Сообщение "Перегрузка и невесомость" (9 класс). Физика - рефераты, конспекты, шпаргалки, лекции, семинары

В данной статье репетитор по физике и математике рассказывает о том, как рассчитать перегрузку, которую испытывает тело в момент разгона или торможения. Данный материал очень плохо рассматривается в школе, поэтому школьники очень часто не знают, как осуществлять расчёт перегрузки , а ведь соответствующие задания встречаются на ЕГЭ и ОГЭ по физике. Так что дочитайте эту статью до конца или посмотрите прилагающийся видеоурок. Знания, которые вы получите, пригодятся вам на экзамене.

Начнём с определений. Перегрузкой называется отношение веса тела к величине силы тяжести, действующей на это тело у поверхности земли. Вес тела — это сила, которая действует со стороны тела на опору или подвес. Обратите внимание, вес — это именно сила! Поэтому измеряется вес в ньютонах, а не в килограммах, как некоторые считают.

Таком образом, перегрузка — это безразмерная величина (ньютоны делятся на ньютоны, в результате ничего не остаётся). Однако, иногда эту величину выражают в ускорениях свободного падения. Говорят, к примеру, что перегрузка равна , имея ввиду, что вес тела вдвое больше силы тяжести.

Примеры расчёта перегрузки

Покажем, как осуществлять расчёт перегрузки на конкретных примерах. Начнём с самых простых примеров и перейдём далее к более сложным.

Очевидно, что человек, стоящий на земле, не испытывает никаких перегрузок. Поэтому хочется сказать, что его перегрузка равна нулю. Но не будем делать поспешных выводов. Нарисуем силы, действующие на этого человека:

К человеку приложены две силы: сила тяжести , притягивающая тело к земле, и противодействующая ей со стороны земной поверхности сила реакции , направленная вверх. На самом деле, если быть точным, то эта сила приложена к подошвам ног человека. Но в данном конкретном случае, это не имеет значения, поэтому её можно отложить от любой точки тела. На рисунке она отложена от центра масс человека.

Вес человека приложен к опоре (к поверхности земли), в ответ в соответствии с 3-м законом Ньютона со стороны опоры на человека действует равная по величине и противоположно направленная сила . Значит для нахождения веса тела, нам нужно найти величину силы реакции опоры.

Поскольку человек стоит на месте и не проваливается сквозь землю, то силы, которые на него действуют скомпенсированы. То есть , и, соответственно, . То есть расчёт перегрузки в этом случае даёт следующий результат:

Запомните это! При отсутствии перегрузок перегрузка равна 1, а не 0. Как бы странно это не звучало.

Определим теперь, чему равна перегрузка человека, который находится в свободном падении.

Если человек пребывает в состоянии свободного падения, то на него действует только сила тяжести, которая ничем не уравновешивается. Силы реакции опоры нет, как нет и веса тела. Человек находится в так называемом состоянии невесомости. В этом случае перегрузка равна 0.

Космонавты находятся в горизонтальном положении в ракете во время её старта. Только так они могут выдержать перегрузки, которые они испытывают, не потеряв при этом сознания. Изобразим это на рисунке:

В этом состоянии на них действует две силы: сила реакции опоры и сила тяжести . Как и в прошлом примере, модуль веса космонавтов равен величине силы реакции опоры: . Отличие будет состоять в том, что сила реакции опоры уже не равна силе тяжести, как в прошлый раз, поскольку ракета движется вверх с ускорением . С этим же ускорением синхронно с ракетой ускоряются и космонавты.

Тогда в соответствии со 2-м законом Ньютона в проекции на ось Y (см. рисунок), получаем следующее выражение: , откуда . То есть искомая перегрузка равна:

Надо сказать, что это не самая большая перегрузка, которую приходится испытывать космонавтам во время старта ракеты. Перегрузка может доходить до 7. Длительное воздействие таких перегрузок на тело человека неминуемо приводит к летальному исходу.

В нижней точке «мёртвой петли» на пилота будут действовать две силы: вниз — сила , вверх, к центру «мёртвой петли», — сила (со стороны кресла, в котором сидит пилот):

Туда же будет направлено центростремительное ускорение пилота , где км/ч м/с — скорость самолёта, — радиус «мёртвой петли». Тогда вновь в соответствии со 2-м законом Ньютона в проекции на ось, направленную вертикально вверх, получаем следующее уравнение:

Тогда вес равен . Итак, расчёт перегрузки даёт следующий результат:

Весьма существенная перегрузка. Спасает жизнь пилота только то, что действует она не очень длительно.

Ну и напоследок, рассчитаем перегрузку, которую испытывает водитель автомобиля при разгоне.

Итак, конечная скорость автомобиля равна км/ч м/с. Если автомобиль ускоряется до этой скорости из состояния покоя за c, то его ускорение равно м/с 2 .Автомобиль движется горизонтально, следовательно, вертикальная составляющая силы реакции опоры уравновешена силой тяжести, то есть . В горизонтальном направлении водитель ускоряется вместе с автомобилем. Следовательно, по 2-закону Ньютона в проекции на ось, сонаправленную с ускорением, горизонтальная составляющая силы реакции опоры равна .

Величину общей силы реакции опоры найдём по теореме Пифагора: . Она будет равна модулю веса. То есть искомая перегрузка будет равна:

Сегодня мы научились рассчитывать перегрузку. Запомните этот материал, он может пригодиться при решении заданий из ЕГЭ или ОГЭ по физике, а также на различных вступительных экзаменах и олимпиадах.

Материал подготовил , Сергей Валерьевич

>>Физика: Перегрузки и невесомость

«...Взгляд мой остановился на часах. Стрелки показывали 9 часов 7 минут по московскому времени. Я услышал свист и все нарастающий гул, почувствовал, как гигантская ракета задрожала всем своим корпусом и медленно, очень медленно оторвалась от стартового устройства... Могучие Двигатели ракеты создавали музыку будущего, наверное, еще более волнующую и прекрасную, чем величайшие творения прошлого...» Так описывал свой старт в космос 12 апреля 1961 г. первый космонавт Юрий Алексеевич Гагарин (1934-1968).
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 а направлено вверх, то преобладающей оказывается сила реакции опоры: N>mg . Их равнодействующая F=N-mg по второму закону Ньютона равна произведению массы на ускорение:

откуда

Вес космонавта Р по третьему закону Ньютона равен по величине силе реакции N , поэтому

До старта ракеты вес космонавта был равен силе тяжести mg . Теперь, как это видно из последнего равенства, его вес увеличился, превысив силу тяжести на величину mа .
Состояние тела, при котором его вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой .
«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 а/g , которое обозначают буквой n и называют коэффициентом перегрузки. При n -кратной перегрузке, т е. когда а=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: а=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. тg. Поэтому

откуда

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.
Состояние тела, при котором его вес равен нулю, называется невесомостью .
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 че¬ловека. Она оказывает существенное влияние на многие его функции: слабеют мышцы и кости, организм обезвоживается и т. д. Однако все эта 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.

???
1. Что такое перегрузка? Когда она наступает?
2. Что называют коэффициентом перегрузки?
3. Во сколько раз увеличивается вес тела при n-кратной перегрузке? Почему?
4. Какие силы действуют на космонавта в стартующей ракете? Как они направлены? Какая из них больше? Сделайте соответствующий рисунок.
5. Что такое невесомость? Когда она возникает?
6. Как невесомость влияет на организм человека?

Скачать учебники и книги онлайн, планирование по физике , курсы и задания по физике для 9 класса

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Во время старта космического корабля космонавты испытывают перегрузок. Этот термин означает, что вес космонавта по модулю становится больше силу тяжести. Выясним, почему это происходит.

После включения ракетного двигателя, когда ракета начинает разгоняться, ее движение и движение космонавта осуществляются с ускорением, направленным вертикально вверх. При этом вес космонавта будет больше силу тяготения:

P = m (g + a)> mg.

^ Отношение силы, с которой тело давит на опору в случае ускоренного движения вверх, к его весу в инерциальной системе отсчета называют перегрузкой. Когда вес тела больше силы тяжести, говорят, что тело испытывает перегрузки. Перегрузка испытывают пассажиры лифтов, космонавты при взлете на ракете в космос, летчики при выходе из пикирования и т.д.. Вследствие перегрузки увеличивается не только вес человека в целом, но и каждого ее органа. Здоровый человек может без вреда для своего здоровья выдерживать кратковременные трехкратные перегрузки, т.е. увеличение веса втрое. Космонавтам же во время старта и посадки космического корабля приходится выдерживать многократные перегрузки.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. При каких условиях вес тела равен по модулю силе тяжести, действующей на это тело?

2. Ли вес гиря, висит на нитке? Чему равна вес, если нить перерезать?

3. Ли вес у дерева, растущего во дворе?

4. Камень бросили вертикально вверх. В какие моменты полета он находится в состоянии невесомости, если можно пренебречь сопротивлением воздуха? Изменится ответ, если камень бросить под углом к горизонту?

5. Почему необходимо учитывать перегрузки?

6. Что общего в падении тел на Землю, вращении Луны вокруг Земли, приливах и отливах?

Закрепление изученного материала

1. Тренируемся решать задачи

1. В лифте установили динамометр, на котором подвесили тело массой 1 кг. Что покажет динамометр, если:

а) лифт движется равномерно;

б) лифт поднимается вверх с ускорением 5 м/с2;

в) лифт опускается вниз с ускорением 5 м/с2?

2. Самолет делает «мертвую петлю», описывая в вертикальной плоскости окружность радиусом 250 м. Во сколько раз вес летчика в нижней части траектории больше силы тяжести, если скорость самолета - 100 м / с?

3. Ученик утверждает, что вес человека, находящегося в лифте, обязательно увеличивается, когда лифт движется вверх, и уменьшается, когда лифт движется вниз. Согласны ли вы с этим утверждением? Решение

Утверждение неверно: вес зависит не от скорости лифта, а от его ускорения.

4. Космический корабль сразу же после старта движется вертикально вверх с ускорением 40 м/с2. С какой силой космонавт массой 70 кг давит на кресло кабины? Чему равна в этом случае коэффициент перегрузки?

2. Контрольные вопросы

1. Приведите примеры движений, когда вес тела равен силе тяжести, действующей на это тело.

2. Приведите примеры движений, при которых вес тела меньше силу тяжести, действующая на него (больше силы тяжести, действующей на него).

3. Или исчезает сила притяжения тела к Земле во время перехода тела в состояние невесомости?

4. Когда возникают перегрузки?

5. Зависит вес тела от его местонахождения?

Презентация по физике на тему: «Физика в космосе.» Перегрузка. Проект обучающихся 9 «А» класса: Майоровой Валерии, Манякина Вячеслава, Остаевой Аланы, Джантемировой Лады.

Введение. Физика - одна из основных наук о природе. Законы физики - это законы мира, в котором мы живем. Название этой науки - " physis " - ввел древнегреческий ученый Аристотель (384 - 322 гг до н.э.). В переводе на русский язык это слово означает "природа", но под природой Аристотель понимал не просто окружающий человека мир, не естественную среду его обитания, а сущность вещей и событий - то, из чего состоит все сущее в мире, и то как, и почему именно так, все происходит в мире. Все что происходит в окружающем нас мире принято называть явлением.

Мы называем космосом то пространство, которое окружает со всех сторон нашу планету Земля и является вечным и бесконечным. Космос и все, что в нем находится, называется Вселенная. Многие ученые считают, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, происшедшего около 14 млрд. лет тому назад. Вся материя и энергия сегодняшней Вселенной была сконцентрирована в одном месте. Во время взрыва, имевшего огромные масштабы, из этого космического концентрата была выброшена вся Вселенная.

Что такое перегрузка? Состояние тела, при котором его вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой. При перегрузке не только всё 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, её прилив или отлив в голове и т. д. Формула: P = N = m (a + g)

Акробатический манёвр с увеличением угла тангажа (например, ввод в горку) сопровождается положительной перегрузкой - тело весит больше, чем обычно.

Перегрузка в космосе. Перегрузки космонавт испытывает при старте и возвращении космического корабля. При старте на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g . Другими словами, вес космонавта во время запуска корабля как бы увеличивается в семь раз. Человек легче всего переносит перегрузки, действующие в горизонтальной плоскости, хуже – в вертикальной. Однако способность переносить перегрузки (величина допустимых перегрузок) у разных людей различна и зависит от ряда факторов, например от скорости нарастания перегрузки, температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания космонавта в условиях невесомости до начала ускорения и даже от эмоционального состояния космонавта. Существуют, несомненно, и другие более сложные или менее уловимые факторы, влияние которых еще не совсем выяснено.

Перегрузки, связанные с ускорением, вызывают значительное ухудшение функционального состояния организма человека: замедляется ток крови в системе кровообращения, снижаются острота зрения и мышечная активность. Под действием ускорения, превышающего 1 g , у космонавта могут появиться нарушения зрения. При ускорении 3 g в вертикальном направлении, длящемся более 3 секунд, могут возникнуть серьезные нарушения периферического зрения. С увеличением перегрузок острота зрения уменьшается, 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 так называемая окологиральная иллюзия является следствием воздействия перегрузок на полукружные каналы (органы внутреннего уха). Чтобы ослабить действие высоких ускорений, космонавта помещают в космическом корабле таким образом, чтобы перегрузки были направлены по горизонтальной оси.

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. По статистике, космонавты редко испытывают перегрузки, превышающие 4g .

Механическая работа животного. Эргометрия

Механикой называют раздел физики, в котором изучается механическое движение материальных тел.

Механическая работа, которую способно совершить животное в течение дня, зависит от многих факторов, поэтому трудно указать какую-либо определенную величину. Это замечание относится и к мощности.

Так, например, при ходьбе животное совершает работу, так как при этом энергия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и на ускорение и замедление конечностей.

Работа обращается в ноль, если перемещения нет. Поэтому когда груз находится на подставке или подвешен на нити, сила тяжести не совершает работу. Однако каждому из нас знакома усталость мышц руки и плеча, если держать неподвижно на вытянутой руке гирю или гантель. Точно так же устают мышцы спины и поясничной области, если сидячему человеку поместить на спину груз. В обоих случаях груз неподвижен и работы нет. Усталость же свидетельствует о том, что мышцы совершают работу. Такую работу называют статической работой мышц .

Статики (неподвижности) такой, как ее понимают в механике, на самом деле нет. Происходят очень мелкие и частые, незаметные глазу сокращения и расслабления, и при этом совершается работа против сил тяжести. Т.о., статическая работа на самом деле является обычной динамической работой.

Для измерения работы мышц применяют приборы, называемые – эргометрами . Соответствующий раздел измерительной техники называется эргометрией .

В обычных условиях на животное действуют сила тяжести и сила реакции опоры. При отсутствии ускорения эти силы равны и противоположено направлены. Такое состояние естественно.

При ускоренном движении системы могут возникнуть особые состояния, называемые перегрузками и невесомостью.

Рисунок 1.

Рассмотрим некоторые примеры.

Пусть человек находится в кабине лифта (в ракете), который поднимается вверх с ускорением а (рисунок 1а). На человека действует сила тяжести mg и сила реакции опоры N. По второму закону Ньютона

или в скалярной форме с учетом направления сил

В этом случае сила реакции опоры больше силы тяжести, и возникают перегрузки . Перегрузка выражается отношением

Перегрузки могут оказывать существенное влияние на организм, так как в этих состояниях происходит отток крови, изменяется взаимное давление внутренних органов друг на друга, возникает их деформация и т.п. Поэтому животные способны выдерживать лишь ограниченные перегрузки.

Если лифт (или космический корабль) ускоренно движется вниз (рис.1б) или замедленно вверх, то

Как видно, сила реакции опоры меньше чем сила тяжести. Если а=g, то N=0 – состояние невесомости . Это такое состояние, при котором действующие на систему внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц системы друг на друга.

Для биологических объектов невесомость – необычное состояние, хотя в обыденной жизни встречается кратковременные периоды частичной невесомости: прыжки, качели, начало движения вниз скоростного лифта и т.п.

Отсутствие действия опоры при невесомости приводит к общей детренированности организма и связанному с этим снижению работоспособности. При этом уменьшается мышечная масса, происходит деминерализация костной ткани, кров равномерно распределяется в организме, это означает, что верхняя часть тела переполнена кровью по сравнению с обычным состоянием, ощущается тяжесть в голове, появляется отечность лица.