Выполнить анализ всего комплекса динамических характеристик движения (инерционные, силовые и энергетические характеристики). Динамические, инерционные, силовые характеристики движений Характеристика инерции
В различных ситуациях возникает необходимость в изменении скорости судна (постановка на якорь, швартовка, расхождение и т. п.). Это происходит за счет изменения режима работы главного двигателя или движителей.
После чего судно начинает совершать неравномерное движение.
Путь и время, необходимые для совершения маневра, связанного с неравномерным движением, называют инерционными характеристиками судна.
Инерционные характеристики определяются временем, дистанцией, проходимой судном за это время, и скоростью хода через фиксированные промежутки времени и включают в себя следующие маневры:
движение судна по инерции - свободное торможение;
разгон судна до заданной скорости;
активное торможение;
подтормаживание.
Свободное торможение характеризует процесс снижения скорости судна под влиянием сопротивления воды от момента остановки двигателя до полной остановки судна относительно воды. Обычно время свободного торможения считается до потери управляемости судна (рис. 1.26).
Разгон судна - это процесс постепенного увеличения скорости движения от нулевого значения до скорости, соответствующей заданному положению телеграфа (рис. 1.27).
Активное торможение – это торможение при помощи реверсирования двигателя. Первоначально телеграф устанавливают в положение «Стоп», и только после того, как обороты двигателя упадут на 40–50 %, ручку телеграфа переводят в положение «Полный задний ход». Окончание маневра - остановка судна относительно воды (рис.1.28).
Процесс активного торможения судна с винтом фиксированного шага условно можно разделить на 3 периода:
первый период (t1) - от момента начала маневра до момента остановки двигателя (t1 ≈ 7–8 сек);
второй период (t2) - от момента остановки двигателя до пуска его на задний ход;
третий период (t3) - от момента пуска двигателя на задний ход до остановки судна или до приобретения установившейся скорости заднего хода. Движение судна в первые два периода можно рассматривать как свободное торможение.
| Для поступательного движения | Для вращательного движения |
| Инерционные характеристики | |
| Масса, кг – мера инертности. Инертность – это свойство физических тел, проявляющаяся в постепенном изменении скорости со временем под действием сил. Чем больше масса, тем инертнее тело и тем труднее его вывести из состояния покоя или остановить, какой-либо приложенной силой. | Момент инерции, кг·м 2 – мера инертности. Равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадрат расстояния этих точек от оси: J = Σm i r i ² |
| Силовые характеристики | |
| Сила, Н – мера механического действия одного тела на другое, в результате которого тело изменяет свое механическое состояние. Равна произведению массы тела на ускорение: F = ma | Момент силы, Н·м – вращающий момент. Определяется произведением модуля силы на ее плечо (d – кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы): M = Fd Момент силы считается положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным при повороте по часовой стрелке (со стороны наблюдателя) |
| Импульс силы, Н·с – мера воздействия силы на промежуток времени, в течение которого она действовала на материальное тело. FΔt | Импульс момента силы, Н·м·с – мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени. MΔt |
| Количество движения, кг·м/с (импульс тела) – произведение массы на скорость движения: Р = mv | Кинетический момент, кг·м 2 /с (момент количества движения) – произведение момента инерции тела относительно оси вращения на угловую скорость его вращения: L = Jω |
Энергетические характеристики:
1. Механическая работа
Мышцы, приводящие в движение звенья тела, совершают механическую работу , которая представляет собой произведение перемещения материального тела (ΔS ) и составляющей силы, действующей в направлении перемещения (F ):
A = FΔS (F=ma)
2. Мощность механического движения
Мощность – это работа, выполняемая в единицу времени:
N = A / Dt
Можно дать другую формулу мощности:
N = F · DS / Dt = F ·v
Последняя часть формулы особенно важна. Она дает возможность определить мощность коротких интенсивных движений (например, ударов по мячу, боксерских ударов и т.д.), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость.
3. Кинетическая и потенциальная энергия
Выполнение работы требует затрат энергии. Следовательно, при выполнении работы энергия в системе уменьшается. Поскольку для того чтобы была совершена работа, необходим запас энергии, последнюю можно определить следующим образом: энергия – это способность совершать работу, это некоторая мера имеющегося в механической системе «ресурса» для ее выполнения. Кроме того, энергия – это мера перехода одного вида движения в другой.
В биомеханике рассматривают следующие основные виды энергии:
- потенциальная , зависящая от взаимного расположения элементов механической системы тела человека: Е п = mgh ;
- кинетическая поступательного движения : Е к пост = ½ m v 2 ;
- кинетическая вращательного движения : Е к вр = ½ Jω 2 ,
где m, J – масса и момент инерции системы; v, ω – линейная и угловая скорости.
Т.о., полная энергия движущегося тела:
Е полн = mgh + ½ mv 2 + ½ J ω 2
7. Что такое картина действующих на тело сил? Провести анализ на примерах.
В ходе педагогического биомеханического анализа техники понятие силы может быть использовано в форме общей оценки: большая, достаточная, средней величины, недостаточная.
В телесно-двигательной практике на тело исполнителя всегда действует несколько других сил. При этом результат воздействия (т.е. равнодействующая сила), которая и придает телу исполнителя ускорение, равна векторной сумме воздействующих сил: f i = F 1 + F 2 + F 3 ...
Примером может быть движение гимнаста посредством маха вперед при размахиваниях в висе на перекладине. На спортсмена в этом случае (рис. А) действует сила тяжести R, составляющими которой являются взаимно перпендикулярные силы F 1 как создающая линейное ускорение ОЦМ тела гимнаста, и F 2 , как создающая центростремительное ускорение тела.
В другом примере, прыжке в длину (рис. Б), на спортсмена действует сила тяжести F m =mg и сила противодействия среды (воздуха) - F c . Ускоренное движение тела в этом случае создает равнодействующая этих сил - F p . В двух приведенных примерах в процессе познания упражнения решаются разные задачи.
Рис. Силы, действующие на тело спортсмена.
А - R - сила тяжести; F 1 - сила, создающая линейное ускорение; F 2 - сила, создающая центростремительное ускорение совместно с реакцией опоры (грифа перекладины).
Б - Fc- сила сопротивления среды (воздуха); Fp- равнодействующая сила; mg - сила тяжести
8. Дать полную характеристику внешним и внутренним (относительно тела человека) силам.
Внешние силы вызваны действием внешних для человека тел (опора, снаряды, др. люди, среда и т.п.). Только при их наличии возможно изменение траектории и скорости центра масс (ЦМ); без них движение ЦМ не изменяется.
1. Сила инерции внешнего тела – это мера действия на тело человека со стороны внешнего ускоряемого тела. Численно она равна массе ускоряемого тела, умноженная на его ускорение: F ин. = - ma
Знак минус указывает, что инерция внешнего тела направлена в сторону противоположную ускорению. Она приложена в месте контакта с ускоряемым телом, в рабочей точке тела человека.
Например, ускоряя ядро: его инерция направлена в сторону метателя (такая инерция воспринимается сопротивлением), рабочая точка – ладонь спортсмена. Другой пример, человек ловит набивной мяч, т.е. уменьшает его скорость (сила инерции воспринимается как напор); рабочая точка – то место, которым пойман мяч.
2. Сила упругой деформации – мера действия деформированного тела на другие тела, вызывающие эту деформацию, она равна:
F упр. = μ Δl
где Δl – величина деформации тела, μ – коэффициент жесткости или упругости.
Если сжимать динамометр, растягивать эспандер, изгибать доску трамплина или батут, то при этом возникают упругие силы . Нарастая, они останавливают деформацию. Человек совершил работу, передал энергию деформированным внешним телам. После прекращения действия деформирующие силы, потенциальная энергия упругой деформации переходит в кинетическую энергию движущегося тела. В этом случае сила деформированного тела совершает положительную работу (например, покрытия беговых дорожек).
3. Силы тяжести и вес .
Сила тяжести – это мера притяжения тела к Земле, которая приложена к центру тяжести тела ; она равна: G = mg
Вес тела – это мера воздействия тела в покое на опору (или подвесу) , которая мешает его падению. Р = mg
Т.к. сила тяжести и вес тела приложены к различным точкам, это не одна и та же величина.
4. Сила реакции опоры – мера противодействия опоры действию на нее тела, находящегося с ней в контакте. Она равна (по третьему закону Ньютона) силе действия на опору, направлена в противоположную сторону и приложена к этому телу. Реакция опоры – сила пассивная. Она не может сама по себе вызвать положительное ускорение. Однако без нее – если нет опоры, человек не может активно перемещаться (например, разворот пловца).
5. Сила трения – сопротивление, возникающее при перемещение одного тела по поверхности другого. Различают трение скольжения (лыжи) и терние качения (колеса велосипеда, подшипники).
T = Nk тр, где N- величина нормального давления (прижимающая сила), k тр – коэффициент трения.
6. Сила действия среды .
При выполнении движений человеку приходится преодолевать сопротивление воздуха и воды.
R = S m C x ρ V, где S m – площадь наибольшего поперечного сечения тела (мидель), C x – коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела, ρ – плотность среды (воды или воздуха), V – относительная скорость среды и тела.
Силы внутренние относительно тела человека возникают при взаимодействии частей тела человека друг с другом. Они сами по себе не могут изменить движения тела, его ОЦМ или центра масс отдельных биозвеньев. Они сами не могут способствовать перемещению тела относительно внешних тел (как системы отсчета). Вместе с тем, только внутренними силами тяги мышц человека управляет непосредственно, вызывая движения отдельных звеньев и биомеханических пар, и в конечном итоге перемещением всего тела в целом.
В частности, внутренние силы проявляются как силы отталкивания и притягивания внутри тела. В абсолютно твердом теле такие силы взаимно уравновешены, поэтому деформации и напряжения в них не возникают. В теле человека внутренние силы могут действовать статически, при этом возникают только напряжения в деформированных тканях, и динамически, это вызывает движение звеньев и изменение позы.
Выделяют внутренние силы активного действия (мышечная работа) и пассивные механические силы (пассивное взаимодействие).
Силы мышечной тяги, приложенные к костям скелета, служат источниками энергии движения, сохраняют необходимые позы, управляют движениями, изменяют взаимодействие тела человека с окружающими физическими объектами (среда, опора, снаряды и другие люди).
Силы пассивного взаимодействия в отличие от сил мышечной тяги не вызваны непосредственно физиологической активностью, биологическими процессами, хотя в некоторой степени и зависят от них.
По мере совершенствования движений становится возможным лучше использовать мышечные силы. Техническое мастерство проявляется в повышении роли внешних (привести примеры) и пассивных внутренних сил как движущих. Обеспечивается не только экономность, экономичность (КПД), но и проявление максимума мышечных сил, а также значительная быстрота достижения этого максимума при движении.
9. Система движений. Ее состав и структуры. Виды структур. Привести примеры первичности кинематической или динамической структуры движений.
Познание телесно-двигательного упражнения предполагает раскрытие сущности его структуры и ее составляющих.
Кинематическая структура как компонент базовой двигательной структуры представляет собой закономерности взаимодействия, взаимосвязи и взаимовлияния двигательных действий в пространстве и во времени.
Известно, что знание техники упражнения необходимо прежде всего для технологически верного обучения ему, поэтому перед обучением специалист в первую очередь должен установить кинематическую структуру, осознать общую организацию движений, то есть описать их.
Каждое телесно-двигательное упражнение отличается только ему присущей слаженностью движений, определенной внешней картиной, формой - все это и есть внешнее отражение кинематической структуры. В кувырке вперед слаженность основных двигательных действий: толчка ногами, переката на спину, группирования и т.д. - создает внешнюю картину катящегося вперед тела человека, принявшего округлую форму («шара»), что определяет и название упражнения «кувырок вперед», и его отличие от других.
Для определения кинематической структуры используются кинематические характеристики движений (пространственные, временные и пространственно-временные).
Динамическая структура - это основные устойчивые закономерности силового взаимодействия частей и звеньев тела человека между собой и внешними телами. Тело человека, его части и звенья обладают инертными свойствами, как имеющие определенную массу и момент инерции. Поэтому увеличение скорости тела или торможение движения является результатом приложения определенных сил. Если при выполнении упражнения внутренние и внешние силы хорошо согласованы, то такое упражнение выполняется эффективно, его динамическая структура совершенна. Динамическую структуру упражнения изучают с помощью динамических характеристик.
Точное и подробное установление динамической структуры движений в упражнении позволяет расширить представление о сущности движений, если при этом устанавливается взаимодействие внутренних, то есть мышечных, сил. Такой подход дает возможность изучить движение «изнутри», но это сфера очень точных биомеханических аппаратурных исследований спортивных или других движений. Например, внутренними силами тяг мышц ног исполнитель осуществляет отталкивание в кувырке вперед. В этом случае реально действующими внешними силами являются сила тяжести тела, сила гравитации и сила трения, которые не позволяют стопам ног проскальзывать на опоре при отталкивании и способствуют качению тела за счет его хорошего сцепления с поверхностью опоры.
Информационные структуры , их простейшие элементы, также целесообразно применять при анализе техники выполнения упражнений. При этом можно использовать и простейшие элементы информационных структур, под которыми понимаются основные закономерности взаимосвязей между элементами информации. Осознанное выполнение упражнения базируется на передаче и восприятии организмом определенных сведений посредством нервной системы.
К центрам головного мозга идет информация о качестве выполняемых движений, а обратно к мышцам поступают сигналы-команды для подготовки к последующим двигательным действиям. Сигналы прямой и обратной связи порождаются взаимодействием систем и функций организма, а также факторами внешнего окружения. В педагогическом биомеханическом анализе техники возможно использование понятия так называемых чувств, появляющихся в результате действия множества сигналов. Примерами может быть чувство полного и неполного выпрямления ног при толчке на кувырок вперед, чувство плотной или неплотной группировки, достаточной или недостаточной скорости вращения и т.д. Такие чувства являются основанием для срочной оценки качества выполнения двигательных действий, упражнения в целом, определения ошибочных действий и последующих коррекций.
В понятие структур системы двигательных действий входят и так называемые обобщенные структуры, к ним относятся: ритмическая, фазовая и координационная.
Ритмическая структура представляет собой закономерности соотношений, прежде всего, во времени двигательных действий в упражнении. Представление о ритмической структуре в процессе познания телесно-двигательного упражнения основывается на установленном ранее фазовом составе упражнения, анализе соотношения длительности фаз, расположения силовых акцентов в двигательных действиях в хронограмме упражнения, то есть в его временной фазовой картине.
Фазовая структура упражнения основывается на закономерностях взаимосвязи и взаимозависимости фаз упражнения. Это значит, что познание фазовой структуры практически уже осуществляется в процессе установления фазового состава и ритмической структуры упражнения. Например, эффективность двигательных действий в фазе отталкивания в кувырке вперед создает предпосылки энергетического обеспечения упражнения, способствует реализации механизма качения тела в фазе переката и группирования, а завершение упражнения посредством стопорящей постановки рук на опору приводит к гашению кинетической энергии.
Координационная структура - это совокупность всех основных взаимосвязей внутри системы движений и взаимодействия исполнителя с окружающей средой (снаряды, инвентарь, вода и т.д.). Координационная структура включает в себя и системы двигательных действий в упражнении, и особенности взаимодействия с внешней средой. Здесь уместно отметить, что под координацией движений понимается процесс согласования движений, приводящий к решению основной задачи упражнения и достижению цели. В биомеханике различают три вида координации движений: нервную, мышечную и двигательную. Педагогический биомеханический анализ техники связан прежде всего с установлением особенностей двигательной координации. Ибо под нею понимается процесс согласования движений частей и звеньев тела в пространстве и во времени в соответствии с задачей и целью упражнения, то есть тот процесс, те явления, которые мы изучаем в ходе педагогического биомеханического анализа упражнения.
10. Управление движениями как системами. Двигательная задача и двигательная программа. Множество двигательных программ для решения одной задачи. Привести примеры.
Двигательная задача – это обобщенные требования к двигательному действию, которые определяются характером предстоящего действия и общей последовательностью его этапов.
Задача может быть поставлена извне и заранее (требования соревнований, задание тренера); она может возникнуть произвольно у самого спортсмена. Всегда в ее формировании участвует информация:
О внешнем окружении, в котором надо выполнять задачу,
О состоянии спортсмена,
О прошлом опыте (информация из памяти).
При наличии более или менее развернутой двигательной задачи подготовка спортсмена ведется более совершенно – у него создаются программы управления.
Программа управления – это состав и последовательность конкретных движений, необходимых для решения задачи (выполнения спортивно-технического действия).
Программа управления создается в результате тренировки (накопление информации) и может осуществляться только при соответствующих условиях. Программы создаются во множестве (общая и частная), но выполняются в тот или иной момент лишь те, которые включаются управляющими воздействиями (командами). Общая программа определяет состав и последовательность исполнительных команд мышцами. Частные программы определяют множество частных процессов при управлении (восприятия и переработка информации; настройки на предстоящее действие; изменения возбудимости в каналах связи и т.п.).
Оптимизация управления в спортивной технике включает поиск оптимальной модели двигательного действия (предмета обучения), пути его построения (методики обучения) и наиболее совершенного выполнения действия.
Оптимум (что-то наиболее соответствующее задаче в данных условиях) может быть только один. Если же изменяются условия, то изменяется и оптимум. При более или менее сходных условиях имеются более или менее сходные, близкие оптимумы, их вариации.
Т.е. имеется вариативный оптимум, имеющий допустимые границы отклонений, в пределах которых сохраняется оптимальность как лучшее соответствие программ управления двигательной задаче. Из этого вытекает педагогическая установка: искать не единственный точный оптимум, а вырабатывать способность варьировать его соответственно условиям, сохраняя этим возможности достижения высшего результата.
Основой оптимальной методики обучения и совершенствования служит модель рациональной техники, понимание особенностей ее деталей, их взаимосвязей, глубокого смысла каждого требования к движениям, т.е. биомеханическое обоснование техники.
Классификация динамических характеристик движений человека
Вращательное движение тела
Мерой изменения положения тела при вращательном движении является угол поворота фи. Чтобы знать положение тела во вращательном движении в любой момент времени, надо знать зависимость угла поворота фи от времени: фи = фи(t).
Данное уравнение выражает закон вращательного движения тела. Основными кинематическими характеристиками вращательного движения тела являются его угловая скорость (ω ) и угловое ускорение (e ) .
При вращательном движении тела разные его точки имеют различные линейные скорости и ускорения. Линейная скорость точки вращающегося тела численно равна произведению угловой скорости на радиус вращения и направлена по касательной к окружности вращения (перпендикулярно радиусу вращения R ): V = ω R.
Таким образом, линейные скорости точек вращающегося тела пропорциональны их расстояниям от оси вращения (чем дальше удалена точка от оси вращения, тем большую линейную скорость она имеет).
Пример. При выполнении гимнастом большого оборота на перекладине линейная скорость точки, расположенной в области тазобедренного сустава составляет 10,8 м/с, а точки, расположенной в области голеностопного сустава – 18,0 м/с.
В таблице 3.2. представлена взаимосвязь кинематических характеристик при поступательном и вращательном движениях тела.
Таблица 3.2.
Взаимосвязь показателей при поступательном и вращательном движении тела (Н.Б. Кичайкина, 2000)
Скорость движений человека и движимых им тел изменяются под действием сил. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и направленность их изменений) исследуют динамические характеристики. К ним относятся:
· инерционные характеристики (особенности тела человека и движимых им тел);
· силовые (особенности взаимодействия звеньев тела и других тел);
· энергетические (характеристики состояния систем).
Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это свойство тел называется инертностью.
Инертность – свойство физических тел, от которого зависит величина получаемых ускорений при их взаимодействии.
Инерционные характеристики – это характеристики тела или системы тел. Среди инерционных характеристик различают: массу тела и момент инерции тела .
Масса тела (m ) – мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению: m= F /a ,
где: m – масса; F – сила; a – ускорение.
Масса тела зависит от количества вещества, которым обладает тело и характеризует его свойство – как именно приложенная сила может изменить его движение. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой.
В атлетизме при тренировке спортсмены используют штангу различной массы. Из личного опыта им известно, что придать штанге, имеющей большую массу ускорение значительно сложнее, чем штанге маленькой массы.
В случае вращательного движения мало знать массу тела, важно еще знать распределение масс относительно оси вращения. Например, фигурист при вращении прижимает руки к туловищу, а затем разводит их в стороны. Общая масса системы при этом не изменяется, а распределение масс становится другим, и это сказывается на движении, оно замедляется (Н.Б. Кичайкина, 2000). В механике существует характеристика, определяющая меру инертности тела во вращательном движении – момент инерции тела.
Момент инерции тела (J ) – мера инертности твердого тела при вращательном движении.
Момент инерции зависит от распределения массы относительно оси вращения. Его достаточно легко найти для простых геометрических фигур (шар, цилиндр и др.), но определить его в многозвенной системе тела человека при различных позах непросто.
Лекция № 5
- Общий обзор динамических характеристик и их классификация.
- Инерционные характеристики движений
- Силовые характеристики движений
- Энергетические характеристики движений
Общий обзор динамических характеристик и их классификация.
Динамические характеристики движений раскрывают причины движения в связи с силами, приложенными к движущимся объектам.
Динамика решает 2 задачи:
1) как изменяется движение тела при действии на него данной силы.
2) какие силы действовали на данное движущееся тело.
К динамическим характеристикам относят:
1) инерционные характеристики – особенности тела человека и движимых им тел;
2) силовые характеристики – особенности взаимодействия звеньев тела и других тел;
3) энергетические характеристики – состояния и изменения работоспособности биомеханических систем
Динамические характеристики связаны с з основными законами механики,которые впервые изложил английский ученый И. Ньютон (1643-1727 гг) в своем главном труде «Математические начала естественной философии»
| Динамические характеристики движений | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ↓ | ↓ | ↓ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| инерционные | силовые | эергетические | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | |||||||||||||||||||||||||||
| инертность | масса | момент инерции | сила | момент силы | импульс | импульс момента силы | работа силы | мощность силы | кинетическая энергия | потенциальная энергия | |||||||||||||||||||||||||||
Инерционные характеристики движений
Инертность (инерция) – свойство физических тел, проявляющееся в сохранении движения, а также изменении его под действием сил.
Движение, совершаемое материальной точкой при отсутствии сил, называется движением по инерции.
Закон инерции (1 закон Ньютона) указывает на одно из основных свойств материи – пребывать неизменно в движении. Состояние покоя рассматривается как частный случай движения по инерции, когда скорость равна 0.
Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. Это выражается формулой: а = 0, если F = 0.
Масса тела – это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению:
а − ускорение, F – сила.
Измерение массы тела в данном случае основано на 2 законе Ньютона: «изменение движения прямо пропорционально извне действующей силе и происходит по тому направлению, по которому эта сила приложена».
Масса тела во время движения не изменяется. При движении увеличивается или уменьшается не масса тела (мера инертности), а кинетическая энергия, зависящая от скорости тела.
Момент инерции – мера инертности тела при вращательном движении.
Момент инерции относительно данной оси численно равен сумме произведения масс всех его частей (звеньев) и квадратов расстояний каждой части тела до этой оси:
С моментом инерции связан момент количества движения, равный произведению момента инерции на угловую скорость.
Таким образом, угловая скорость тела зависит от расстояния (радиусов) его частей до оси вращения. Когда части тела находятся дальше от оси вращения, то угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше по сравнению с положением, когда части тела ближе к оси вращения.
Силовые характеристики движений
Силовые характеристики движений раскрывают связь действия силы с изменением движений.
Сила – это мера механического действия одного тела на другое.
Измерение силы (как и массы) основано на 2 законе Ньютона. Численно сила определяется произведением массы тела на его ускорение:
Таким образом, имеется «действие» второго тела на первое и «противодействие» первого тела.
Согласно 3 закону Ньютона: «действию всегда существует равное и противоположно направленное противодействие».
Момент силы – мера вращательного действия силы на тело.
Момент силы определяется произведением силы на ее плечо:
Момент силы считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным при повороте тела по часовой стрелке (со стороны наблюдателя).
Говоря о силе тяги мышц, правильнее говорить о моменте силы мышц.
Импульс силы – мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении).
Импульс силы равен произведению силы и продолжительности ее действия:
Импульс силы определяет прирост линейной скорости, тогда как силой обусловливается только ускорение.
Импульс момента силы – мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении).
Импульс момента силы определяет изменение угловой скорости:
Pz = Мz (F) ▪ ∆ t
Pz – импульс момента силы Мz – момент силы ∆ t – промежуток времени.
В процессе движения любое судно, особенно крупнотоннажное, имея значительную массу и недостаточно плотное сцепление с водной средой. Обладает свойством довольно медленно прекращать движение и изменять скорость. Инерционные свойства – физическая зависимость между массой и быстротой приращения скорости. Они обычно определяются опытным путем и результаты заносят в таблицу маневренных элементов судна. Для судовождения важны расстояние и время гашения инерции и развития максимальной скорости судном, эти параметры называются инерционные характеристики судна : торможение, свободный выбег и разгон.
Торможение – процесс гашения инерции прямолинейного движения судна путем реверсирования движителей с переднего на задний ход (и наоборот). Характеризуется длиной тормозного пути L т и времени торможения t т. Это расстояние пройденное судном с момента команды «Стоп» и реверса движителей до полной остановки судна и затраченное на это время. Торможение работой движителей «Полный назад» наз. экстренным.
Выбег – процесс гашения инерции поступательного движения судна под действием сопротивления воды без активной работы движителей. Характеризуется расстоянием L в, которое проходит судно с момента команды «Стоп» до момента полной остановки судна и временем затрачиваемым на это.
Разгон – процесс достижения судном установившейся скорости при заданном режиме работы движителей. Характеризуется расстоянием L р и временем при достижении установившейся скорости на данном режиме работы движителей.
Инерционные испытания судна проводят по специальной программе в зависимости от конструктивных особенностей судна, результаты испытаний заносят в таблицу маневренных элементов судна. Наибольшее значение имеют характеристики торможения.
Характеристики выбега имеют особенно большое значение для буксируемых судов и составов.Знание и учет инерционных характеристик при управлении судном обязательны для судоводителя!
3. Управляемость и циркуляция судна, её периоды и элементы
Управляемость судна зависит от свойств судна: корпус, рулевое устройство, движители, скорость, а также от внешних факторов ветер, течение, волнение, глубина и ширина С.Х. Особенно следует учитывать влияние скорости, которое неоднозначно. Так при движении судна гидродинамические силы и моменты (пропорциональны квадрату скорости набегающего потока) на руле и корпусе имеют постоянное соотношение, следовательно и траектория движения стабильна. Но если уменьшить скорость вращения винта, то момент руля изменится сразу из-за ослабления потока от винта, а гидродинамический момент на корпусе останется прежним, соотношение сил и моментов нарушится и траектория движения изменится.
Управляемость судна характеризуется устойчивостью на курсе и поворотливостью.
Устойчивость на курсе способность судна сохранять направление прямолинейного движения. Различают: собственную устойчивость – свойство после прекращения внешнего воздействия, без руля, приходить в прямолинейное движение (большинство судов собственной устойчивостью не обладают), и эксплуатационную устойчивость – способность судна сохранять заданное направление движения с помощью периодических перекладок руля (в зависимости от судна, осадки и дифферента). Характеризуется количеством требуемых перекладок руля в единицу времени для удержания судна в прямолинейном движении.
Поворотливость – способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны. Зависит от средств управления судном и характеристик корпуса в т.ч. осадки.
Устойчивость и поворотливость – антиподы, однако нужны оба и стремятся иметь положительными оба эти свойства судна.
Процесс поворота судна с переложенными рулями называется циркуляцией , которая характеризуется элементами и периодами.
После перекладки руля судно некоторое время движется по инерции в прежнем направлении, после преодолении сил инерции судно начинает двигаться по криволинейной траектории – циркуляции. В это время начинает действовать центробежная сила С приложенная к Ц.Т. и пропорциональная массе судна, квадрату скорости поступательного движения и обратно пропорциональна радиусу кривизны C=mv с 2 /r.
Рис 10 (о)
Перераспределяется гидродинамическое давление на корпус судна, т.е. увеличивается давление на внешний борт.
Т.к. вода набегает на него под углом к ДП, точка приложения этих сил сопротивления R находится в носовой части на1/4 длины судна от форштевня. Приложив к ЦТ две параллельные и противоположно направленные силе R силы R 1 и R 2, получим пару сил R и R1 с плечом b, создающие поворачивающий момент наз.позиционным Mп = Rв. С появлением угловой скорости поворота на судно действуют моменты руля и позиционный. Влияние Мп зависит от формы и размеров подводной части судна и угловой скорости поворота.Дальнейшее движение (циркуляция) судна вызывает рост гидродинамического давления на корпус судна в кормовой части создавая реактивную силу D с плечом до ЦТ и момент поворачивающий судно в сторону противоположную повороту наз. демпфирующим , таким образом поворачивающий момент циркуляции состоит:
Моб = Мр + Мп – Мд
Циркуляция – криволинейная траектория перемещения центра тяжести судна при перек ладке рулевого органа , характеризуется критерием поворотливости отношением тактического диаметра циркуляции к длине судна Dт/L И имеет периоды:
Маневренный – от перекладки руля до начала поворота судна, под действием переложенного руля.
Эволюционный – от начала поворота до изменения курса на 90 град.относительно первоначального. В этот период растет угловая скорость поворота, судно имеет дрейф в противоположную повороту сторону, скорость поступательного движения уменьшается.
Установившейся циркуляции – после изменения курса на 180 град. от первоначального, судно движется по замкнутой траектории с постоянным диаметром Dц, и постоянной поступательной угловой скоростью.
Элементы циркуляции:
Выдвиг – расстояние между положениями ЦТ в момент перекладки руля и измененного на 90 град. курса.
L1(0,6 – 1,5 Dц )
Прямое смещение - расстояние на которое смещается ЦТ при повороте от 0 до 90 град. L2 (0,25- 0,5Dц )
Обратное смещение – расстояние смещения ЦТ в сторону противоположную повороту (0,1Dц)
Полюс поворота – воображаемая точка на ДП или её продолжении вокруг которой происходит поворот в данный момент.
Угол дрейфа – угол между вектором линейной скорости Vц и ДП судна.
Диаметр установившейся циркуляции – расстояние между положением ЦТ при изменении курса на 90 и 270 град от первоначального.
Диаметр тактической циркуляции – расстояние между ДП при курсе 0 град. и курсе 180 град.(1,1 – 1,2 Dц )
Dт = L2 T/10Sp
Циркуляция зависит от характеристик и качеств судна L, B, T, рулей, скорости, количества и размещение груза, крена и дифферента, внешних факторов. Данные испытаний управляемости и циркуляции заносятся в таблицу маневренных элементов судна, вносятся в формуляр маневренных характеристик и в лоцманскую карточку.
В таблицу маневренных элементов судна включают:
1. элементы циркуляции таблично и кривые
2.Таблици и графики скорости и оборотов движителя
3.Размерения судна
4.Инерционные характеристики на различных режимах
5.Таблицу осадки судна и проседания
6.Эволюцию при тревоге «Человек за бортом»
1-4 в балласте и в грузу.
По тематике данной лекции проводится 4-х часовое практическое занятие №2.2
Лекция № 2.2 (2 часа) . ТЕМА: Влияние на управляемость судна рулевых устройств. По данной теме проводится 2-х часовая лабораторная работа №2.1