No Image

Ускорение свободного падения парашютиста

СОДЕРЖАНИЕ
1 просмотров
11 марта 2020

Свобо́дное падéние — равнопеременное движение под действием силы тяжести, когда другие силы, действующие на тело, отсутствуют или пренебрежимо малы. На поверхности Земли (на уровне моря) ускорение свободного падения меняется от 9,832 м/с² на полюсах, до 9,78 м/с² на экваторе.

В частности, парашютист в течение нескольких первых секунд прыжка находится практически в свободном падении.

Свободное падение возможно на поверхность любого тела, обладающего достаточной массой (планеты и их спутники, звёзды, и т. п.).

Во время свободного падения какого-либо объекта этот объект находится в состоянии невесомости (как если бы он находился на борту космического аппарата, движущегося по околоземной орбите). Данное обстоятельство используется, например, при тренировке космонавтов: самолёт с космонавтами набирает большую высоту и пикирует, находясь в течение нескольких десятков секунд в состоянии свободного падения; космонавты и экипаж самолёта при этом испытывают состояние невесомости [1] .

Содержание

Комментарий к определению [ править | править код ]

Поскольку сила тяжести понимается как сила, действующая вблизи планеты, определению «свободного падения» строго соответствуют движения тела около поверхности Земли или другого крупного астрономического объекта. Важным условием является малость сопротивления среды (или её отсутствие [2] ). Примером служит полёт камня, брошенного с поверхности или с некоторой высоты под любым углом (при небольших скоростях сопротивлением воздуха можно пренебречь), причём движение вверх тоже является свободным падением, вопреки интуитивному восприятию. Траектория может иметь форму участка параболы или отрезка прямой.

Очень часто, однако, под «свободным падением» подразумевается только движение тела вертикально вниз и без начальной скорости, у земной поверхности [3] . При этом, в бытовых рассуждениях, сила сопротивления атмосферы иногда трактуется не как искажающий фактор, а как полноценный атрибут такого движения, на равных с силой тяжести.

Изредка «свободное падение» трактуется шире официального определения, а именно допускается движение тела на значительном удалении от планеты. Тогда в определение вписываются, скажем, вращение Луны вокруг Земли или падение тел из космоса. Объект, свободно падающий из бесконечности на планету, достигает её поверхности или верхних слоёв атмосферы со скоростью не ниже второй космической, а траектория представляет собой кусок гиперболы, параболы или прямой; ускорение непостоянно, так как изменения гравитационной силы в пределах изучаемой области существенны.

История [ править | править код ]

Первые попытки построить количественную теорию свободного падения тяжёлого тела были предприняты учёными Средневековья; в первую очередь следует назвать имена Альберта Саксонского и Николая Орема. Однако они ошибочно утверждали [4] [5] , что скорость падающего тяжёлого тела растёт пропорционально пройденному пути. Эту ошибку впервые исправил Д. Сото (1545), который сделал правильный вывод о том, что скорость тела растёт пропорционально времени, прошедшему с момента начала падения, и нашёл [6] [7] закон зависимости пути от времени при свободном падении (хотя эта зависимость была дана им в завуалированном виде). Чёткая же формулировка закона квадратичной зависимости пути, пройденного падающим телом, от времени принадлежит [8] Г. Галилею (1590) и изложена им в книге «Беседы и математические доказательства двух новых наук» [9] . Сначала Лейбниц, а затем, в 1892—1893 гг. профессор МГУ Н. А. Любимов поставили опыты, демонстрирующие возникновение невесомости при свободном падении [10] .

Демонстрация явления [ править | править код ]

При демонстрации явления свободного падения откачивают воздух из длинной трубки, в которую помещают несколько предметов разной массы. Если перевернуть трубку, то тела, независимо от их массы, упадут на дно трубки одновременно.

Если же эти предметы поместить в какую-либо среду, то к действию силы тяжести добавится сила сопротивления, и тогда времена падения данных предметов уже не обязательно будут совпадать, а будут в каждом случае зависеть от формы тела и его плотности.

Количественный анализ [ править | править код ]

Введём систему координат Oxyz с началом на поверхности Земли и направленной вертикально вверх осью y и рассмотрим свободное падение тела массы m с высоты y [11] , пренебрегая вращением Земли и сопротивлением воздуха. Дифференциальное уравнение движения тела в проекции на ось y имеет [12] вид:

m y ¨ = − m g , <displaystyle m<ddot >;=;-,mg,,>

где g — ускорение свободного падения, а точками над величиной обозначается её дифференцирование по времени.

Интегрируя данное дифференциальное уравнение при заданных начальных условиях y = y и v = v (здесь v — проекция скорости тела на вертикальную ось), находим [13] зависимость переменных y и v от времени t :

v = v 0 + g t ; <displaystyle v;=;v_<_<0>>,+,gt,,;> y = y 0 + v 0 t − g t 2 2 . <displaystyle y;=;y_<_<0>>,+,v_<_<0>>t,-<frac <2>><2>>,,.>

В частном случае, когда начальная скорость равна нулю (то есть тело начинает падение, не испытав толчка вверх или вниз), из этих формул видно, что текущая скорость тела пропорциональна времени, прошедшему с момента начала свободного падения, а пройденный телом путь — квадрату времени.

Читайте также:  Msi h97 gaming 3 разгон

Подчеркнём, что результаты не зависят от значения массы m .

Рекорды свободного падения [ править | править код ]

В бытовом смысле под свободным падением нередко подразумевают движение в атмосфере Земли, когда на тело не действуют никакие сдерживающие или ускоряющие факторы, кроме силы тяжести и сопротивления воздуха.

Согласно Книге рекордов Гиннесса, мировой рекорд расстояния, преодолённого при свободном падении, составляющий 24 500 м , принадлежит Евгению Андрееву. Последний установил данный рекорд во время парашютного прыжка с высоты 25 457 м , совершённого 1 ноября 1962 года в районе Саратова; тормозной парашют при этом не применялся [14] .

16 августа 1960 г. Джозеф Киттингер совершил рекордный прыжок с высоты 31 км с использованием тормозного парашюта.

В 2005 году Луиджи Кани установил мировой рекорд скорости (прыжок в тропосфере), достигнутой в свободном падении — 553 км/ч .

В 2012 году Феликс Баумгартнер установил новый мировой рекорд скорости в свободном падении, развив скорость 1342 километра в час [15] .

30 июля 2016 года американский скайдайвер Люк Айкинс установил уникальный рекорд, совершив прыжок без парашюта с высоты 7600 метров на сеть размером 30×30 м с использованием наземных средств для ориентации [16] .

Скорость падения парашютиста зависит от времени падения, плотности воздушной среды, площади падающего тела и коэффициента лобового сопротивления. На скорость падения масса падающего тела влияет незначительно.

На падающее в воздушной среде тело действуют две силы: сила тяжести, всегда направленная вниз, и сила сопротивления воздуха, направленная против силы тяжести. Скорость падения будет возрастать до того момента, пока сила тяжести и сила сопротивления воздуха не уравновесятся. В начале движения тела в воздухе скорость нарастает, затем становится всё медленнее, и, наконец, на 11-12 секунде скорость становится почти постоянной. Это состояние называется установившимся падением, а соответствующая ему скорость – предельной скоростью.

Помимо продолжительности падения, на скорость тела большое влияние оказывает высота прыжка, вес, размеры и положение тела.

Поскольку плотность воздуха с высотой меняется, то и скорость падения будет так же меняться. Чем дальше от земли, тем скорость падения будет больше, т.к. плотность воздуха уменьшается. Скорость Вашего падения не будет превышать 35 м/сек., т.к. Вы после отделения от самолёта будете снижаться под стабилизирующим куполом.

Нагрузки, возникающие при раскрытии парашюта.

В отношении восприятия нагрузки при раскрытии парашюта большое значение имеет подгонка подвесной системы. Чем равномернее и плотнее лежат лямки, тем равномернее по телу распределяется. Для перенесения нагрузок существенное значение имеет состояние тела – напряжено оно или расслаблено. В ожидании рывка парашютист должен сгруппироваться и напрячь мышцы. В этом случае "удар" перенесется гораздо легче. Голову нельзя поворачивать в сторону или наклонять, т.к. лямки могут нанести ушибы.

Управление парашютом в воздухе и его физическая сущность.

Под управлением парашютом понимается возможность изменения его положения в пространстве маневрированием по направлению и скорости. Горизонтального перемещения можно достигнуть и на круглом куполе.

Чтобы создать горизонтальное перемещение вперед необходимо подтянуть передние лямки, создав скольжение куполу, и удерживать его в таком положении необходимое для перемещения время. При этом горизонтальная скорость будет приблизительно = 1,5 – 2м/с.

Для того, чтобы получить горизонтальное перемещение назад, влево, вправо, необходимо соответственно тянуть задние, левые или правые лямки.

При подтягивании строп опускается кромка, создается перекос купола, при этом основная часть воздуха начинает выходить с противоположной стороны, создается реактивная сила и парашютист начинает перемещаться.

Снижение парашютиста на одном и на двух куполах.

Скорость парашютиста относительно земли при приземлении зависит от:скорости снижения; скорости ветра; управления парашютом; наличия раскачивания.

Вертикальная скорость парашютной системы зависит от:веса человека с парашютом; коэффициента сопротивления купола парашюта, который зависит от площади, формы купола и воздухопроницаемости материала; плотности воздуха.

Приближенно считается, что если вес тела увеличен на 10%, то это вызывает увеличение скорости снижения на 5%.

Например: вес парашютиста с парашютом Д-6 равен 100 кг – скорость снижения = 5,0м/с, а при весе 110кг вертикальная скорость = 5,25м/с.

В зависимости от высоты местности над уровнем моря, скорость снижения измеряется примерно так: с повышением на 200м скорость увеличивается на 1%. Зимой в морозную погоду, когда плотность воздуха несколько повышается, скорость снижения можно считать на 5% меньше, чем летом в жаркую погоду.

Читайте также:  Доктор веб для мак

Снижение парашютиста на двух куполах по сравнению со скоростью снижения на одном куполе уменьшается незначительно. Причиной незначительного уменьшения вертикальной скорости является развал двух куполов во время снижения, что влечет за собой уменьшение площади куполов, работающей относительно земли.

Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 1709 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Читайте также:

  1. Биологическая эволюция, прогресс нашего биологического вида – это снижение примативности, повышение альтруистичности и укрепление парной половой структуры.
  2. Биологическая эволюция, прогресс нашего биологического вида — это снижение примативности, повышение альтруистичности и укрепление парной половой структуры.
  3. ДЕЙСТВИЯ ПАРАШЮТИСТА В ВОЗДУХЕ.
  4. Какой показатель не используется при осуществлении капитальных вложений, направленных на снижение себестоимости?
  5. Ла депутатов и сенаторов, снижение возрастного ценза сенаторов
  6. Мероприятия, направленные на снижение уровня радиоактивного загрязнения сельскохозяйственной продукции
  7. Основные задачи Республиканской программы – снижение уровней производственного травматизма и профессиональной заболеваемости.
  8. Отработки изделий на технологичность. Снижение трудоемкости пригоночных работ
  9. ПРИЗЕМЛЕНИЕ ПАРАШЮТИСТА
  10. Рекомендуемое снижение допускаемой нагрузки на ветви стропа
  11. Себестоимость сельскохозяйственной продукции и методика ее исчисления. Факторы, определяющие снижение себестоимости сельскохозяйственной продукции в рыночных условиях.
  12. Снижение балльной оценки показателей качества блюд и

Скорость падения парашютиста зависит от времени падения, плотности воздушной среды, площади падающего тела и коэффициента его лобового сопротивления.

На скорость падения масса падающего тела влияет незначительно.

Ввиду того что спортивные и тренировочные прыжки с. парашютом выполняются из самолетов, летящих на небольших скоростях, влияние начальной горизонтальной скорости на вертикальную скорость падения при расчетах не учитывается.

Если начальная вертикальная скорость равна нулю, то расстояние, пройденное телом до тех пор пока скорость невелика, будет зависеть только от одной величины – ускорения силы тяжести g и пройденный путь можно определить по формуле

h =

где t-время падения, с.

С нарастанием скорости вступает в силу целый ряд других факторов.

На падающее в воздушной среде тело действуют две силы:-сила тяжести G, всегда направленная вниз, и сила сопротивления воздуха Q, направленная в сторону, противоположную направлению перемещения тела. Если отсутствует горизонтальная составляющая скорости, то сила сопротивления воздуха направлена против силы тяжести (рис. 1).

Скорость падения будет возрастать до того момента, пока силы G и Q не уравновесятся:

Q = G =

Это состояние называется установившимся падением, а соответствующая ему скорость – предельной (критической) скоростью.

Критическая скорость определяется по формуле

Эта скорость при Сх парашютиста 0,3 будет равна 42 м/с, а при Сх парашютиста 0,15-58 м/с.

Поскольку плотность воздуха с высотой меняется, то и скорость падения будет постоянно меняться.

Рис. 1. Противодействие сил при падении парашютиста

Расстояние, проходимое парашютистом за время падения с высоты 1500-2000 м в зависимости от положения тела, показано в табл. 1.

С увеличением массы парашютиста увеличивается и скорость его падения. При этом, однако, надо учитывать, что увеличение массы парашютиста всегда связано с увеличением миделя тела, а следовательно, и с увеличением сопротивления воздуха, что в среднем приводит к незначительному увеличению скорости. Ориентировочно можно считать, что изменение массы парашютиста на 10 кг вызывает изменение скорости при установившемся падении на 2%, что у поверхности земли составит разницу в 1 м/с.

Нагрузки при раскрытии парашюта. При введении парашюта в действие происходит снижение приобретенной при падении скорости. Из механики известно, что всякое изменение скорости в единицу времени по величине или направлению называется ускорением.

Если, например, скорость в начале движения была , а через время t стала , то среднее ускорение определяют по формуле

где а – ускорение;

-скорость в начале движения;

скорость в конце движения;

t-время, за которое произошло изменение скорости.

Зная скорость в начале и конце движения, например при раскрытии парашюта, а также время, за которое происходит его полное раскрытие, можно определить величину среднего ускорения.

Если принять скорость падения равной 50 м/с, скорость после раскрытия парашюта , равной 5 м/с, и время t, за которое произошло полное раскрытие парашюта, равным 2 с, то получим

=

Знак минус указывает на замедление (торможение) скорости падения.

Зная, что ускорение при свободном падении равно 9,81 м/с 2 , определим, во сколько раз увеличилось ускорение, т. е. какова величина перегрузки:

Имея данные о перегрузке, легко определить и нагрузку F, действующую на тело в момент раскрытия парашюта. Ее вычисляют по формуле

Читайте также:  Как вытащить усилитель из музыкального центра

При массе парашютиста 70 кг получим

F =70.9,81.2,3= 1579,4 Н (161 кгс).

Это значит, что парашютист в момент раскрытия парашюта как бы «прибавляет» в массе на величину, пропорциональную перегрузке. Такие перегрузки человек переносит легко, тем более что они возникают не мгновенно, а достигают максимальной величины через 2 с, за которые происходит изменение скорости

Таблица 1

Время падения, Положение тела
устойчивое вниз головой неустойчивое устойчивое плашмя
расстояние, пройденное телом, м
4.9 4,9 4.9
19.5 19.5 19,5
44,0 43,8 43.5
76,0 75,0 73,5

Скорость снижения с раскрытым парашютом. При установившейся скорости снижения с парашютом, не имеющим собственной горизонтальной скорости, сила сопротивления купола Q находится в равновесии с силой тяжести G. Силы. в этом случае располагаются, как это указано на рис. 1.

Когда равновесие достигнуто, т. е. G==Q, тогда

Отсюда скорость снижения у земли для парашютнойсистемы будет

Если принять силу тяжести системы G==90 кгс, коэффициент лобового сопротивления =0,9, а площадь купола парашюта S=55 м 2 , то получим

=

что соответствует снижению с куполом парашюта УТ-15

Современные спортивные парашюты имеют собственную горизонтальную скорость. Это дает им возможность перемещаться при снижении не только вместе с воздушной массой по отношению к земле, но и относительно воздушной массы в том или ином направлении. Собственная горизонтальная скорость возникает у купола за счет реактивного эффекта, получаемого при выходе воздуха через отверстия в куполе.

Из аэродинамики известно, что в результате перемещения тела в воздушной среде, силе, действующей на тело по оси перемещения, противодействует сила сопротивления воздуха. При условии равенства этих сил движение по оси перемещения будет равномерным. При увеличении одной из сил возникает дополнительная сила, направленная перпендикулярно линии движения. В аэродинамике эта сила называется подъемной и обозначается буквой Y.

Рис. 2. Схема разложения сил при парашютировании с ‘планирующим ‘куполом:

G – общий полетный вес системы «парашютист + парашют»; Q – сила лобового сопротивления; Y – подъемная сила; W – скорость парашютирования: R – результирующая сила

Сила эта невелика и поднять купол вверх, как например при полете самолета, она не может, но оказывает существенное влияние на скорость снижения при прыжках с парашютом, имеющим собственную горизонтальную скорость перемещения, и с ней необходимо считаться.

Рассмотрим схему разложения сил при снижении с таким куполом (рис. 2).

С появлением у парашютной системы собственной горизонтальной скорости возникает, как указывалось выше, подъемная сила Y, величина которой зависит от силы сопротивления системы, действующей в направлении движения.

Указанные на рис. 2 силы Q и У равны между собой и определяются по формуле

в которой коэффициент Сх и площадь .S берутся по миделю площади системы в проекции на плоскость снижения.

Рассмотрим, как влияет подъемная сила на парашютирование с различными горизонтальными скоростями.

Без горизонтальной скорости, как мы определили выше, система при G=90 кгс будет снижаться со скоростью 5,4 м/с.

Для определения силы, действующей на парашютную систему, перемещающуюся в горизонтальном направлении (парашют УТ-15 в штилевую погоду), необходимо подсчитать значения У и Q и найти их результирующую , так как именно эта результирующая противодействует силе тяжести G. Для’ определения истинной скорости снижения парашютной системы возьмем следующие данные: Vrop=5 м/с (купол УТ-15 при снижении в штилевую погоду), Сх купола 1,2, а S 35 м 2 .

Определим по этим данным .

Если Q==V, то и V =54 кгс.

Как известно, результирующая двух перпендикулярных сил равна

Следовательно, парашютная система будет как бы «легче» на эту величину. Подставляя полученное значение в формулу скорости снижения, определим истинную скорость снижения системы

При еще большем значении Q (если купол парашюта развернуть, например, против ветра, дующего со скоростью 8 м/с) эффект подъемной силы будет более значительным – вертикальная скорость снижения составит всего 3-3,5 м/с. Если купол парашюта прикрепить к машине, движущейся со скоростью свыше 12 м/с, то парашютист начнет подниматься вверх.

Практически за счет скрытых резервов купола УТ-15 его горизонтальную скорость можно увеличить. Например, за счет симметричного натяжения задних лямок на определенную глубину хорошо отрегулированный купол увеличивает горизонтальную скорость до 6,5 м/с.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.01 сек.)

Комментировать
1 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
Adblock detector