Парадоксы ускорения

Предметное поле	Физика, проектная деятельность
Класс	9, 10
Типология	Итоговая
Личностно- значимый познавательный вопрос	Наличие ускорения при движении приводит к изменению веса тела. Можете ли Вы назватьжизненные ситуации, когда человек испытывает перегруз и недогруз?
Информация по данному вопросу	Текст 1. Невесомость — состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, отсутствует. Для понимания сути невесомости можно рассмотреть летящий по баллистической траектории самолёт. Такие методы применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен грузик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолет покоится, либо движется равномерно и прямолинейно). Когда нить, на которой висит шарик, не натянута, имеет место состояние невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз. Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа (которая не имеет названия, кроме как "провал в воздухе"). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд "невесомости"; внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты. Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Утверждения, что самолет для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа "петли Нестерова" – не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных машинах пассажирского или грузового класса, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полета являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному разрушению несущих конструкций. Источник: http://ru.wikipedia   Текст 2.   Текст 3.   Говоря о весе тела в ускоренно движущемся лифте, мы рассматриваем три случая (кроме случая покоя или равномерного движения): - лифт движется с ускорением, направленным вверх (перегрузки, вес тела больше силы тяжести, P=mg+ma); - лифт движется с ускорением, направленным вниз (вес уменьшается, вес тела меньше силы тяжести, P=mg-ma); - лифт падает (невесомость, вес тела равен нулю, P=0). Эти три случая не исчерпывают качественно всех ситуаций. Имеет смысл рассмотреть и 4-ый случай, чтобы анализ был завершённым. (Действительно, во втором случае мы подразумеваем, что a < g. Третий случай есть частный для второго при a = g. Случай a > g остался нерассмотренным.) Для этого можно задать ученикам вопрос, который сначала вызовет у них удивление: «Как должен двигаться лифт, чтобы человек мог ходить по потолку?» Ученики быстро «догадываются», что лифт должен двигаться внизс ускорением большим g. Действительно: при увеличении ускорения движения лифта вниз, в соответствие с формулой P=mg-ma, вес тела будет уменьшаться. Когда ускорение a станет равным g, вес станет равным нулю. Если и дальше увеличивать ускорение, то можно предположить, что вес тела изменит направление. Остаётся только нарисовать соответствующий рисунок, где человек стоит на потолке, а подвес прикреплён к полу: После этого можно изобразить на рисунке вектор веса тела: P Таким образом, художник мог бы дорисовать картинку, находящуюся в заголовке статьи, изобразив четвёртый случай: Можно дать эту задачу и в обратной формулировке: «Каков будет вес тела в лифте, движущемся вниз с ускорением a > g?» Эта задача немного труднее, т.к. ученикам нужно преодолеть инерцию мышления и поменять местами «верх» и «низ».   Может существовать возражение, что четвертый случай не рассматривается в учебниках потому, что он не встречается на практике. Но и падение лифта встречается тоже только в задачах, но, тем не менее, его рассматривают, т.к. это удобно и полезно. Движение с ускорением, направленным вниз или вверх, наблюдается не только в лифте или ракете, но и при движении самолёта, совершающего фигуры высшего пилотажа, а также при движении тела по выпуклому или вогнутому мосту. Рассмотренному нами 4-му случаю соответствует движение по «мёртвой петле». В верхней её точке ускорение (центростремительное) направлено вниз, сила реакции опоры – вниз, вес тела – вверх.   Текст 4. Перегрузка — отношение абсолютной величины линейного ускорения, вызванного негравитационными силами, к ускорению свободного падения на поверхности Земли. Будучи отношением двух сил, перегрузка является безразмерной величиной, однако часто перегрузка выражается в единицах ускорения свободного паденияg. Перегрузка в 1 единицу (то есть 1 g) численно равна весу тела, покоящемуся в поле тяжести Земли. Перегрузка в 0 g испытывается телом, находящемся в состоянии свободного падения под воздействием только гравитационных сил, то есть в состоянии невесомости. Перегрузка — векторная величина. Для живого организма важно направление действия перегрузки. При перегрузке органы человека стремятся оставаться в прежнем состоянии (равномерного прямолинейного движения или покоя). При положительной перегрузке (голова — ноги) кровь уходит от головы в ноги, желудок опускается вниз. При отрицательной перегрузке увеличивается приток крови к голове. Наиболее благоприятное положение тела человека, при котором он может воспринимать наибольшие перегрузки — лёжа на спине, лицом к направлению ускорения движения, наиболее неблагоприятное для перенесения перегрузок — в продольном направлении ногами к направлению ускорения. При столкновении автомобиля с неподвижной преградой сидящий в автомобиле человек испытает перегрузку спина-грудь. Такая перегрузка переносится без особых трудностей. Обычный человек может выдерживать перегрузки до 15 g около 3—5 секунд без потери сознания. Перегрузки от 20—30 g и более человек может выдерживать без потери сознания не более 1—2 секунд и зависимости от величины перегрузки.   Перегрузки применительно к человеку: 1 — 1 g. 3 — 15 g в течение 0,6 сек. 5 — 22 g. Одно из основных требований к военным летчикам и космонавтам — способность организма переносить перегрузки. Тренированные пилоты в противоперегрузочных костюмах могут переносить перегрузки от −3…−2 g до +12 g. Сопротивляемость к отрицательным, направленным вверх перегрузкам, значительно ниже. Обычно при 7—8 g в глазах «краснеет», пропадает зрение, и человек постепенно теряет сознание из-за прилива крови к голове. Космонавты во время взлёта переносят перегрузку лёжа. В этом положении перегрузка действует в направлении грудь — спина, что позволяет выдержать несколько минут перегрузку в несколько единиц g. Существуют специальные противоперегрузочные костюмы, задача которых — облегчить действие перегрузки. Костюмы представляют из себя корсет со шлангами, надувающимися от воздушной системы и удерживаюшими наружную поверхность тела человека, немного препятствуя оттоку крови. Перегрузка увеличивает нагрузку на конструкцию машин и может привести к их поломке или разрушению, а также к перемещению не закрепленного или плохо закрепленного груза. Допустимое значение перегрузок для гражданских самолётов составляет 2,5 g. Источник: http://ru.wikipedia Текст 5. a) Рассмотрим сначала случай, когда ракета стартует и начинает разгоняться (рис. 1). Ускорение ракеты А направлено противоположно ускорению g. На космонавта действуют две силы: сила тяжести mg (со стороны Земли) и сила реакции опоры N со стороны кресла. Их равнодей­ствующая F = N – mgнаправлена вверх, чтобы обеспечить космонавту ускорение а (космонавт неподвижен относи­тельно ракеты). По второму закону Ньютона F = mа, т.е. N – mg = ma, Откуда N = mg + ma = m (a + g).. Вес космонавта Р приложен к креслу. По третьему закону Ньютона вес космонавта равен по величине силе реакции опоры /V: P = N = m (a + g). Из этой формулы следует, что при разгоне ракеты вес космонавта увеличивается по сравнению с силой тяжести на величину та. Таким образом, космонавт испытывает перегрузку. Перегрузку можно характеризовать отношением ускорения ракеты а к ус­корению свободного падения g – коэффициентом перегрузки n: п = а/g. Тогда вес космонавта: P = m (a + g) = mg (1 + а/g) = mg (1 + n)... Перегрузки в космических летательных аппаратах могут быть очень су­щественными, выдержать такие перегрузки могут только специально подго­товленные люди. Поэтому достаточно наивно смотрятся кадры из фильма «Армагеддон», где «простые американские парни» во главе с Брюсом Уиллисом, облетая вокруг Луны, вы­держивают десятикратную перегрузку. б) А что же происходит, если направления ускорения ракеты и ускорения свободного падения совпадают (рис. 2)? В этом случае равнодействующая сила F = mg – N сообщает космонавту ускорение а: F = m а, тогда mg – N = ma, откудаN = mg – ma = m (g – a).. Следовательно, вес космонавта: P = N = m (g – a). Как видно, вес космонавта уменьшается по сравнению с силой тяжести, действующей на Земле. В частности, когда ракета выходит на орбиту и вы­ключает двигатели, ускорение ракеты а = g. Поэтому вес космонавта: P = m (g – a) = 0. Состояние космонавта (и любого тела), при котором его вес равен нулю, называется невесомостью. Для того чтобы испытать состояние невесомости или перегрузки совсем не обязательно отправляться в космос. Достаточно сходить на аттракцион «Американские горки». Кроме того, состояние невесомости вы испытываете всегда, когда находитесь в прыжке. Источник: http://www.fizika-zaharova.narod.ru
Задание на работу с данной информацией
Ознакомление	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.
Понимание	Автомобиль массой 1,5 т движется со скоростью 36 км/ч по выпуклому мосту с радиусом кривизны 40м. 1. С какой силой N давит автомобиль на мост в его середине? 2. С какой минимальной скоростью должен двигаться автомобиль, чтобы в верхней точке моста он перестал оказывать давление на мост?
Применение	1. Исчезает ли сила притяжения тела к Земле при переходе тела в состояние невесомости? Объясните.   2. Груз, выпущенный из руки, свободно падает и находится в состоянии невесомости. А будет ли находиться ребенок, подброшенный родителями вверх, находиться в состоянии невесомости? Объясните.
Анализ	В лифте находится ведро с водой, в котором плавает мяч. Как изменится глубина погружения мяча, если лифт будет двигаться с ускорением, направленным: а) вверх; б) вниз? Проведите эксперимент и проанализируйте полученные результаты с точки зрения теории.
Синтез	Опишите поведение и состояние летчика при выполнении фигур высшего пилотажа («петля Нестерова»).
Оценка	Оцените перегрузки при движении в грузовом лифте, при условиях: 1. масса тела 1000 кг, если скорость изменяется от 0 до 0,2 м/с при достижении высоты 30м; 2. масса тела 1000 кг, если скорость изменяется от 0 до 5,0 м/с при достижении высоты 50 м.

Дата добавления: 2015-06-26