Как рассчитать перегрузку при ускорении автомобиля

Какой разгон с 0 до 100 км/ч способен выдержать человек?

Как известно, ускорение — это физическая величина, определяющая изменение скорости со временем. Обычно мы измеряем его с точки зрения ускорения свободного падения, которое численно равно силе тяжести на поверхности Земли. Ускорение свободного падения обозначается буквой g и варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. Стандартное значение g, определённое как «среднее» по всей планете, составляет 9,8 м/с².

Соответственно, 1 g считается эквивалентом силы земной гравитации. Когда мы говорим об ускорении в автомобиле, мы подразумеваем силу g, действующую на пассажиров в линейной горизонтальной оси. Давайте же выясним, сколько именно g мы испытываем в тех или иных машинах. Для того, чтобы продемонстрировать ускорение в 1 g, автомобиль должен разогнаться до 100 км/ч за 2,8 секунды. Ускорение до «сотни» за 10 секунд, довольно медленное по нынешним временам, составляет лишь 0,28 g.

Например, «американские горки» могут обеспечить вам до 6 g, но длительность ускорения настолько мала, что это совершенно не опасно для здоровья. Лётчики в специальных костюмах переносят 9 g, но абсолютный рекорд принадлежит офицеру ВВС США Джону Стаппу, который испытал ужасающие 46,2 g, пилотируя ракетные сани на авиабазе Эдвардс в Калифорнии. Впрочем, едва ли обычный человек выдержал такую перегрузку без подготовки.

Источник

При какой максимальной скорости разгона автомобиля с 0-100 км/ч может выжить водитель

Какая скорость разгона с 0 до 100 км/час угрожает жизни человека?

По какой-то особой причине в мире большое внимание уделяется именно скорости разгона автомобиля с 0 до 100 км/час (в США с 0 до 60 миль в час). Эксперты, инженеры, любители спортивных автомобилей а также и простые автолюбители с какой-то одержимостью постоянно следят за технической характеристикой автомобилей, которая как правило раскрывает динамику разгона автомобиля с 0 до 100 км/час. Причем весь этот интерес наблюдается не только к спортивным автомобилям для которых динамика разгона с места является очень важным значением, но и к совсем обычным автомобилям эконом-класса.

В наши дни наибольший интерес к динамике разгона с 0 до 100 км/час направлен на электрические современные автомобили, которые начали потихоньку вытеснять из авто ниши спортивные суперкары с их невероятной скоростью разгона. Вот например, еще несколько лет назад казалось просто фантастикой, что автомобиль может разгоняться до 100 км/час чуть-более чем за 2 секунды. Но сегодня некоторые современные электрокары уже вплотную приблизились к этому показателю.

Это естественно заставляет задуматься: А какая скорость разгона автомобиля с 0 до 100 км/час опасна для здоровья самого человека? Ведь чем быстрее разгоняется автомобиль, тем больше нагрузки испытывает водитель, что находится (сидит) за рулем.

Согласитесь с нами, что человеческий организм имеет свои определенные пределы и не может выдержать бесконечные нарастающие нагрузки, которые действуют и оказывают на него при быстром разгоне транспортного средства, определенное воздействие. Давайте вместе с нами узнаем, а какой предельный разгон автомобиля может теоретически ну и практически выдержать человек.

Согласно законам физики установлено, что при движении объекта возникает перегрузка (G), которая зависит от ускорения. То есть, чем быстрее происходит ускорение движущего объекта, тем больше возникает перегрузка, образуемая из-за силы тяжести. Например, когда человек стоит неподвижно на месте, то он испытывает перегрузку в 1g, так как по сути, мы движемся в пространстве вместе с нашей планетой и в связи с гравитацией, которая нас и удерживает на поверхности земли.

Такая же перегрузка в 1g действует и на наше тело, когда, мы допустим сидим на стуле. 1g это количество силы, которая оказывается (давит) на нашу поясницу и нижнюю часть спины, все для того, чтобы помешать нам уйти в свободное падение в пространстве. Ведь согласитесь, если бы сила тяжести оказываемая свое давление на нас была бы меньше, то мы просто не смогли бы устоять на поверхности нашей планеты. В этом случае мы бы отправились в свободное падение.

Когда же мы сидим в автомобиле и начинаем ускоряться, то эти G-силы начинают действовать на линейно-горизонтальной оси. Естественно, что перегрузка при разгоне машины будет совершенно иной по сравнению с той, которая воздействует на человека в стоящем автомобиле.

Давайте же выясним, какая перегрузка оказывается на человека при разгоне автомобиля.

Начнем мы с относительно медленной динамики этого ускорения (по современным меркам), с 0 до 100 км/час в периодике 10 секунд.

Для этого можно воспользоваться специальным онлайн-конвектором преобразования величин. Так, с помощью этого калькулятора мы с вами высчитали, что при разгоне автомобиля с 0 до 100 км/час за 10 секунд перегрузка, воздействующая на водителя, составляет 0.28325450 = 0.28. То есть разгон с места с 0 до 100 км/час в течение десяти секунд будет оказывать на человека перегрузку в 0.28g.

Как вы видите, при ускорении за рулем автомобиля линейно горизонтальные G-силы воздействуют на человека гораздо меньше, чем эти силы оказывают воздействие на тело человека в состоянии покоя.

Соответственно, для того, чтобы добиться той же перегрузки в 1g, которая воздействует на человека когда он стоит или сидит неподвижно на стуле необходимо, чтобы автомобиль с 0 до 100 км/час разгонялся за 2,83 секунды. Это можно вычислить и с помощью простого калькулятора.

Если мы хотим быть совсем уж точными, то перегрузка человека в 1g сидящего за рулем автомобиля образуется при ускорении машины с 0 до 100 км/час за 2,83254504 секунды.

И так, мы знаем, что при перегрузке в 1g человек не испытывает на себе ни каких проблем. Например, серийный автомобиль Tesla Model S (дорогая спецверсия) с 0 до 100 км/час может разгоняться за 2,5 секунды (согласно спецификации). Соответственно, водитель находящийся за рулем этого автомобиля при разгоне будет испытывать перегрузку в 1.13g.

Это уже как мы видим, больше чем перегрузка, которая испытывается человеком в обычной жизни и которая возникает из-за гравитации а также из-за движения планеты в пространстве. Но это совсем немного и перегрузка не представляет для человека никакой опасности. Но, если мы сядем за руль мощного драгстера (спортивного автомобиля), то картина здесь уже получается совершенно иная, так как мы с вами наблюдаем уже иные цифры перегрузки.

Приведем пример, человек на американских горках в парке аттракционов может испытывать перегрузки до 6g, но их длительность настолько мала, что это не опасно для жизни. Летчики пилотируемых истребителей в компрессионных костюмах могут выжить при длительных перегрузках в 8g или 9g. Но это все не те виды перегрузок, которые испытывает человек, находясь за рулем автотранспортного средства с ускорением в пространстве на земле.

Кстате, мы заодно сразу вспомнили, что офицер ВВС США Джон Стапп участвовал в эксперименте по воздействию перегрузки на человека во время ускорения. Джона Стаппа посадили в специальные сани установленные на платформе, которые с помощью тяги ракетных двигателей разогнали до 1017 км/час. Во время этого ускорения Джон выдержал перегрузку в 46.2g.

Таким образом убеждаемся, зная, что человек способен выдержать перегрузку в 46.2g, выяснить с какой скоростью должен разгоняться автомобиль, чтобы перегрузка составляла такое значение, которое выдержал офицер ВВС США Джон Стапп, мы должны снова воспользоваться калькулятором преобразования величин, подставив в соответствующем поле полученное значение в 46.2g.

В итоге, калькулятор помог нам установить следующее, чтобы водитель за рулем автомобиля испытывал перегрузку в 46.2g, необходимо разогнать транспортное средство с места до 100 км/час с ускорением, всего за 0,06131050 = 0,06 секунды.

Хотим вам сказать, что Джон Стапп также участвовал и во многих других подобных экспериментах, где перегрузка во время ускорения составляла тоже до 35g. Во многих этих испытаниях Джон не раз получал травмы. Например, в одном эксперименте у него, от силы тяжести оказываемое на его тело, лопнуло одно ребро. Также, не редко во время проведения экспериментов у офицера вылетали пломбы из зубов.

Таким образом мы с вами убедились, что перегрузка выше 30g все-таки для человека запредельная. Не думаем, что покупатели премиальных дорогих суперкаров были бы довольны такими последствиями разгона своего автомобиля.

И так, на основании выше представленной информации давайте вместе с вами установим, что перегрузка в 30g при ускорении за рулем автомобиля является нашим (человеческим) пределом при котором, ни- каких особых последствий от разгона машины не будет. То есть, не будет травм.

Соответственно от сюда делаем вывод, что максимально безопасная динамика разгона автомобиля с 0 до 100 км/час составляет (составит) 0,09441817 = 0,09 секунды.

Если же мы (Вы) согласны разгоняться на машине с риском получить для себя травмы рёбер или готовы распрощаться с пломбами в зубах, то нам (Вам) нужен автомобиль способный разгоняться с места до 100 км/час за 0,08092986 = 0,08 секунды.

Но, если же мы готовы повторить мировой рекорд по перегрузке организма человека, который был установлен Джоном Стаппом, то ваше транспортное средство должно ускориться с 0 до 100 км/час за 0,06 секунды.

Источник

Перегрузка в динамике.

Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называется перегрузкой.

При перегрузке не только тело начинает сильнее давить на опору, но и его отдельные части начинают сильнее давить друг на друга.

Если тело движется с ускорением, направленным вертикально вверх, вес тела увеличивается. Такое состояние тела называется перегрузкой. По второму закону Ньютона

.

Будучи отношением двух сил, перегрузка – безразмерная величина, однако, часто она выражается в единицах ускорения свободного падения g. Перегрузка в одну единицу (1 g) численно равна весу тела, покоящемуся в поле тяжести Земли.

Перегрузки испытывают космонавты при взлете и торможении космического корабля, летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, пассажиры лифта при его подъеме или торможении и т. д.

В состоянии перегрузки у человека затрудняется дыхание, ухудшается сердечная деятельность, перераспределяется кровь – приливает к голове или отливает и т. д.

Перегрузка – векторная величина. Для живого организма важно направление ее действия. При перегрузке органы человека стремятся остаться в прежнем состоянии. При перегрузке голова-ноги (положительная перегрузка) кровь отливает от головы в ноги, желудок опускается вниз. При отрицательной перегрузке кровь приливает к голове. Положение тела человека, при котором он может выдерживать наибольшие перегрузки – лежа на спине, лицом к направлению ускорения движения.

Источник

Наука собственными силами

Расчет перегрузок, возникающих при использовании «реактивного якоря»

Пусть транспортное средство массы m движется со скоростью v₀.

Рассмотрим торможение с помощью реактивного якоря(идея изобретателя Сергея Братченко).
Этот способ экстренного торможения состоит в том, что в дорожное покрытие «выстреливается» металлический штырь с раскрывающимися лопастями, к штырю прикреплен упругий элемент, другой конец упругого элемента прикреплен к автомобилю. Тогда автомобиль тормозится не силой трения, а силой упругости, которая подчиняется закону Гука – сила упругости пропорциональна растяжению упругого элемента.

Эта сила по ходу торможения не постоянна, она возрастает по мере растяжения упругого элемента, и, очевидно, будет максимальной при максимальном растяжении x_макс
Рассчитаем, какая максимальная перегрузка возникает при таком торможении. Силу трения между колесами и дорогой и силу сопротивления воздуха для простоты не будем принимать в расчет.

По закону сохранения энергии кинетическая энергия автомобиля переходит в потенциальную энергию упругого элемента:

откуда максимальная сила торможения

Здесь m – масса автомобиля, а x_М – тормозной путь, определяемый максимальной длиной упругого элемента.
При этом максимальное тормозное ускорение (отрицательное) автомобиля

Определим также горизонтальную перегрузку, которая показывает, во сколько раз сила торможения превышает вес автомобиля

где g≈10м/с 2 – ускорение свободного падения.

Подставив (4), получим

Полное время торможения можно определить, рассматривая машину, прикрепленную к упругому элементу, как пружинный маятник. Период такого маятника

а время торможения соответствует четверти периода, т.е.

При этом время торможения, определяется формулой (8), где коэффициент жесткости k можно определить с помощью формул (1) и (2):

Подставляя в (8), получим время торможения

Для сравнения приведем таблицу типичных перегрузок из Википедии и фотографии людей, подвергшихся перегрузкам. Из этих материалов можно сделать вывод, что перегрузка 18 g переносима на пределе физиологических возможностей человека.
И она, предотвращая аварию, представляет собой заведомо меньшее зло, чем разрушительные перегрузки, возникающие при авариях.

Источник

Факты программы «Аполлон»

One Small Step for Man, One Giant Leap for Mankind

Основные разделы

Page tags

Add a new page

Единицы силы

Сила, приложенная к телу, в системе единиц СИ измеряется в ньютонах (1 Н = 1 кг·м/с 2 ). В технических дисциплинах в нередко качестве единицы измерения силы традиционно используют килограмм-силу (1 кгс, 1 кГ) и аналогичные единицы: грамм-силу (1 гс, 1 Г), тонна-силу (1 тс, 1 Т). 1 килограмм-сила определена как сила, сообщающая телу массой 1 кг нормальное ускорение, равное по определению 9,80665 м/с 2 (это ускорение приблизительно равно ускорению свободного падения). Таким образом, по второму закону Ньютона, 1 кгс = 1 кг · 9,80665 м/с 2 = 9,80665 Н. Можно сказать также, что тело массой 1 кг, покоящееся на опоре, имеет вес 1 кгс Часто ради краткости килограмм-силу называют просто «килограммом» (а тонна-силу, соответственно, «тонной»), что порождает порой путаницу у людей, не привыкших к использованию разных единиц.

Частая ошибка

Пример

Ю. И. Мухин в книге «Антиаполлон. Лунная афера США» (2006) ведет расчет ускорения частиц песка под воздействием газов из двигателя лунного модуля:

Вес тела

По определению, вес тела есть сила, с которой тело давит на опору или подвес. Вес тела, покоящегося на опоре или подвесе (т. е. неподижного относительно Земли или иного небесного тела) равен

Частая ошибка

Путают вес тела и его массу. Масса тела не зависит от небесного тела, она постоянна (если пренебречь релятивистскими эффектами) и всегда равна одной и той же величине — и на Земле, и на Луне, и в невесомости

Пример

В газете «Дуэль», № 47, 2005 г. «объясняется», почему лунный модуль якобы не мог взлететь с Луны [2]:

Перегрузка

Частые ошибки

Иногда путают вес тела и его силу тяжести (силу, действующую на тело со стороны планеты). При этом приходят к абсурдному выводу о том, что корабль, движущийся в поле тяжести планеты с выключенным двигателем, все-таки испытывает перегрузку из-за действия на корабль гравитационной силы. Гравитационная сила сама по себе не может вызывать перегрузки. Ее вызывает лишь действие на тело опоры (подвеса). Для ракеты и космического корабля перегрузка обычно связана либо с действием тяги его двигателя, либо с тормозящим действием атмосферы (или суммой этих действий).

Пример

В газете «Дуэль», № 20, 2002 г. автор живописует страдания, которые должны испытывать астронавты лунного модуля при посадке на Луну, и настаивает на невозможности такой посадки [3]:

Космонавты испытывают длительную перегрузку, максимальное значение которой — 5. Перегрузка направлена вдоль позвоночника (самая опасная перегрузка). Спросите у военных летчиков, можно ли устоять в самолете в течение 8 мин. при пятикратной перегрузке да еще и управлять им. Представьте себе, что после трех дней пребывания в воде (три дня полета к Луне в невесомости) вы выбрались на сушу, вас поместили в Лунную кабину, а ваш вес стал 400 кг (перегрузка 5), комбинезон на вас — 140 кг, а рюкзак за спиной — 250 кг. Чтобы вы не упали, вас держат тросом, прикрепленным к поясу, 8 минут, а затем еще 1,5 мин. (никаких кресел, ложементов нет). Не подгибайте ноги, опирайтесь на подлокотники (руки должны быть на органах управления). Кровь отлила от головы? Глаза почти не видят? Не умирайте и не падайте в обморок
уж совсем плохо заставлять космонавтов управлять посадкой в положении «стоя» при длительной 5-кратной перегрузке — это просто НЕВОЗМОЖНО.

Источник