Физическая характеристика ультразвука




Ультразвуковые волны – это не слышимые человеческим ухом механические колебания частиц среды с частотой 16000 – 20000Гц, по своим свойствам они подобны как звуковым, так и электромагнитным световым волнам.

Пластинки кварца или упругого вещества, врезанные определенным образом к осям кристалла характеризуются тем, что на противоположных гранях пластинки, при сжатии образуются разноименные заряды. При растяжении так же появляются электрозаряды, но знаки их противоположны, тем, что были при сжатии. Так сжимая и растягивая пластинку мы можем вызвать появление перемен. Если эту пластинку соединить с источником переменного тока, то одновременно с изменением полярности будет изменяться толщина пластинки. Это явление носит название – обратный пьезоэлектрический эффект.

Характеристики ультразвуковых колебаний:

1. Длина волны,

2. Частота,

3. Амплитуда.

При прохождении в среду – часть ультразвука может преломляться и отражаться.

Ультразвук практически не переходит в воздух, а полностью поглощается воздухом. Следовательно, между излучателем и тканью не должно быть ни малейшей прослойки воздуха. Для этого используют контактное вещество-вазелин, глицерин, мази, масла, вода.

От пограничных отделов (кварц – вода, кварц – масло) отражается до 60% ультразвуковой энергии. Под общей мощностью понимают всю энергию, излучаемую вибраторами, а под интенсивностью – энергия, проходящая через 1см площади вибратора за 1 сек.

Виды режимов генерализации ультразвука:

1. Непрерывный,

2. Импульсный.

Импульсный режим как более щадящий рекомендуется в детской практике, при выраженности в картине заболевания неврогенного компонента, болевого синдрома, при воздействии на нервную ткань, в гинекологии.

Поглощение ультразвука зависит от частоты колебаний, свойств среды: с повышением упругих свойств среды поглощение ультразвука усиливается. Тканями человека ультразвуковые волны поглощаются неравномерно - слабо в подкожно-жировой клетчатке, больше в мышцах, нервах, особенно – в костях.

особенности ультразвука.
Хотя физическая природа УЗ и управляющие его распространением основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, определяющих его значимость в науке и технике. Они обусловлены его относительно высокими частотами и, соответственно, малой длиной волны. Для низкочастотной области УЗ длины волн не превышают в большинстве случаев нескольких сантиметров и лишь вблизи нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков сантиметров. УЗВ затухают значительно быстрее, чем волны низкочастотного диапазона, так как коэффициент поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты.
Еще одна весьма важная особенность УЗ — возможность получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты. Амплитуда колебательного смещения на практике ограничена прочностью акустических излучателей. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация — возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их захлопывание, слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы.
Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты. Например, с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением гидростатического давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты обычно приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующего началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и пр. Для воды в низкочастотном ультразвуковом диапазоне при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3—1 Вт/см3.

 

12. Инфразвук. Возникновение инфразвуковых волн в природе. Техногенные источники инфразвука

Инфразвук представляет собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде с частотами менее 20 Гц. Инфразвуковые колебания подчиняются в основном тем же закономерностям, что и звуковые, но низкая частота колебаний придает и некоторые особенности.

Инфразвук отличается от слышимых звуков значительно большей длиной волны. Распространение инфразвука в воздушной среде происходит, в отличие от шума, на большое расстояние от источника, вследствие малого поглощения его энергии. Инфразвук характеризуется теми же параметрами, как и звук. Чем больше амплитуда колебаний, тем больше инфразвуковое давление и соответственно сила инфразвука.

Инфразвуковое давление выражается в ньютонах на квадратный метр (Н/м2). Единицей измерения интенсивности инфразвука является ватт на квадратный метр (Вт/м2). Инфразвук характеризуется частотой колебаний, которая регистрируется в герцах (Гц). Уровень интенсивности инфразвука выражается в децибелах (дБ). Важной характеристикой инфразвука является энергетический спектр его мощности, т.е. распределение ее по частотам.

Воздействию инфразвука человек может подвергаться во время работы и период отдыха. Многие явления природы - землетрясение, извержение вулканов, морские бури - генерируют инфразвуковые волны.

В современном производстве инфразвуковые колебания в настоящее время имеют широкое распространение. Они образуются при работе компрессоров, турбин, дизельных двигателей, электровозов, промышленных вентиляторов и других крупногабаритных машин и механизмов.

Промышленными источниками инфразвуковых волн являются механизмы и агрегаты, имеющие поверхности больших размеров, совершающие вращательные и возвратно-поступательные движения с повторением циклов, менее чем в 20 раз в секунду и турбулентные процессы при движении больших потоков газов или жидкости.

Мощным источником инфразвуковых волн в процессе работы компрессорных машин является воздухозаборная система. Спектры шума всасывания имеют четко выраженный гармонический характер на низких частотах и широкополосный на высоких.

Уровень звуковой мощности шума воздухозаборной системы прямо пропорционально мощности компрессора. Увеличение мощности компрессора вдвое повышает уровень звуковой мощности на 3 дБ.

Инфразвуковые колебания имеют место в авиации и космической технике. Источниками инфразвука в авиации является турбина и компрессор реактивного двигателя. Реактивные двигатели и ракеты генерируют высокие уровни инфразвукового давления с максимальной энергией в низкочастотной области спектра (в диапазоне от 1 до 100 Гц).

Инфразвук влияет на весь организм, отражаясь на его здоровье и работоспособности.

В результате длительного воздействия низкочастотных колебаний у человека развивается незначительная астения, появляется слабость, утомляемость, снижается работоспособность, появляется раздражительность, нарушается сон. У некоторых лиц появляются нервно-вегетативные нарушения и даже отмечаются психические нарушения.

У лиц находящихся на расстоянии 200 - 300 м от реактивных самолетов, появляется чувство беспричинного страха, повышается артериальное давление, наблюдаются случаи обморочного состояния. При работе реактивных двигателей возникает сотрясение грудной клетки и брюшной полости, появляется состояние, напоминающее морскую болезнь, развивается головокружение, тошнота.

Особенностью действия инфразвука является высокая специфическая чувствительность органа слуха к низкочастотным колебаниям. Описаны случаи неблагоприятного действия инфразвука (патология среднего уха) на рабочих, обслуживающих дизельэнергии, возникает утомление, головная боль, головокружение, вестибулярные нарушения, снижается острота зрения и слуха, изменяется ритм дыхания и сердечных сокращений, кровяное давление; могут быть нарушения периферического кровообращения, центральной нервной системы, пищеварения. После воздействия инфразвука появляется ощущение колебания внутренних органов, брюшной стенки, отдельных групп мышц. Частоты 2-15 Гц являются особенно нежелательными из-за резонансных явлений в организме. Инфразвук с частотой 7 Гц наиболее опасен для человека, так как возможно его совпадение с (-ритмом биотоков мозга.

Таким образом, инфразвук как профессиональный фактор может воздействовать на весь организм человека и оказывает специфическое действие на орган слуха.

Снижение интенсивности инфразвука на производстве - одна из первоочередных задач гигиены труда. В настоящее время уровни интенсивности инфразвуковых колебаний не нормируются вследствие недостаточной их изученности.

Борьба с неблагоприятным воздействием производственного инфразвука включает целый комплекс мероприятий, относящийся к технической медицинской компетенции и должна проводиться в следующих направлениях:

1) ослабление инфразвука в его источнике, устранение причин возникновения;

2) изоляция инфразвука;

3) поглощение инфразвука, постановка глушителей;

4) индивидуальные средства защиты;

5) медицинские мероприятия по профилактике.

Уменьшение интенсивности инфразвука, генерируемого агрегатами или механизмами, является сложной технической задачей, поэтому вопросы уменьшения интенсивности низкочастотных колебаний рационально решать на стадии проектирования:

- борьба с инфразвуком должна начинаться с разработки проектного задания на строительство предприятия;

- для уменьшения амплитуды инфразвуковых колебаний могут быть использованы следующие способы: интерференционный, отражения звуковых волн к источнику их генерирования, поглощения звуковой энергии и некоторые другие;

- используются динамические глушители, для уменьшения интенсивности шума всасывания компрессоров типа ВП 20/8М может применяться двухкамерный кольцевой гаситель;

- защита органов слуха применением противошумов согласно ГОСТ(у) 15762-70;

- проведение предварительных и периодических медицинских осмотров согласно приказа МЗ РФ №90 от 14.03.96.

 

Инфразвук в природе является её неотъемлемой частью. Хоть мы его и не слышим, он содержится в шуме моря, леса и даже атмосферы. А его источником являются такие природные явления как гром и человеческие деяние как взрывы и выстрелы.

Так же не стоит забывать про земную кору, движения которой так же вызывают инфразвуковые колебания. Например, когда вы летите на самолете сквозь облака, казалось бы, бесшумный разрыв облаков, а, оказывается, имеет свой звуковой диапазон.

Способность инфразвука распространятся на большие расстояния, помогает людям ориентироваться. К примеру, если нужно определить местонахождение сильного взрыва. Инфразвук распространятся так же в море, что позволяет людям предсказать стихийное бедствие.

В природе инфразвук содержится не только благодаря действиям человека, но и сам по себе.

При сильном ветре над морем возникают инфразвуковые волны, это происходит из-за вихреобразования волн. А благодаря тому, что скорость инфразвука быстрее скорости шторма мы можем предсказать шторм.

А так же не будем забывать про животных, некоторые из них могут слышать инфразвук. Поэтому медузы, слышащие инфразвуковые волны, оповещение о шторме, ещё за 20 минут до начала уже все знают и уходят на глубину.

Дельфины могут слышать звуки примерно в 30 раз ниже и в 10 раз выше слухового диапазона человека. У дельфинов нет возможности хорошо видеть своё окружающую среду, поэтому они делают это с помощью звука, слушая эхо, которое отражается от окружающих предметов. Это позволяет им не хуже чем нам воспринимать то, что находится вокруг них, так как отражение звука дает им полную информацию формы, размером материалов, иными словами всего, что их окружает.

Человек тоже часть природы, рассмотрим воздействие инфразвука на человека.

Гавро, французский исследователь обнаружил, что инфразвук на определенных частотах может вызвать у человека неудобства, а именно чувства тревоги, беспокойства. Более того, существует такая чистота инфразвука, а именно 7 Гц, которая может привести к летальному исходу человека.

Из-за чего же это происходит? Медики исследовали резонанс, резонанс брюшной полости человека, который возникал при инфразвуковых волнах 4-8 Гц. Исследователи стягивали область брюшной полости ремнями. Это несколько помогло, чистота резонанса повысилась, но физиологическое воздействие не стало слабее.

Так же резонируют и легкие, более того, они оказывают самое малое сопротивление, из-за чего, в конце концов, стенки легких повреждаются.

Инфразвук так же негативно влияет на кровеносные сосуды, французские исследователи определили, что при воздействии на человека инфразвука с чистотой близко 7,5 Гц – изменяется чистота дыхания, ритм сердца, повышается утомляемость, а так же страдают функции слуха и зрения.

И так, инфразвук в природе играет как позитивную, так и негативную роль. Слишком низкие чистоты инфразвука могут и негативно влиять на человека. Но тем не менее благодаря инфразвуку мы можем предвещать стихийные бедствия, благодаря ему некоторые животные могут прекрасно ориентироваться в пространстве, не видя его, так же инфразвук дает им возможность общаться.

 

К основным техногенным источникам инфразвука относится мощное оборудование - станки, котельные, транспорт, подводные и подземные взрывы. Кроме того, инфразвук излучают ветряные электростанции. Природные источники мощного инфразвука – ураганы, извержения вулканов, электрические разряды и резкие колебания давления в атмосфере (уровень от 60 до 90 дБ. Но в этой вредной области инфразвука человек быстро догоняет природу и в ряде случаев уже перегнал ее. Так, при запуске космических ракет типа “Аполлон” рекомендуемое (кратковременное) значение инфразвукового уровня для космонавтов составляло 140 дБ(!), а для обслуживающего персонала и окружающего населения 120 дБ(!). Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разнообразных источников, в том числе от взрывов обвалов и транспортных возбудителей. Он содержатся в шуме атмосферы, леса и моря, их источник — турбулентность атмосферы и ветер (пример, так называемый "голос моря" — инфразвуковые колебания, образующиеся от завихрений ветра на гребнях морских волн, существует и другие виды инфразвуковых волн ветрового происхождения). В воздухе возникают не только поперечные колебания, но и продольные, сила возникающего инфразвука пропорциональна квадрату длины волн. При скорости ветра 20 м/с мощность «голоса» может достигать 3 Вт с каждого метра фронта волны. При определенных условиях шторм генерирует инфразвук мощностью уже в десятки кВт. Причем основное излучение инфразвука идет приблизительно в диапазоне около 6 Гц — наиболее опасном для человека. Надо добавить, что «голос», распространяясь со скоростью звука, значительно опережает ветер и морские волны, к тому же инфразвук весьма слабо рассеивается с расстоянием. В принципе он может распространяться без значительного ослабления на сотни и тысячи километров, как в воздухе, так и в воде, причем скорость водяной волны в несколько раз превышает скорость воздушной. Так что — где-то бушует шторм, а в тысяче километров от этого места экипаж какой-то шхуны сходит от 6-герцового излучения с ума и в ужасе бросается в абсолютно спокойное море. При колебаниях порядка 6 герц человек испытывает чувство беспокойства, часто переходящее в безотчетный ужас; при 7 герцах возможен паралич сердца и нервной системы; при колебаниях на порядок выше возможно разрушение технических устройств. В общем, источников инфразвука довольно таки много. Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию интенсивности уровня инфразвука. Краткое описание техногенных источников инфразвука приведено в нижеследующей таблице

 

13. Консервативные и диссипативные силы. Сила тяжести. Закон всемирного тяготения. Работа силы тяжести. Космические скорости

Консервативная и Диссипативная сила. Потенциальное поле.

Консервативными силами называются силы, работа которых не зависит от пути перехода тела или системы из начального положения в конечное. Характерное свойство таких сил – работа на замкнутой траектории равна нулю:

 

 

К консервативным силам относятся: сила тяжести, гравитационная сила, сила упругости и другие силы.

Неконсервативными(диссипативными) силами называются силы, работа которых зависит от пути перехода тела или системы из начального положения в конечное. Работа этих сил на замкнутой траектории отлична от нуля. К неконсервативным силам относятся: сила трения, сила тяги и другие силы.

 

Пусть взаимодействие тел осуществляется посредством силовых полей (например, поля упругих сил, поля гравитационных сил), характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Такие поля называются потенциальными, а силы, действующие в них, — консервативными

2.Потенциальная энергия гравитационной силы. Работа по поднятию тела.

Найдем, чему равна работа А, совершаемая при подъеме тела весом Р на высоту h. Будем считать, что поднятие тела происходит медленно и что силами трения при подъеме можно пренебречь. Мы уже знаем что произведенная работа против силы тяжести не будет зависеть от того, как мы поднимаем тело: по вертикали (как гирю в часах), по наклонной плоскости (как при втаскивании санок в гору) или еще каким-либо способом. Во всех случаях эта работа будет равна А = Рh. При опускании тела на первоначальный уровень сила тяжести произведет такую же работу, какая была затрачена на подъем тела. Значит, поднимая тело, мы запасли работу, равную Ph, т. е. поднятое тело обладает энергией, равной произведению веса тела на высоту поднятия.

Эта энергия не зависит от того, по какому пути происходил подъем, а определяется лишь положением тела (высотой, на которую оно поднято). Поэтому эту энергию называют энергией положения. Чаще ее называют потенциальной энергией.

Итак, потенциальная энергия Еп тела, поднятого на некоторую высоту, выражается формулой

Eп = Ph. (97.1)

Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия системы двух материальных точек с массами m и М, находящихся на расстоянии r одна от другой, равна: Ep= G*(M*m)/r

где G – гравитационная постоянная, а нуль отсчета потенциальной энергии (Еp = 0) принят при r = ∞. Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия тела массой т с Землей, где h – высота тела над поверхностью Земли, М3 – масса Земли, R3 – радиус Земли, а нуль отсчета потенциальной энергии выбран при h = 0.

Ep= G*(Mз*m*h)/(Rз(Rз+h))

При том же условии выбора нуля отсчета потенциальная энергия гравитационного взаимодействия тела массой т с Землей для малых высот h равна

Еp = m∙g∙h, где g=G*Mз/Rз^2– модуль ускорения свободного падения вблизи поверхности Земли.

 

Сила тяжести - это сила, с которой тело притягивается к Земле вследствие Всемирного тяготения. Сила тяжести заставляет все тела, на которые не действуют другие силы, двигаться вниз с ускорением свободного падения, g. Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу, причем, чем больше их массы и чем ближе они расположены, тем притяжение сильнее. Чтобы вычислить силу тяжести, следует массу тела умножить на коэффициент, обозначаемый буквой g, приближенно равный 9,8Н/кг. Таким образом, сила тяжести рассчитывается по формуле

F = mg

Сила тяжести приблизительно равна силе гравитационного притяжения к Земле (различие между силой тяжести и гравитационной силой обусловлено тем, что система отсчета, связанная с Землей, не вполне инерциальная).

Сила трения.
Сила трения- Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному переме­щению. Направление силы трения противоположно направлению движения.

Различают силу трения покоя и силу трения скольжения. Если тело скользит по какой-либо поверхности, его движению препятствует сила трения скольжения.

, где N — сила реакции опоры, a μ — коэффициент трения скольжения. Коэф­фициент μ зависит от материала и качества обработки соприкасающихся поверхностей и не зависит от веса тела. Коэффициент трения определяется опытным путем.

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно движению тела. При изменении на­правления скорости изменяется и направление си­лы трения.

Сила трения начинает действовать на тело, когда его пытаются сдвинуть с места. Если внешняя сила F меньше произведения μN, то тело не будет сдвигаться — началу движения, как принято гово­рить, мешает сила трения покоя. Тело начнет дви­жение только тогда, когда внешняя сила F превы­сит максимальное значение, которое может иметь сила трения покоя

Трение покоя – сила трения, препятствующая возникновению движению одного тела по поверхности другого. В некоторых случаях трение полезно (без трения невозможно было бы ходить по земле человеку, жи­вотным, двигаться автомобилям, поездам и т.д.), в таких случаях трение усиливают. Но в других слу­чаях трение вредно. Например, из-за него изнаши­ваются трущиеся детали механизмов, расходуется лишнее горючее на транспорте и т.д. Тогда с трением борются, применяя смазку или заменяя скольжение на качку.

Силы трения не зависят от координат относительного расположения тел, они могут зависеть от скорости относительного движения соприкасающихся тел. Силы трения являются непотенциальными силами.

Вес и невесомость.

Вес - сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести. При этом возникшие упругие силы начинают действовать на тело с результирующей P, направленной вверх, а сумма сил, приложенных к телу, становится равной нулю. Сила тяжести прямо пропорциональна массе тела и зависит от ускорения свободного падения, которое максимально у полюсов Земли и постепенно уменьшается при движении к экватору. Сплюснутая у полюсов форма Земли и её вращение вокруг оси приводят к тому, что у экватора ускорение свободного падения приблизительно на 0,5% меньше, чем у полюсов. Поэтому вес тела, измеренный с помощью пружинных весов, будет меньше на экваторе, чем у полюсов. Вес тела на Земле может изменяться в очень широких пределах, а иногда даже исчезать.

Например, в падающем лифте наш вес будет равен 0,а мы будем находится в состоянии невесомости. Однако состояние невесомости может быть не только в кабине падающего лифта, но и на космической станции, вращающейся вокруг Земли. Вращаясь по окружности, спутник движется с центростремительным ускорением, и единственной силой, которая может дать ему это ускорение, является сила тяжести. Поэтому вместе со спутником вращаясь вокруг Земли, мы движемся с ускорением a=g, направленным к её центру. И если мы, находясь на спутнике, встали на пружинные весы, то P=0. Таким образом, на спутнике вес всех тел равен нулю.

 

Закон гравитационного взаимодействия тел в классической механике носит название закона всемирного тяготения. Этот закон был установлен И.Ньютоном на основе анализа законов движения планет Солнечной системы, открытых И.Кеплером. Согласно этому закону, все тела в природе взаимно притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

(47)

где G – коэффициент пропорциональности, называемый гравитационной постоянной. Направлена сила вдоль прямой, проходящей через взаимодействующие тела (рис. 17). Формула (47) дает численное значение равных по величине и противоположно направленных сил и .

Тела, о которых идет речь в соотношении (47), представляют собой, очевидно, материальные точки. Для определения силы взаимодействия тел, которые не могут рассматриваться как материальные точки, их нужно разбить на элементарные объемы ΔVi, каждый из которых можно было бы принять за материальную точку. Каждый такой объем будет иметь массу Δmi. Затем, согласно формуле (47), вычисляются силы притяжения, действующие между всеми возможными элементарными массами в обоих телах, и результирующая сила притяжения вычисляется как векторная сумма (суперпозиция) всех элементарных сил. Практически такое суммирование сводится к интегрированию и является очень сложной математической задачей.

Рис. 17.

Гравитационное взаимодействие двух тел (материальных точек)

Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением в формуле (31) принимается равным единице. Тем самым определяется единица измерения силы. Коэффициент пропорциональности в формуле (47) уже невозможно приравнять единице, поскольку единицы измерения всех величин уже определены. Поэтому коэффициентом пропорциональности в формуле (47) является не равная единице величина, имеющая размерность и носящая особое название – гравитационная постоянная. Ее значение (с определенной точностью):

G = 6,67545×10−11 м³/(кг ·с²). (48)

Ее физический смысл можно сформулировать следующим образом: гравитационная постоянная численно равна силе, с которой притягиваются две материальные точки массой 1 кг, находящиеся на расстоянии 1м друг от друга.

Как видно, гравитационная сила взаимодействия тел весьма мала. Она имеет существенное значение только при очень больших массах взаимодействующих тел.

Величина гравитационной постоянной не зависит от природы взаимодействующих тел, оно одно и то же для всех материальных тел. Ее значение определяется экспериментально. Первый эксперимент по измерению гравитационной постоянной провел Генри Кавендиш в 1798 г. В своем эксперименте он использовал так называемые крутильные весы (рис. 18). Два свинцовых шара m (с массой 729 г каждый), прикрепленных к концам легкого коромысла, помещались вблизи симметрично расположенных шаров М (с массой по 158 кг). Коромысло подвешивалось на упругой нити. Верхний конец нити был закреплен в установочной головке, поворотом которой можно было менять расстояние между шарами m и М. Сила притяжения шаров m и М определялась по углу закручивания нити, поскольку по закону Гука этот угол пропорционален силе упругости, которая уравновешивает силу взаимодействия шаров.

Рис. 18.

Схема опыта Г. Кавендиша

Понятие «масса» фигурирует в двух разных законах – во втором законе Ньютона (31) и в законе всемирного тяготения (47). В первом случае она характеризует инертные свойства тела, во втором – гравитационные свойства, то есть способность тел притягиваться друг к другу. В связи с этим возникает вопрос, не следует ли различать инертную массу min и массу гравитационную (или тяготеющую) mg? Ответ на этот вопрос может дать только опыт.

Еще в XVII в. Г. Галилей экспериментально установил, что в поле тяжести Земли все тела падают с одним и тем же ускорением. Из этого экспериментального факта следует равенство инерционной и гравитационной масс. В самом деле, рассмотрим 2 тела с разными массами. Обозначим инерционную и гравитационную массы этих тел как m1in, m1g, m2in, m2g. Пусть g – ускорение свободного падения, M – масса Земли, R – ее радиус. Тогда можно написать:

Разделив первое уравнение на второе получим:

т. е. инерционные массы пропорциональны гравитационным. При надлежащем выборе системы единиц можно сделать коэффициент пропорциональности равным единице и получить следующий вывод:

 

Пусть точка переместилась из положения М0 в положение М1, как показано на рис.17. Силу тяжести на этом перемещении считаем постоянной.

Это можно сделать, если перемещение происходит вблизи поверхности земли. Для определения работы силы тяжести воспользуемся формулой (28).

Из рис. 17 видно, что: Fx = Fy = 0, а Fz = - G, тогда

Окончательно

Работа силы тяжести тела равна произведению силы тяжести на высоту. при этом работа положительна, если тело опускается вниз, и отрицательна, если тело поднимается. Работа силы тяжести не зависит от траектории, по которой перемещается точка, а зависит лишь от её начального и конечного положения. Работа силы тяжести на замкнутом перемещении равна нулю.

 

Для запуска ракет в космическое пространство надо в зависимости от поставленных целей сообщать им определенные начальные скорости, называемые космическими.

Первой космической (или круговой) скоростью называют такую минимальную скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно могло двигаться вокруг Земли по круговой орбите, т. е. превратиться в искусственный спутник Земли. На спутник, движущийся по круговой орбите радиусом , действует сила тяготения Земли, сообщающая ему нормальное ускорение . По второму закону Ньютона,

Если спутник движется недалеко от поверхности Земли, тогда (радиус Земли) и . (см. (25.6)), поэтому у поверхности Земли

Первой космической скорости недостаточно для того, чтобы тело могло выйти из сферы земного притяжения. Необходимая для этого скорость называется второй космической. Второй космической (или параболической) скоростью называют ту наименьшую скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и превратиться в спутник Солнца, т. е. чтобы его орбита в поле тяготения Земли стала параболической. Для того чтобы тело (при отсутствии сопротивления среды) могло преодолеть земное притяжение и уйти в космическое пространство, необходимо, чтобы его кинетическая энергия была равна работе, совершаемой против сил тяготения:

откуда

Третьей космической скоростью называют скорость, которую необходимо сообщить телу на Земле, чтобы оно покинуло пределы Солнечной системы, преодолев притяжение Солнца. Третья космическая скорость = 16,7 км/с. Сообщение телам таких больших начальных скоростей является сложной технической задачей. Ее первое теоретическое осуществление начато К. Э. Циолковским, им была выведена уже рассмотренная нами формула (10.3), позволяющая рассчитывать скорость ракет.

Впервые космические скорости были достигнуты в СССР: первая — при запуске первого искусственного спутника Земли в 1957 г., вторая — при запуске ракеты в 1959 г. После исторического полета Ю. А. Гагарина в 1961 г. начинается бурное развитие как советской, так и зарубежной космонавтики.

 

14. Невесомость и перегрузки. Влияние гравитации на живые организмы

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: N-mg=ma, откуда N=ma+mg.

Вес космонавта Р по третьему закону Ньютона равен по величине силе реакции N, поэтому P=mg+ma=m(g+a). 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 . Состояние тела, при котором его вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой.

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 mg-N=mg, откуда N=0. 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.

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.

Центрифуга используется для разделения смесей (крови на франкции). Ботаники выращивают растения на вращающейся подставке. Оказывается, что растения чувствуют эту суммарную силу (их корни растут в направлении суммарной силы).

 

Гравитация – постоянно действующий фактор, у земных организмов выработались устойчивые приспособления к нему.

Клетка воспринимает сигнал об изменении напряженности гравитационного поля и трансформирует (передает) этот сигнал во внутриклеточную среду с помощью специализированных гравирецепторов. Общим для всех типов клеток в реакции гравитропизма (в случае с многоклеточными) или гравитаксиса (в случае с одноклеточными) является участие в этом процессе механорецепторов. Именно эти структуры первыми воспринимают физические сигналы из окружающей среды, в частности сигналы об изменении напряженности гравитационного поля и передаю внутрь клетки.

В опытах с крысами в первые дни после космических полетов отмечали вялость, снижение общего тонуса и двигательной активности. В полетной группе было зарегистрировано значительное снижение уровня условнорефлекторной деятельности животных. Наиболее существенными сдвигами, развивш



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-04 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: