Инерционная характеристика. Динамические характеристики движения Динамические инерционные характеристики поступательного движения

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.

Все движения человека и движимых им тел под действием сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и ход их изменения), исследуют динамические характеристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности самих движущихся тел), силовые (особенности взаимодействия тел) и энергетические (состояния и изменения работоспособности, биомеханических систем).

Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимодействиях. От инерционных характеристик зависит сохране­ние и изменение скорости.

Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а также в особенностях изменения его под действием сил.

Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньютона: "Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равно­мерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние".

Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.

Масса - это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины при­ложенной силы к вызываемому ею ускорению.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой.

Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс веек его частиц на квадраты их расстояний от данной оси вращения.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если частицы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Силовые характеристики. Известно, что движение тела мо­жет происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина движения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.

Сила - это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определяется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.

Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному движению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращательного движения зависит не от силы, а от момента силы.

Момент силы - это мера вращающего действия силы на тело. Он определяется произведением силы на ее плечо.

Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицатель­ным при повороте по часовой стрелке.

Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна проходить через ось вращения.

Определение силы или момента силы, если известна масса или момент инерции, позволяет узнать только ускорение, т.е. как быстро изменяется скорость. Надо еще узнать, на­сколько именно изменится скорость. Для этого должно быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, сле­дует определить импульс силы (или ее момента).

Импульс силы - это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении). Он равен произведению силы и продолжительности ее действия.

Любая сила, приложенная даже в малые доли секунды (например: удар по мячу) , имеет импульс. Именно импульс силы определяет изменение скорости, силой же обусловлено только ускорение.

Во вращательном движении момент силы, действуя в те­чение определенного времени, создает импульс момента силы.

Импульс момента силы - это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежу­ток времени (во вращательном движении).

Вследствие импульса как силы, так и момента силы возникают изменения движения, зависящие от инерционных свойств тела и проявляющиеся в изменении скорости (количество движения, кинетический момент) .

Количество движения – это мера поступательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.

Кинетический момент (момент количества движе­ния) – это мера вращательного движения тела, характеризующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент равен произведению момента инерции относительно оси вращения на угловую скорость тела.

Соответствующее изменение количества движения происходит под действием импульса силы, а под действием импульса момента силы происходит определенное изменение кинетического момента (момента количества движения).

Таким образом, к ранее рассмотренным кинематическим мерам изменения движения (скорости и ускорению) добавляются динамические меры изменения движения (количество движения и кинетический момент). Совместно с мерами действия сил они отражают взаимосвязь сил и движения. Изучение их помогает понять физические основы двигательных действий человека.

Энергетические характеристики. При движениях человека силы, приложенные к его телу на некотором пути, совершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же характеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как меняются виды энергии при движениях и протекает сам процесс изменения энергии.

Работа силы - это мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Она равна произведению модуля силы и перемещения точки при­ложения силы.

Если сила направлена в сторону движения (или под острым углом к этому направлению), то она совершает положи­тельную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению), то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается.

Работа момента силы – это мера воздействия момента силы на тело на данном пути (во вращательном движении). Она равна произведению модуля момента силы и угла поворота.

Понятие работы представляет собой меру внешних воздействий, приложенных к телу на определенном пути, вызывающих изменения механического состояния тела.

Энергия – это запас работоспособности системы. Механическая энергия определяется скоростями движений тел в системе и их взаимным расположением; значит, это энергия перемещения и взаимодействия.

Кинетическая энергия тела – это энергия его механического движения, определяющая возможность совершить работу. При поступательном движении она измеряется половиной произведения массы тела на квадрат его скорости, при вращательном движении половиной произведения момента инерции на квадрат его угловой скорости.

Потенциальная энергия тела -это энергия его поло­жения, обусловленная взаимным относительным расположе­нием тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия. Потенциальная энергия в поле сил тя­жести определяется произведением силы тяжести на раз­ность уровней начального и конечного положения над землей (относительно которого определяется энергия) .

Энергия как мера движения материи переходит из одно­го вида в другой. Так, химическая энергия в мышцах превра­щается в механическую (внутреннюю потенциальную упруго-деформированных мышц). Порожденная последней сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энер­гию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и вне­шних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетичес­кая) , передаваясь при их действии на тело человека его звень­ям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов и в рассеивающуюся тепловую энергию.

Инерционная характеристика представляет собой зависимость момента инерции Jрабочей машины от времени, линейного или углового пути. Момент инерции используется для определения времени пуска и торможения, исследования переходных процессов и определения динамических усилий и моментов,.

Величина момента инерции машин определяется массами движущихся деталей и грузов и радиусами инерции.

J прив =J дв +J m 1 +J m 2 +J чер +J бар /i ред, (3.13)

где J прив -приведенный момент инерции сиcтемы;

J дв =0,0056 кгм 2 - момент инерции двигателя;

J m 1 -момент инерции 1-ой половины муфты;

J m 2 -момент инерции 2-ой половины муфты;

J чер момент инерции червячной пары;

J бар =0,11 кгм 2 - момент инерции барабана сепаратора;

Примем некоторые допущения в кинематической схеме:

зазоры в червячной паре не учитываем;

момент инерции ведущей части муфты отнесем к моменту инерции двигателя;

момент инерции ведомой части муфты и червячной пары отнесем к моменту инерции барабана сепаратора;

После допущений:

J прив =J дв +J бар /i ред (3.14)

J прив =0,0056+0,11/0,231=2,07 ,кгм 2

Приведенный момент инерции системы достаточно велик, т.к. передаточное число червячной передачи очень мало(i ред =0,231);

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика рабочей машины представляет зависимость момента сопротивления М с, или мощности Р с рабочей машины от времениt, угловогоили линейногоSпути. Они необходимы для определения режима работы двигателя, выбора его мощности и проверки на перегрузочную способность, .

Рисунок 3.4 – Характер изменения параметров электродвигателя и муфты

Сепараторы относятся к машинам, работающим с практически постоянной нагрузкой. Режим работы, в основном, продолжительный (2…2,5часа).

В процессе работы сепаратора выделяют 3 периода его работы:

1)Разгон барабана сепаратора до установившейся скорости  уст;

2)Холостой ход при  уст (жидкость в барабан не поступает);

3)Работа под нагрузкой;

Проанализировав технологическую и кинематическую характеристики сепаратора, делаем вывод что, момент сопротивления сепаратора практически постоянный, независящий от времени (нагрузка постоянная)

М снагр =2М ׀ схх Нм

P экв =P ном под нагр Вт (3.15)

Энергетическая характеристика

Энергетическая характеристика показывает распределение энергии между отдельными рабочими узлами машины и энергоемкость машины в целом. Изучение энергетической характеристики позволяет обосновать место установки приводного двигателя для привода рабочей машины, имеющей несколько рабочих органов .

Пусковая мощность привода барабана сепаратора:

Р пуск =J бар ·ω 2 бар /t·η мех, Вт,(3.16)

где t время разгона барабана до рабочей частоты вращения (120…180 сек);

η мех =0,7…0,8механический КПД.

Р пуск =2,06·680 2 /150·0,8=7938 ,Вт

Р хх =М хх ·ω дв Вт, (3.17)

где Р хх =5,07·157=796 ,Втпотребная мощность на холостом ходу;

Р нагр =М нагр ·ω дв Вт, (3.18)

Где Р нагр =9,13·157=1433 ,Втпотребная мощность двигателя под нагрузкой;

Отношение потребной мощности на холостом ходу и под нагрузкой:

Р хх ·100% / Р нагр =796·100% /1433 =55% (3.19)

При полной нагрузке потребная мощность двигателя на холостом ходу составляет 55%, она идет на вращение барабана сепаратора, а 45% мощность, потребная на сообщение кинетической энергии жидкости, поступающей в барабан, а также на гидродинамические потери и увеличение потерь в подшипниках и передаточном механизме при нагрузке.

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.

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.

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.

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