4. Газета. 1сентября./ Физика № 3. – М.: Просвещение, 2006

5. Газета. 1 сентября./ Физика № 6. – М.: Просвещение, 2005.