Уравнение движения судна можно записать в следующем виде:

F дв - R общ = mΔv/t =ma

где m – масса судна, кг равная 1000 Д/g (здесь Д –водоизмещение, кН, g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2);

Δv – приращение скорости судна, м/с;

t – время, с;

F дв и R общ – имеют размерность кН.

Из уравнения движения видно, что масса судна и приращение скорости определяют его инерционные свойства.

Таким образом, под инерционными свойствами судна понимают определенную физическую зависимость между массой и быстротой приращения его скорости (ускорением).

Следовательно, под инерцией судна понимается способность его сохранять поступательное движение после остановки движителя или перевода его с переднего хода на задний или наоборот. Обычно инерционные свойства судна определяют опытным путем во время ходовых испытаний. Результаты испытаний заносят в таблицу маневренных элементов.

Для судовождения наиболее важны расстояние и время, необходимые для гашения инерции судна или для развития его максимальной скорости. Эти параметры принято называть инерционными характеристиками . К основным инерционным характеристикам судна (рис.5.4) относят разгон , свободный выбег и торможение .

Разгон – процесс достижения судном установившейся скорости при заданном режиме работы движителей.

Характеризуется расстоянием и временем, необходимым для достижения установившейся скорости. Ориентировочно величина разгона составляет 7 -8 длин судна (с V =0 до Vmax).

Рис.5.4. Инерционные характеристики судов

Свободный выбег – процесс гашения инерции под воздействием сопротивления воды и воздуха движению без активной работы движителей. Характеризуется длиной выбега – расстоянием, которое проходит судно с момента подачи команды «Стоп» до полного прекращения движения, и временем, затраченным на этот процесс. Ориентировочно величина выбега составляет 10 -15 длин судна.

Торможение – процесс гашения инерции прямолинейного движения судна путем реверсирования движителей с переднего хода на задний (или наоборот)

Торможение характеризуется длиной тормозного пути и временем торможения.

Тормозной путь – это расстояние, пройденное судном с момента подачи команды «Стоп» и реверса движителей до полной остановки судна (V=0).

Время торможения – это время, затраченное на процесс полного гашения инерции в результате работы движителей в режиме «Полный назад». Ориентировочно для одиночных судов тормозной путь составляет 5- 6 длин судна.

Динамические характеристики движений

Если изучение кинематики дает ответ на вопрос «как движется точка, тело, система тел?», то для изучения (раскрытия механизма) движений – выяснения причины их возникновения и хода изменения – исследуют динамические характеристики. К ним относятся: инерционные характеристики, то есть особенности тела человека и движимых им тел; силовые характеристики – или особенности взаимодействия звеньев тела и других тел; энергетические характеристики – состояния и изменения работоспособности биомеханической системы.

Инерционные характеристики

Инерция – свойство тел сохранять скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий. Сама инерция не имеет меры (измерителя). Но под действие сил разные тела изменяют свою скорость по-разному. Это их свойство (инертность) – имеет меру. Инертность – свойство физических тел, появляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.

Масса тела – мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением приложенной силы к вызванному ею ускорению: F = m*a. В абсолютно твердом теле есть три точки, положение которых совпадает – центр масс (ЦМ), центр инерции (ЦИ) и центр тяжести (ЦТ). Но это не тождественные понятия. В ЦМ пересекаются направления действия сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела. Понятия ЦИ (точка приложения всех фиктивных сил инерции) и ЦТ (точка приложения равнодействующей всех сил тяжести) будут рассмотрены ниже.

Для вращательного движения понятию массы соответствует представление о моменте инерции.

Момент инерции твердого тела (собственный или центральный) – это мера инертности тела при вращательном движении. Он определяется как сумма моментов инерции всех входящих в него частиц: I 0 = Sm*r 2 , где r – радиус инерции точки (расстояние от точки до оси вращения). Если ось вращения не проходит через ЦМ тела или вообще не связана с телом, то момент инерции относительно этой оси (полный момент инерции тела) можно представить состоящим из двух слагаемых. А именно, центрального момента инерции тела относительно оси, проходящей через ЦМ и параллельной этой внешней оси, и произведения массы тела на квадрат расстояния между этими осями: I = I 0 + m*r 2 .

Центральный момент инерции системы тел состоит из суммы центральных моментов инерции звеньев системы и суммы моментов инерции этих звеньев относительно ЦМ системы: I 0s = SI 0 + Sm*r 2 . Полный момент инерции системы тел слагается из ее центрального момента инерции относительно оси, проходящей через ее ЦМ и параллельной этой внешней оси, и произведения массы тела на квадрат расстояния между этими осями: I пs = I 0s + m*r 2 .

Силовые характеристики

Движение тела может происходить как под действием приложенной к нему силы, так и без нее (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы действуют не всегда, но без тормозящих сил движения не бывает. Сила не причина самого движения, а причина его изменения.

Сила – это мера механического воздействия одного тела на другое. Она численно равна произведению массы тела на ускорение, вызванное этой силой: F = ma. Хотя чаще всего речь идет о силах и результатах их действия, это применимо только к поступательному движению тела и его звеньев. Тело человека представляет собой систему тел, все движения которой – вращательные. Изменение вращательного движения определяется моментом силы. Момент силы – это мера вращательного действия силы на тело. Он определяется произведением модуля силы на ее плечо: M z = F*l = Ie.

Момент силы считается положительным, если он вызывает поворот тела против часовой стрелки и наоборот. Момент силы – величина векторная: сила проявляет свое вращательное действие, когда она приложена на ее плече. Если линия действия силы лежит не в плоскости перпендикулярной к оси вращения, то находят составляющую силу, лежащую в этой плоскости. Она и вызывает вращение, остальные силы на вращение не влияют. Сила, совпадающая с осью вращения или параллельная ей, также не имеет плеча относительно оси, значит нет и ее момента.

Силу, не проходящую через точку в твердом теле можно привести к этой точке. Тогда видно, что такая сила вызывает не только угловое, но и линейное ускорение тела.

Определение силы или момента силы, если известна масса или момент инерции тела позволяет узнать только ускорение, то есть, как быстро изменится скорость. Насколько изменилась скорость можно узнать определив импульс силы.

Импульс силы – мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении): S = F*Dt = m*Dv. В случае одновременного действия нескольких сил сумма их импульсов равна импульсу их равнодействующей за то же время. Именно импульс силы определяет изменение скорости. Во вращательном движении импульсу силы соответствует импульс момента силы – мера воздействия силы на тело относительно данной оси за данный промежуток времени: S z = M z *Dt.Вследствие импульса силы и импульса момента силы возникают изменения движения, зависящие от инерционных характеристик тела и проявляющиеся в изменений скорости (количество движения и момент количества движения – кинетический момент).

Количество движения – это мера поступательного движения тела, характеризующая способность этого движения передаваться другому телу: K = m*v. Изменение количества движения равно импульсу силы: DK = F*Dt = m*Dv = S.

Кинетический момент – это мера вращательного движения тела, характеризующая способность этого движения передаваться другому телу: K я = I*w = m*v*r. Если тело связано с осью вращения, не проходящей через его ЦМ, то полный кинетический момент слагается из кинетического момента тела относительно оси, проходящей через его ЦМ параллельно внешней оси (I 0 *w) и кинетического момента некоторой точки, обладающей массой тела и отстоящей от оси вращения на таком же расстоянии, что и ЦМ: L = I 0 *w + m*r 2 *w.Между моментом количества движения (кинетическим моментом) и моментом импульса силы существует количественная взаимосвязь: DL = M z *Dt = I*Dw = S z .Таким образом, количество движения и кинетический момент являются динамическими мерами движения. Они отражают взаимосвязь сил и движения.

Лекция № 5

1. Общий обзор динамических характеристик и их классификация.
2. Инерционные характеристики движений
3. Силовые характеристики движений
4. 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»

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.

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.

Силовые характеристики.

Изменение скорости движения тел происходит под действием сил. Другими словами сила является не причиной движения, а причиной изменения движения. Силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движений. К силовым характеристикам при поступательном движении относятся:

· сила;

· импульс силы;

· импульс тела (количество движения ).

Сила (F ) – мера механического действия одного тела на другое. Сила определяется формулой: F =ma , где m – масса тела; a – ускорение.

Импульс силы (S ) – мера воздействия силы на тело за промежуток времени. Эта механическая характеристика равна произведению силы на промежуток времени. Импульс силы характеризует площадь под кривой «время – сила» (рис. 3.2).

Значение импульса силы отталкивания не зависит от формы кривой «время-сила», а определяется только площадью под кривой. Зарегистрировать силу давления на опору позволяет методика тензодинамометрии . При этом характер кривой давления на опору зависит от уровня развития скоростно-силовых качеств спортсмена. Спортсмен, обладающий высоким уровнем развития скоростно-силовых качеств мышц ног способен развить высокий уровень силы за короткий промежуток времени.

Импульс тела (количество движения , Q ) – векторная величина, характеризующая его способность передаваться другому телу. Импульс тела определяется по формуле: Q = mV.

Импульс тела имеет то же направление, что и скорость. Если тело покоится, его импульс равен нулю. При взаимодействии тел их импульсы могут быть переданы от одного тела к другому. Например, в результате взаимодействия тела человека с опорой изменяется импульс тела (количество движения тела). Чем больший импульс приобретает тело человека в результате взаимодействия с опорой, тем выше или дальше будет прыжок.

К силовым характеристикам при вращательном движении относятся:

· момент силы;

· импульс момента силы;

· кинетический момент.

Момент силы (М ) – векторная величина, мера механического действия одного тела на другое при вращательном движении. Момент силы определяется по формуле: M = F h , где h – плечо силы.

Плечо силы – перпендикуляр, опущенный из оси вращения на линию действия силы.

Костные звенья в организме человека представляют собой рычаги. При этом результат действия мышцы определяется не столько развиваемой ею силой, сколько моментом силы. Особенностью строения опорно-двигательного аппарата человека является небольшие значения плеч сил тяги мышц. В то же время внешняя сила, например, сила тяжести, имеет большое плечо (рис. 3.3). Поэтому для противодействия большим внешним моментам сил мышцы должны развивать большую силу тяги.

Момент силы считают положительным, если сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным, при повороте тела по часовой стрелке. На рис. 3.3. сила тяжести гантели создает отрицательный момент силы, так как стремится повернуть предплечье в локтевом суставе по часовой стрелке. Сила тяги мышц-сгибателей предплечья создает положительный момент, так как стремится повернуть предплечье в локтевом суставе против часовой стрелки.

Импульс момента силы (S м ) – мера воздействия момента силы относительно данной оси за промежуток времени.

Кинетический момент (К ) &‐ векторная величина, мера вращательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент определяется по формуле: K =Jω.

Кинетический момент при вращательном движении является аналогом импульса тела (количества движения) при поступательном движении.

Пример. При выполнении прыжка в воду после выполнения отталкивания от мостика, кинетический момент тела человека (К ) остается неизменным. Поэтому если уменьшить момент инерции (J ), то есть произвести группировку, увеличивается угловая скорость ω . Перед входом в воду, спортсмен увеличивает момент инерции (выпрямляется), тем самым он уменьшает угловую скорость вращения.