Природа звука, характеристики звука и ощущения

Движение Земли

Earth motion

Движение Земли - перемещение Земли относительно некоторой выбранной системы координат. Земля совершает четыре вида движения: -1- Движение вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики. Один оборот - галактический год (230 или 280 млн лет). -2- Движение вокруг Солнца по эллиптической орбите, близкой к кругу радиусом около 149,6 млн км. Период обращения - год. Плоскость орбиты называется плоскостью эклиптики. -3- Вращение Земли вокруг своей оси - один оборот за сутки. -4- Обращение вокруг общего с Луной центра масс с периодом 27.32 суток.

Движение Солнца

Солнце движется почти равномерно (почти — из-за эксцентриситета орбиты Земли) по большому кругу небесной сферы, называемому эклиптикой, с запада на восток (то есть в сторону, противоположную вращению небесной сферы), совершая полный оборот за один сидерический год (365,2564 дня). Сидерический год отличается оттропического года, определяющего смену сезонов, вследствие прецессии земной оси (см. Предварение равноденствий).

Движение нижних планет

В своём движении по небесной сфере Меркурий и Венера никогда не уходят далеко от Солнца (Меркурий — не дальше 18° — 28°; Венера — не дальше 45° — 48°) и могут находиться либо к востоку, либо к западу от него. Момент наибольшего углового удаления планеты к востоку от Солнца называется восточной или вечерней элонгацией; к западу — западной или утренней элонгацией.

При восточной элонгации планета видна на западе вскоре после захода Солнца. Двигаясь с востока на запад, то есть попятным движением, планета сначала медленно, а потом быстрее, приближается к Солнцу, пока не скрывается в его лучах. Этот момент называется нижним соединением (планета проходит между Землёй и Солнцем). Спустя некоторое время её становится видно на востоке незадолго до восхода Солнца. Продолжая попятное движение, она достигает западной элонгации, останавливается и начинает двигаться с запада на восток, то есть прямым движением, догоняя Солнце. Догнав его, она снова становится невидимой — наступает верхнее соединение (в этот момент Солнце оказывается между Землёй и планетой). Продолжая прямое движение, планета вновь достигает восточной элонгации, останавливается и начинает попятное движение — цикл повторяется.

[править]Движение верхних планет

У верхних планет также чередуются прямое и попятное движение. Когда верхняя планета видна на западе вскоре после захода Солнца, она движется по небесной сфере прямым движением, то есть в ту же сторону, что и Солнце. Однако скорость движения верхней планеты по небесной сфере всегда меньше, чем у Солнца, поэтому наступает момент, когда оно догоняет планету — происходит соединение планеты с Солнцем (последнее оказывается между Землёй и планетой). После того, как Солнце обгонит планету, её становится видно на востоке, перед восходом Солнца. Скорость прямого движения постепенно уменьшается, планета останавливается и начинает перемещаться среди звёзд с востока на запад, то есть попятным движением. В середине дуги своего попятного движения планета находится в точке небесной сферы, противоположной той, где в этот момент находится Солнце. Это положение называется противостоянием (Земля находится между Солнцем и планетой). Через некоторое время планета снова останавливается и меняет направление своего движения на прямое — и цикл повторяется.

Расположение планеты на 90° к востоку от Солнца называется восточной квадратурой, а на 90° к западу — западной квадратурой.

Невесомость и перегрузки.

Механика. - Движение в неинерциальных системах и инерция.

Рассмотрим системы отсчета, связанные с телами, на которые действуют только силы тяготения. Такой системой является, например, корпус искусственного спутника. Вначале, однако, рассмотрим более простой пример. Представим себе, что трос, на котором висит кабина лифта, оборвался и кабина начала падать с ускорением g, направленным вниз. Сила инерции, действующая на тело массы m, находящееся в кабине, будет равна —mg. Знак минус показывает, что сила направлена вверх, противоположно силе тяжести. Но сила тяжести, действующая на данное тело, равна mg и направлена вниз. Значит, вместе с силой инерции эти силы взаимно уравновесятся. Если тело висело на нити, то сила натяжения нити исчезнет; если пережечь нить, то тело останется на месте относительно кабины. Если сообщить незакрепленному телу некоторую скорость, то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно, пока не ударится о стенку кабины. Отвес не будет иметь никакого определенного положения равновесия: если толкнуть грузик отвеса вбок, то, вместо того чтобы начать колебаться вблизи начального положения, он будет равномерно вращаться вокруг точки подвеса. Чтобы тело покоилось относительно падающего лифта, не нужно ни опоры, ни подвеса, а покоящиеся тела не будут деформированы. Вместе с этим исчезнет сила, с которой покоящееся тело, находящееся под действием силы тяготения, давит на подставку или растягивает подвес; словом, исчезнет вес. Поэтому условия, имеющие место в падающем лифте, называют состоянием невесомости.

Совершенно такая же картина невесомости будет наблюдаться и в искусственном спутнике, движущемся по орбите. Ведь движение спутника, как мы видели (§ 125), есть также свободное падение с ускорением, создаваемым силой тяжести; поэтому для любого тела в спутнике, с точки зрения находящегося в нем наблюдателя, сумма сил тяготения и сил инерции будет равна нулю. Внутри кабины нельзя определить, где «верх» и где «низ»; тела не падают на пол, а «плавают» в воздухе; для того чтобы удерживать в руке тело даже большой массы, не требуется никаких усилий, и т. д. С точки же зрения наблюдателя, находящегося в инерциальной системе отсчета, космонавт не обнаруживает ускорений тел, находящихся в кабине, в том числе и своего тела, относительно стенок кабины, потому, что как кабина, так к все тела в ней, и он сам в том числе, «падают», т. е. имеют одинаковое ускорение g. Как видно из сказанного, состояние невесомости наступает не потому, что сила земного притяжения «перестает действовать», но именно потому, что она «делает свое дело» — сообщает всем телам одинаковое ускорение.

Если космонавт попытается массивному телу, которое «плавает» в воздухе, сообщить толчком большую скорость, то он убедится, что для этого нужно приложить вполне ощутимую силу. Эту силу можно вычислить по второму закону Ньютона как произведение массы тела на его ускорение относительно кабины. В состоянии невесомости массивное тело перестает давить на руку, которая удерживает его в определенном положении, но вовсе не перестает давить на руку, сообщающую ему ускорение. Если массивному телу сообщена значительная начальная скорость, то оно будет продолжать двигаться с той же скоростью прямолинейно, пока не наткнется на стенку кабины, и если стенка выдержит этот удар, то тело отразится от стенки и начнет двигаться в обратном направлении с той же скоростью. Словом, космонавт не обнаружит никаких отклонений от законов механики, но обнаружит отсутствие тех явлений, которые обусловлены действием сил земного тяготения. Поэтому в состоянии невесомости у космонавта отсутствуют привычные явления, вызываемые силой тяжести (например, постоянное напряжение некоторых мышц, деформации внутренних органов и т. п.), к которым организм приспособился в процессе эволюции.

Все сказанное о состоянии невесомости относится к тому случаю, когда на космический корабль действуют только силы тяготения. Если же на него действует еще и сила тяги реактивных двигателей, то состояние невесомости нарушается. Например, на «активном участке» траектории, когда двигатели работают, разгоняя ракету до требуемой скорости, поднимая ее вертикально вверх, сила инерции направлена вертикально вниз и для тела массы m равна mа, где а — ускорение ракеты. Таким образом, космонавт, рассматривающий движение окружающих его тел относительно стенок кабины, обнаружит, что, кроме силы тяжести mg, на тела действует еще в том же направлении сила инерции та. Точнее говоря, так как он не сможет различить эти силы, он обнаружит, что на тело действует сила т(g+a) — результирующая силы тяготения и силы инерции. Картина будет такова, как если бы сила тяготения Земли увеличилась в (g+а)/g раз. Ускорение при взлете ракеты может значительно превышать ускорение свободного падения, так что результирующие силы, действующие на покоящиеся тела в кабине, могут в несколько раз превышать силу тяжести для этих тел. Соответственно увеличатся и деформации, вызванные этой возросшей силой, и силы, с которыми действуют друг на друга деформированные тела и части деформированных тел. Это явление называют перегрузкой. Говорят о двукратной, трехкратной и т. д. перегрузке, когда результирующая сил тяжести и сил инерции превышает в два, три и т. д. раза силу тяжести, действующую на тело.

Состояние перегрузки действует на организм космонавта значительно сильнее, чем состояние невесомости, но при полетах в космосе оно длится гораздо меньшее время — время работы двигателей. Для того чтобы космонавт легче переносил перегрузки, принимают специальные меры: космонавт располагается лежа в специальном кресле так, чтобы его возросший вес распределялся по возможно большей площади и не изменял условий кровообращения.

Перегрузки легко объяснить и с точки зрения «инерциального наблюдателя». С этой точки зрения силы инерции. отсутствуют, но, помимо сил тяготения, к космическому кораблю и к каждому из тел, в нем находящихся, приложены силы, действующие при непосредственном соприкосновении и сообщающие всем этим телам данное ускорение. Мы видели (§ 119), что в этом случае ускоряемые тела оказываются деформированными, и, значит, между их частями действуют силы упругости такие же, какие действовали бы между ними, если бы тела покоились и на них действовала бы увеличенная сила тяготения.

Искусственная гравитация — это изменение (уменьшение или увеличение) ощущаемой гравитации с помощью искусственных способов. В научной фантастике часто сопрягается скосмосом, однако есть много причин для регулирования гравитации и на Земле (в частности, для научных экспериментов). Практически иллюзия гравитации может создаваться различными физическими силами, например, силой инерции (см. Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции), в частности центробежной силой^[1]. Создание искусственной гравитации считается желательным для долгосрочных космических путешествий (и вообще для пребывания в космосе) с целью упрощения передвижения людей, более удобного оперирования жидкостями и для избежания неблагоприятного воздействия невесомости на организм человека.^[2][3]

Вестибулярный аппарат — сложный рецептор вестибулярного анализатора. Структурная основа вестибулярного аппарата — комплекс скоплений реснитчатых клеток внутреннего уха, эндолимфы, включенных в неё известковых образований — отолитов и желеобразных купул в ампулах полукружных каналов. Из рецепторов равновесия поступают сигналы двух типов: статические (связанные с положением тела) и динамические (связанные с ускорением). И те и другие сигналы возникают при механическом раздражении чувствительных волосков смещением либо отолитов (или купул), либо эндолимфы. Обычно отолит имеет большую плотность, чем окружающая его эндолимфа, и поддерживается чувствительными волосками.

Сила Кориолиса

Силой Кориолиса называется сила инерции, связанная с неинерциальной системой отсчета, которая была описана французским инженером-математиком Густавом-Гаспаром Кориолисом в 1835 году. Кориолис показал, что при использовании традиционных Ньютоновских законов движения тел во вращающихся системах отсчета уравнения движения должны быть дополнены специальной силой инерции, которая направлена вправо по отношению к перемещению тела, если вращение системы отсчета направлено против часовой стрелки, и влево в противном случае.

Действие силы Кориолиса проявляется в наблюдаемом отклонении пути тела, перемещающегося во вращающейся системе координат. Конечно, в действительности это не тело отклоняется от своего пути, а мы просто фиксируем результат движения системы координат.

Результат действия силы Кориолиса будет максимальным при продольном перемещении объекта по отношению к вращению. Следовательно, на Земле это будет при движении по меридиану, при этом тело отклоняется вправо при движении с севера на юг и влево при движении с юга на север. Для этого явления имеются две причины: первая, вращение Земли на восток; и вторая - зависимость от географической широты тангенциальной скорости точки на поверхности Земли (эта скорость равна нулю на полюсах и достигает своего максимального значения на экваторе). Таким образом, при выстреле пушки на север из любой точки на экваторе, снаряд падает восточнее своего первоначально заданного направления. Это отклонение объясняется тем фактом, что на экваторе снаряд двигается к востоку быстрее, чем в любой точке севернее. Аналогично, если стрелять со стороны северного полюса, то снаряд должен падать правее по отношению к своей прицельной точке. Так как в этом случае за время полета цель успевает переместиться к востоку дальше по причине своей большей, чем у снаряда, восточной скорости (см. Рисунок). Аналогичные смещения происходят при любом выстреле, если только первоначальная скорость снаряда имеет ненулевую проекцию на направление север - юг.

Следовательно, Кориолисово смещение есть результат движения объекта, вращения Земли и географической широты. По этой причине в ответе должны присутствовать удвоенный синус широты, скорость тела и угловая скорость вращения Земли. Точная формула довольно проста:

- результат векторного произведения частоты вращения Земли и скорости движения тела (вектор частоты вращения Земли направлен на полярную звезду).

Как известно, результатом векторного произведения является также вектор, численно равный площади параллелограмма, который образуется при совмещении начальных точек множителей, и перпендикулярный к плоскости параллелограмма по направлению. Причем направление считается положительным, если выбирается согласно правилу правого винта. Величина этой силы при небольших скоростях движения весьма мала, достаточно сказать, что максимальное ускорение на поверхности Земли при скорости движения 1 м/сек составит всего лишь 0,0231 мм/сек. Однако сила Кориолиса имеет большое значение для астрофизики и звездной динамики, достаточно сказать, что именно с помощью этой силой объясняется направление вращения солнечных пятен. Для земных наук она имеет также большое значение, особенно для метеорологии, геофизики и океанографии, потому любые движущиеся вблизи поверхности Земли объекты подвергаются ее действию. Так, например, сила Кориолиса вносит решающий вклад в динамику атмосферы, определяя направление и силу преобладающих ветров и направление вращения циклонов, а в гидросфере направление океанских течений.

 

 

9…… Момент силы. Рычаг. Суставы и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека.

Вращение тела вокруг оси вызывается силой, приложенной к любой точке тела, действующей в плоскости, перпендикулярной оси вращения, и направленной перпендикулярно радиус-вектору точки приложения. При этом действие силы зависит от расстояния от точки ее приложения до оси вращения. Это учитывается с помощью величины, называемой вращающим моментом или просто моментом силы.

Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета, к которым в определенных точках прикрепляются мышцы. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц.

Различают рычаги трех видов:

1. Рычаг, к которому действующая сила и сила преодолеваемого сопротивления приложены по разные точки опоры (рис.2,а). Например, череп рассматриваемый в сагиттальной плоскости.

ось вращения рычага проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы, приложенная в центре масс черепа (несколько позади турецкого седла), позади точки опоры – сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. Условие равновесия ;

2. Рычаг, у которого силы и расположены по одну сторону от точки опоры , причем сила - к концу рычага, а сила - ближе к точке опоры (рис.3,а). Условие равновесия рычага: . Но , следовательно, , т.е. такой рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемещении и называется рычагом силы. Пример: действие свода стопы при подъему на полупальцы (рис.3,б); опорой рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей.

Преодолеваемая сила - сила тяжести тела, приходящаяся на нижнюю конечность, - проложена к таранной кости. Действующая мышечная сила , осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости;

3. Рычаг, у которого сила приложена ближе к точке опоры, чем сила (рис.4,а). Условие равновесия: . Но , следовательно, , т.е. такой рычаг дает проигрыш в силе, но выигрыш в перемещении и называется рычагом скорости.

10… Для материальной точки с массой , равномерно движущейся по окружности со скоростью , величина , равная произведению количества движения (или импульса) на радиус этой окружности называется моментом импульса: .

Момент импульса есть вектор, приложенный в центре окружности перпендикулярное плоскости в направлении, согласованном с направлением движения точки по правовинтовой системе.

Момент импульса тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равен сумме моментов импульса всех достаточно малых по массе элементов, его составляющих:

Момент импульса тела относительно оси вращения, называемый также собственным моментом вращения, равен произведению момента инерции тела на его угловую скорость.

Если на тело не действуют внешние силы или их общий момент равняется нулю , то равно нулю и изменение момента импульса: . Это означает, что момент импульса остается постоянным: .

Это следствие называется законом сохранения момента импульса относительно оси вращения: если момент внешних сил, действующих на вращающееся тело, равняется нулю, то момент импульса остается постоянным.

 

11…. Реактивное движение рассм ракету и вылетаю щие из нее газы как единую мех систему пусть в да нный момент времени mv импульс ракеты через ка кой промеж времени масса ракеты станет (m-md) а скорость (v+dv) импульс вылетающих газов udm. mv=(m-dm)(v+dv)-udm.dv=(u+v)*dm/m где (u+v)=c относит скорость ракеты по отнош к газам dv=-c* dm/m “-“ указывает на возраст скорости при убыва нии массы интегрируя уравн c=const.|n-v|dv=|m-v|-cdm/m.(v-v0=c*LNm0 / m)формула Циолковского

Работа силы.

В предыдущем параграфе мы установили, что в простой машине при равномерном движении всегда существует вполне определенная связь между силами и перемещениями: если направления силы и перемещения совпадают, то произведения силы на перемещение для обеих точек приложения сил оказываются одинаковыми. Таким образом, произведение силы на перемещение играет особую роль: при его помощи можно охарактеризовать действие простых машин. В дальнейшем выяснится, что оно исключительно важно и для характеристики многих иных явлений.

Ввиду его важности это произведение рассматривается как самостоятельная физическая величина. Эта новая физическая величина получила особое название: работа силы.

Итак, работа есть произведение силы на перемещение при условии, что направления силы и перемещения совпадают.

Таким образом, когда точка приложения силы перемещается, то сила совершает работу. Если перемещение происходит в направлении действия силы, то сила совершает работу, равную произведению силы на перемещение. Если же, несмотря на действие силы, перемещение точки приложения силы не происходит, то сила никакой работы не совершает. Например, если какой-либо груз неподвижно висит на подвесе, то действующая на него сила тяжести не совершает работы; но при опускании или падении груза эта сила работу совершает. Если сила тяжести груза равна Р и груз опустился на расстояние h, то работа силы тяжести равна Ph.

Точно так же и в простых машинах (в рычаге, блоке и т. д.) приложенные силы не совершают работы, пока машина не движется. Но если блок начинает вращаться и конец веревки, к которому приложена сила, начинает перемещаться в направлении действия силы, то эта сила совершает работу, равную произведению силы на перемещение.

Во всех движущих механизмах (паровой машине, двигателе внутреннего сгорания, электрическом моторе и т. д.) действуют силы, которые совершают работу при движении механизма. Так, в паровой машине сила давления пара на поршень совершает работу при движении поршня; силы давления газов сгоревшего заряда пороха совершают работу при движении снаряда. Силы взаимодействия электрических токов, текущих в обмотках электромотора, совершают работу при вращении мотора.

Понятие работы как физической величины, введенное в механике, только до известной степени согласуется с представлением о работе в житейском смысле. Действительно, например, работа грузчика по подъему тяжести расценивается тем больше, чем больше поднимаемый груз и чем на большую высоту он должен быть поднят. Однако с той же житейской точки зрения мы склонны называть «физической работой» всякую деятельность человека, при которой он совершает известные физические усилия. Но, согласно даваемому в механике определению, эта деятельность может и не сопровождаться работой. В известном мифе об Атласе, поддерживающем на своих плечах небесный свод, люди имели в виду усилия, необходимые для поддержания огромной тяжести, и расценивали эти усилия как колоссальную работу. Для механики же здесь нет работы, и мышцы Атласа могли бы быть попросту заменены прочной колонной.

 

13……… Консерв силы – силы, работа кот на любом замкнутом контуре равна 0 (сила тяж, сила упругости, электростат сила). Неконсерв сила – сила трения. Консерв силы можно определить способами: 1)силы, работа которых на любом замкнутом пути равна 0; 2)силы, работа которых не зависит от пути, по кот частица переходит из одного положения в другое. В поле консерв сил вводится понятие потенц энергии, как функции засисящей от координат. В Сист где действ только консерв силы, мех.энергия остается постоянной.

14……. Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела: Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела. E _р = mgh..

Закон сохранения энергии тела меж ду котор де йствуют консервативные силы Полная мех энергия сохраняется (фундаментал зак природы)Диссипа тивные системы мех энергия постепенно уменьша ется за счет преобразований в другие виды энергии (не мех) Рассеяние Е это процесс диссипации Все системы в природе диссипативны В системе в кото действ неконсервативные силы (трения) полная мех Е системы не сохраняется Однако при исчезновен ии мех Е всегда возникает эквивалентная ей др Е ни когда не исчезает и не появляется из ничего Она ли шь превращается из одного вида в другую (физ су щ закона превращения и сохранения Е)Сущность не уничтожения материи и ее энергии (на тело дей ств консервативн и неконсервативн силы) Fk+Fтр+ Fвн Закон сохранения Е:при наличии неконсе рва тивных сил полная энергия мех системы не сохра няется а переходит в др виды энергии (может не вы полняться)При пластичных деформаЕ переходит в тепло.

­15…… Работа и мощность, которые характерны для человека, зависят от многих факторов. При кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. Например, если спортсмен массой 70 кг подпрыгивает так, что его центр масс поднимается на 1 м (по отношению к нормальной стойке), а фаза отталкивания длится 0,2 с, то он развивает мощность около 3,5 кВт. При ходьбе с постоянной скоростью по ровному месту человек также совершает работу, хотя его кинетическая энергия не изменяется. В данном случае энергия затрачивается главным образом на периодическое поднятие центра масс тела и на ускорение или замедление ног. Часть этой энергии идет на нагревание организма за счет «сопротивления» его частей и нагревание окружающей среды. Например, человек массой 70 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч развивает мощность около 60 Вт. С возрастанием скорости эта мощность быстро увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч. При езде на велосипеде положение центра масс человека изменяется гораздо меньше, чем при ходьбе, и ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде на велосипеде, значительно меньше: 30 Вт при скорости 9 км/ч, 120 Вт при 18 км/ч. Работа, совершаемая мышцами при выполнении активных движений, называется динамической. Эта работа связана с перемещением частей тела. В том случае, когда человек сохраняет свою позу неизменной, такие перемещения отсутствуют, а при отсутствии перемещения работа всех сил равна нулю. Поэтому может показаться, что человек, стоящий неподвижно, не тратит энергию. Однако опыт показывает, что сохранение неподвижной позы в течение длительного времени вызывает значительное утомление. Еще большую усталость испытывает человек, держащий в вытянутой руке гантель. Сидящий человек также испытывает усталость мышц спины и поясничной области, если на плечи ему поместить груз. Причина усталости (а значит и энергозатрат) при статических нагрузках состоит в том, что покой в данном случае является кажущимся. Вследствие биологической активности мышц у человека всегда наблюдается физиологический тремор (лат. tremor — дрожание). При этом происходят незаметные глазу очень мелкие и очень частые сокращения и расслабления мышц. Следовательно, мышцы постоянно совершают работу (такую работу называют статической) и расходуют запас энергии. Сила мышц падает и требуется перерыв для ее восстановления. Этим и объясняется то, что стоящий человек время от времени переносит тяжесть тела с одной ноги на другую.
Энергетика бега. Предположим, что бегун передвигается с постоянной скоростью по горизонтальной поверхности. Работа, которая при этом совершается, сводится к преодолению трения и сопротивления воздуха. При беге действие трения невелико, но, тем не менее, бег с постоянной скоростью связан со значительными затратами энергии. Энергия тратится на движение тела бегуна вверх-вниз и на отталкивание ногами от почвы. Кроме того, тело бегуна превращает энергию в теплоту. Дополнительная причина потери энергии заключается в том, что ноги бегуна, масса которых составляет примерно 40\% от массы тела (см. табл. 5.1), в процессе бега постоянно ускоряются и тормозятся. Поэтому работа, выполняемая мышцами ног для поддержания движения тела вперед с постоянной скоростью, велика. В первом приближении можно считать, что работа, выполняемая мышцами бегуна за один шаг, пропорциональна кинетической энергии, сообщаемой той ноге, которая после отталкивания от земли выносится вперед: А ~ mv2 (т — масса ноги). В то же время эта работа определяется формулой А = F∙d, где F — сила мышц, d — расстояние, на котором при каждом шаге мышцы выполняют работу. Считается, что сила мышц (F) пропорциональна квадрату характеристической длины (L2), а масса (т) пропорциональна кубу характеристической длины (L3). Кроме того, расстояние d пропорционально L. Следовательно, Таким образом, можно считать, что скорость, которую может поддерживать бегун, не зависит от его размеров. Ориентировочные значения скоростей, которые могут развивать человек и некоторые животные, представлены в табл. 5.3. Люди — неважные бегуны. Это объясняется тем, что масса ног человека составляет около 40\% массы тела и требует значительных затрат энергии при каждом торможении и разгоне. Самые быстроходные животные имеют худые ноги, а основная масса сосредоточена в теле. Большие мышцы ног у некоторых животных (лев, тигр, большие кошки) приспособлены для прыжков, а не для быстрого бега.

16……При описании движения жидкостей и газов в механике жидкости и газа (гидромеханике) широко используется представление о жидкости и газе как о сплошной среде. Жидкости и газы, являющиеся объектом изучения механики жидкости и газа, должны обладать двумя основными свойствами:

 сплошностью

 текучестью (т.е. подвижностью).

Условия сплошности для жидкостей и газов выполняется, если характерные линейные размеры области течения (например, диаметр трубы) велики по сравнению с параметрами, характеризующими движение молекул. К последним относятся длина свободного пробега молекул (для газов) или амплитуда колебания молекул (для жидкостей). Таким образом, механика жидкости и газа не занимается изучением движения отдельных молекул, а исходит из допущения, что вся область течения непрерывно (сплошным образом) заполнена веществом. В этой связи жидкости и газы часто называются сплошными средами.

Это допущение называется гипотезой сплошности жидкостей и газов. Такое допущение вполне оправдано, если учесть, что размеры пространства занимаемого жидкостью (или газом), во много раз превосходят межмолекулярные расстояния (исключением можно считать лишь разряженный

газ).

При движении жидкостей условие сплошности выполняется практически всегда. При движении газов гипотеза сплошности может не выполняться.

При изучении движения жидкостей и газов последние часто рассматриваются как жидкости с присущими им некоторыми особыми

свойствами (высокой сжимаемостью). В связи с этим принято различать две категории жидкостей: капельные жидкости (практически несжимаемые тела) и сжимаемые жидкости (газы).

Стационарное Течение

установившееся течение, — течение, в каждой точке которого (в данной системе координат) газодинамические переменные не изменяются во времени. В С. т. движение частиц газа (жидкости) происходит вдоль линий тока. Общие свойства С. т. достаточно подробно изучены и разработаны методы интегрирования описывающих их уравнений, что позволяет проводить аэродинамический расчёт летательного аппарата на основных режимах полёта. Эти результаты распространяются на так называемые квазистационарные течения, в которых нестационарные эффекты незначительны и которые соответствуют движению газа при малых Струхала числах (взлет, посадка и другие переходные режимы движения летательного аппарата). Условие неразрывности струи предусматривает, что струя жидкости нигде не имеет разрывов. Частицы жидкости при стационарном течении движутся по линиям тока, поэтому боковую поверхность трубки тока жидкость не пересекает.

Ур-е Бернулли:

В стационарно-текущей идеальной жидкости (отсутствует сила внутреннего трения) выбираем трубку тока, ограниченную сечениями S1, S2. По закону сохранения энергии: изменение полной энергии жидкости массой m в местах сечений S1, S2 равно работе внешних сил по перемещению этой массы жидкости, т.е. E2-E1=A, где E1=m*υ1²/2 +m*g*h1, E2= m*υ2²/2 +m*g*h2;A=F1*L1+F2*L2, где F – внешние си лы, F1=P1*S1, L1=υ1*∆t; Согласно ур-ю неразрыв ности для несжимаемой жидкости: ∆V=S1*υ1*∆t= S2*υ2*∆t;ρ*υ1²/2+ρ*g*h1+P1= ρ*υ2²/2+ρ*g*h2+P2, где ρ – плотность жидкости.ρ*υ²/2+ρ*g*h+P=const – Ур-е Бернулли, где P – статическое давление.

17……. Изменение скорости потока

думаю возрастает.
не знаю, как для пищевой цепи измерять скорость потока энергии, но если разумно предположить, что это время, затрачиваемое на потребление, скажем одной энергетической единицы (ну, допустим, в калориях) на одну единицу живого веса (ну, пусть, в килограммах), то вы тратите на еду заметно меньше времени, чем корова, которую вы едите, как находящийся на более высокой ступени пищевой пирамиды. при этом и энергии (в калориях на килограмм вы потребляете больше).
это логично и с физической точки зрения. корова делает часть работы за вас. вы употребляете уже, в некотором роде, переработанный продукт. экономист бы сказал, что корова создает прибавочную питательность)))
представить, что вы вынуждены были жевать траву и заниматься фотосинтезом... ужас лучше не надо.

Труба Вентури — устройство для измерения расхода или скорости потока газов и жидкостей, представляющее собой трубу с горловиной, включаемую в разрыв трубопровода. Имеет наименьшие потери давления среди сужающих поток расходомеров. Названа по имени итальянского ученого Дж. Вентури. В основе принципа действия трубы Вентури лежит эффект Вентури — явление уменьшения давления в потоке жидкости или газа, когда этот поток проходит через суженный участок трубы. Применяется в трубопроводах диаметром от 50 до 1400 мм, при этом отношение сечений горловины и трубопровода должно лежать в пределах от 0,1 до 0,6. Применяется при числах Рейнольдса свыше 2×10⁴. Потери напора при использовании трубы Вентури составляют от 5 до 20 %, погрешность измерения в диапазоне 2—10 %.

Водоструйный насос, струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочей жидкости для образования струи применяется вода.

ПОДЪЕМНАЯ СИЛА КРЫЛА

Подъемная сила крыла нужна для поддержания самолета в воздухе. Она возникает в результате разности давлений на нижней и верхней поверхностях крыла. Разность же давлений, как было установлено, возникает при несимметричном обтекании профиля, вследствие чего на верхней поверхности крыла давление будет меньше, чем на нижней. Если профиль крыла симметричный и угол атаки равен нулю, то обтекание и картина распределения давлений над и под крылом будут одинаковыми, и подъемная сила при этом не возникает. Для несимметричного профиля в случае дозвукового обтекания подъемная сила может создаваться крылом не только при угле атаки, отличном от нуля, но и при α = 0.

Величина подъемной силы может быть подсчитана, если все векторы избыточных давлений сверху и снизу профиля крыла спроектировать на ось, перпендикулярную направлению набегающего невозмущенного потока, и определить равнодействующую этих сил (рис.). Тогда подъемная сила P, действующая на крыло, будет равна произведению разности средних избыточных давлений под крылом Р_изб и над ним Р_изб, на площадь крыла S:

[кгс], (2.9)

где - среднее избыточное давление под крылом, кгс/м²;

- среднее избыточное давление над крылом, кгс/м²;

S — площадь крыла, м².

ЭРАЦИЯ ПОЧВЫ (греч. aer — воздух) — воздушная вентиляция почв — газообмен почвенного воздуха с атмосферным. Почвы отдают в приземный слой воздуха углекислоту, образующуюся при разложении органических включений, а взамен получают, кислород, ускоряющий внутрипочвенные процессы, окисляя минеральные части и разлагая органические. Аэрация почвы — один из показателей плодородия, так как способствует росту растений. Уплотнение или переувлажнение почвы (например, в тундрах) затрудняет аэрацию и обедняет их.

 

 

18…….. При течении реальной жидкости отдельные слои ее воздействуют друг на друга с силами, касательными к слоям. Это явление называют внутренним трением или вязкостью.

Рассмотрим течение вязкой жидкости между двумя твердыми пластинками (рис 4.10), из которых нижняя неподвижна, а верхняя движется со скоростью . Условно представим жидкость в виде нескольких слоев 1, 2, 3 и т. д. Слой, «прилипший» ко дну, неподвижен. По мере удаления от дна (нижняя пластинка) слои жидкости имеют все большие скорости ( и т.д.), Максимальная скорость будет у слоя, который «прилип» к верхней пластинке.

Рисунок 4.10.

Слои воздействуют друг на друга. Так, например, третий слой стремится ускорить движение второго, но сам испытывает торможение с его стороны, а ускоряется четвертым слоем и т. д. Сила внутреннего трения пропорциональна площади взаимодействующих слоев и тем больше, чем больше их относительная скорость. Так как разделение на слои условно, то принято выражать силу в зависимости от изменения скорости, отнесенного к длине в направлении перпендикулярном скорости, т.е. - градиент скорости (скорость сдвига):

(8)

Это уравнение Ньютона. Здесь - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения или динамической вязкостью (или просто вязкостью). Вязкость зависит от состояния и молекулярных свойств жидкости (или газа).

Единицей вязкости является паскаль-секунда ().

Для многих жидкостей вязкость не зависит от градиента скорости, такие жидкости подчиняются уравнению (8) и их называют ньютоновскими. Жидкости, не подчиняющиеся уравнению (8) относятся к неньютоновскими. Иногда вязкость ньютоновских жидкостей называют нормальной, а неньютоновских – аномальной.

Жидкости, состоящие из сложных и крупных молекул, например растворы полимеров, и образующие благодаря сцеплению молекул или частиц пространственные структуры, являются неньютоновскими. Их вязкость при прочих равных условиях много больше, чем у простых жидкостей. Увеличение вязкости происходит потому, что при течении этих жидкостей работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной, ньютоновской, вязкости, но и на разрушение структуры. Кровь является неньютоновской жидкостью.

 

19………. РЕОЛОГИЯ – наука о деформациях и текучести сплошных сред, обнаруживающих упругие, пластические и вязкие свойства в различных сочетаниях. Упругие деформации возникают в теле при приложении нагрузки и исчезают, если нагрузки снять; пластические деформации появляются только в том случае, когда вызванные нагрузкой напряжения превышают известную величину – предел текучести; они сохраняются после снятия нагрузки; вязкое течение отличается тем, что оно возникает при любых сколь угодно малых напряжениях, с ростом напряжений увеличивается скорость течения, и при сохранении напряжений вязкое течение продолжается неограниченно. Еще одно свойство, которым могут обладать среды, изучаемые реологией, – это высокоэластичность, характерная, например, для резины, когда резиновая лента допускает десятикратное растяжение, а после снятия нагрузки практически мгновенно восстанавливает первоначальное состояние.

Кровь, проходя по сосудам, испытывает сопротивление движению как со стороны сосудов, так и из-за вязкости самой крови. Чем выше сопротивление току крови, тем большая сила затрачивается на ее продвижение по сосуду. Величина сопротивления зависит от диаметра сосуда, его длины, скорости кровотока. Поэтому сердце выбрасывает кровь в сосудистую систему под большим давлением. В разных отделах сосудистой системы давление крови будет разным. В аорте среднее давление в 100 мм рт.ст. колеблется в диапазоне от 120 мм рт.ст. при систоле (систолическое давление) до 80 мм рт.ст. при диастоле (диастолическое давление). Разница между ними называется пульсовым давлением. По мере движения крови давление в сосудистом русле падает. Таким образом, непрерывные, ритмические сокращения сердца, преодолевая сопротивление, создают и поддерживают разность кровяного давления между артериальным и венозным участком сосудистой системы. Эта разность давлений и является главной причиной движения крови по сосудам из области высокого давления в область более низкого.

При движении крови по сосудам различают линейную и объемную скорость кровотока.

Объемная скорость кровотока — количество крови, протекающее через поперечное сечение сосуда в единицу времени. Объемная скорость кровотока через сосуд прямо пропорциональна давлению крови в нем и обратно пропорциональна сопротивлению току крови в этом сосуде.

Линейная скорость кровотока отражает скорость продвижения частиц крови вдоль сосуда и равна объемной скорости, деленной на площадь сечения кровеносного сосуда. Линейная скорость различна для частиц крови, продвигающихся в центре потока и у сосудистой стенки. В центре сосуда линейная скорость максимальна, а около стенки сосуда она минимальна в связи с тем, что здесь особенно велико трение частиц крови о стенку

Кровяным давлением называют давление крови, которое существует внутри артерий (артериальное давление), внутри капилляров (капиллярное давление) и внутри вен (венозное давление). Кровяное давление обеспечивает движение крови по кровеносной системе организма, обеспечивая при этом осуществление обменных процессов.

Уровень артериального давления определяется силой сокращений сердечной мышцы (миокарда) и тем количеством крови, которое выбрасывается сердцем в момент его сокращения. Помимо этого существует еще несколько факторов, оказывающих влияние на уровень артериального давления. Наряду с количеством циркулирующей в организме крови, к ним относятся также возникающее при дыхании давление брюшной и грудной полостей, и такой параметр крови, как ее вязкость.

Максимальный уровень артериального давления достигается во время сокращения левого желудочка сердца, в этот период сердце выталкивает в кровеносную систему до 70 мл крови. Такое большое ее количество сразу пройти через тонкие кровеносные сосуды не может. Это обстоятельство вызывает растягивание аорты, что, в свою очередь, вызывает давления крови внутри нее. Такое давление называется систолическим. Нормальный уровень систолического давления может изменяться в пределах 100-140 мм ртутного столба.

В период паузы между сокращениями желудочков сердца стенки аорты и крупных артерий также в свою очередь начинают сокращаться, проталкивая кровь в более мелкие кровеносные сосуды (капилляры). Давление крови, которое образуется в этом случае, называется диастолическим. В это время уровень давления крови начинает постепенно опускаться и достигает своей минимальной величины в 70-80 мм ртутного столба. Изменения между систолическим (верхним) и диастолическим (нижним) уровнем кровяного давления обуславливает пульс человека.

Показатели кровяного давления в кровеносных сосудах тем ниже, чем дальше эти сосуды располагаются от сердца. Эта особенность кровеносной системы может вызывать такое явление, когда в нижних и верхних полых венах кровяное давление может достигать отрицательных величин. Именно поэтому на таких венах измерение давление не производится.

Определение уровня кровяного давления производится при помощи специального прибора – сфигмоманометра. Рука выше локтя обматывается манжетой данного устройства, в которую затем закачивается воздух посредством резиновой груши. После этого воздух постепенно выпускают из манжеты, фиксируя при этом уровни верхнего и нижнего кровяного давления.

Особая роль механической энергии для функций крови как универсального посредника в обмене веществ и энергии в организме (а также между организмом и средой обитания) определяет значение кровяного давления для жизнедеятельности организма.

Стабильный источник энергетического снабжения транспортной функции крови, который действует и в период диастолы сердца, в кровяном давлении образуется дискретными порциями механической энергии, генерируемой сердцем только в период систолы. Помимо транспортной функции крови, этот источник обеспечивает протекание тех процессов, которые обеспечивают непрерывность обмена веществ и энергии в организме, а также взаиморегуляцию функции различных органов и систем гуморальными факторами, переносимыми циркулирующей кровью. К таким процессам относят диффузию газов и процессы фильтрации в капиллярном русле.

Рекомендуется периодически измерять уровень своего кровяного давления. Если его показатели оказываются ниже, чем 140/90, то это говорит о нормальном кровяном давлении. Если же хотя бы один, а тем более оба показателя, оказываются выше указанных значений, то это говорит о наличии гипертонии, которая представляет собой одну из самых распространенных болезней современного мира. Основным признаком этого заболевания является повышенное кровяное давление.

 

20……. Механическими колебаниями называют движения тел, которые точно (или приблизительно) повторяются через равные промежутки времени. Примерами механических колебаний являются колебания математического (рис. 11) или пружинного (риг. 12) маятников.

Свободные (собственные) колебания совершаются под действием внутренних сил колебательной системы, а вынужденные — под действием внешней переменной силы. Колебательные движения происходят по закону синуса (косинуса), если: 1) сила, действующая на тело в любой точке траектории, направлена к положению равновесия, а в самой точке равновесия равна нулю; 2) сила пропорциональна отклонению тела от положения равновесия.

Колебания, при которых изменения физических величин происходят по закону косинуса или синуса (гармоническому закону), наз. гармоническими колебаниями.

Например, в случае механических гармонических колебаний:.

В этих формулах ω – частота колебания, x_m – амплитуда колебания, φ₀ и φ₀’ – начальные фазы колебания. Приведенные формулы отличаются определением начальной фазы и при φ₀’ = φ₀ +/2 полностью совпадают. Это простейший вид периодических колебаний. Конкретный вид функции (синус или косинус) зависит от способа выведения системы из положения равновесия. Если выведение происходит толчком (сообщается кинетическая энергия), то при t=0 смещение х=0, следовательно, удобнее пользоваться функцией sin, положив φ₀’=0; при отклонении от положения равновесия (сообщается потенциальная энергия) при t=0 смещение х=х_m, следовательно, удобнее пользоваться функцией cos и φ₀=0. Выражение, стоящее под знаком cos или sin, наз. фазой колебания: .

 

Фаза колебания измеряется в радианах и определяет значение смещения (колеблющейся величины) в данный момент времени. Амплитуда колебания зависит только от начального отклонения (начальной энергии, сообщенной колебательной системе). Вынужденные колебания, колебания, возникающие в какой-либо системе под действием переменной внешней силы (например, колебания мембраны телефона под действием переменного магнитного поля, колебания механической конструкции под действием переменной нагрузки и т.д.). Характер Вынужденные колебания определяется как характером внешней силы, так и свойствами самой системы. В начале действия периодической внешней силы характер Вынужденные колебания изменяется со временем (в частности, Вынужденные колебания не являются периодическими), и лишь по прошествии некоторого времени в системе устанавливаются периодические Вынужденные колебания с периодом, равным периоду внешней силы (установившиеся Вынужденные колебания). Установление Вынужденные колебания в колебательной системе происходит тем быстрее, чем больше затухание колебаний в этой системе.

В частности, в линейных колебательных системах при включении внешней силы в системе одновременно возникают свободные (или собственные) колебания и Вынужденные колебания, причём амплитуды этих колебаний в начальный момент равны, а фазы противоположны (рис.). После постепенного затухания свободных колебаний в системе остаются только установившиеся Вынужденные колебания

Амплитуда Вынужденные колебания определяется амплитудой действующей силы и затуханием в системе. Если затухание мало, то амплитуда Вынужденные колебания существенно зависит от соотношения между частотой действующей силы и частотой собственных колебаний системы. При приближении частоты внешней силы к собственной частоте системы амплитуда Вынужденные колебания резко возрастает - наступает резонанс. В нелинейных системах разделение на свободные и Вынужденные колебания возможно не всегда. СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ (свободные колебания), колебания, которые совершаются за счет энергии, сообщенной системе в начале колебательного движения (например, в механической системе через начальное смещение тела или придание ему начальной скорости, а в электрической системе - колебательном контуре - через создание начального заряда на обкладках конденсатора). Амплитуда собственных колебаний в отличие от вынужденных колебаний определяется только этой энергией, а их частота - свойствами самой системы. Вследствие рассеяния энергии собственные колебания всегда являются затухающими колебаниями. Пример собственные колебания - звучание колокола,гонга, струны рояля и т.п.

Резона́нс (фр. resonance, от лат. resono — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротность. Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 г в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн.^[1][2]

^21….. Звуковые волны представляют собой продольные механические волны. Они испускаются источником звука — колеблющимся телом — и распространяются в твердых телах, жидкостях и газах в виде колебаний давления (волн давления).

Человеческое ухо, как правило, воспринимает частоты от 16 до 20`000 Гц. Колебания более высокой частоты называются — ультразвуком, более низкой — инфразвуком.

Различают: музыкальный тон, созвучие (музыкальный звук), шум и взрыв.

· Музыкальный (чистый) тон — это синусоидальное колебание.

· Созвучие — результат одновременного звучания нескольких музыкальных тонов, т.е. несинусоидальное колебание, возникающее в результате сложения нескольких синусоидальных колебаний. Тон самой низкой частоты определяет общую высоту звука, остальные тона (обертоны) определяют окраску (тембр) звука.

· Шум — нерегулярные колебания, смесь многочисленных колебаний примерно одинаковой амплитуды и с самыми разнообразными частотами.

· Взрыв — кратковременное и сильное звуковое воздействие. Между колебаниями источника звука и звуковым ощущением существует взаимосвязь.

Природа звука, характеристики звука и ощущения

Характеристика звука	Ощущение
Амплитуда колебаний	Громкость
Частота колебаний	Высота
Форма колебаний	Тембр