Владимир Петров - Гравиполи

По второму закону Ньютона сила описывается формулой (3.1).

Второй закон Ньютона

Дополнительная сила может быть любой природы.

Далее в этом разделе опишем возможные способы «управления» весом.

3.3.1. Движение с ускорением

3.3.1.1. Ускорение направлено вверх

Ускорение направлено в сторону противоположную весу, т. е. создается перегрузка ( «увеличение» веса) в соответствии с формулой (3.2).

Вес тела

Это возможно в двух случаях:

— вектор скорости движения совпадает по направлению с вектором ускорения

— вектор скорости движение противоположен вектору ускорения

3.3.1.1.1. Скорость движения совпадает по направлению с ускорением

Диаграмма сил показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Диаграмма сил

Пример 3.3. Перегрузки

Старт космической ракеты или резкий набор высоты в самолете. При этом космонавт или летчик испытывают большие перегрузки (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Перегрузки

3.3.1.1.2. Скорость движения противоположна по направлению ускорению

Диаграмма сил показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Диаграмма сил

Пример 3.4. Спуск космического корабля на Землю

Происходит резкое торможение, и создаются перегрузки.

Пример 3.5. Движение по окружности

Движение по окружности: летчик «в пике», движение по вогнутой поверхности, допустим мосту, тренировка космонавтов в центрифуге. Создаются перегрузки.

3.3.1.2. Ускорение направлено вниз

Этот случай «уменьшения» весавплоть до невесомости. Он описывается формулой (3.3).

Вес тела

Здесь, как и в предыдущем случае возможны два варианта:

— вектор скорости движения совпадает по направлению с вектором ускорения

— вектор скорости движение противоположен вектору ускорения

3.3.1.2.1. Скорость движения совпадает по направлению с ускорением

Диаграмма сил показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Диаграмма сил

Пример 3.6. Невесомость

Свободное падение: затяжной прыжок с парашютом (рис. 3.5а), движение лифта вниз (рис. 3.5б) и т. п. Наверное, каждый испытывал хоть ненадолго ощущение невесомости при падении, прыжках или резком опускании вниз, в воздушных ямах и т. п. Для имитации ощущения невесомости в земных условиях космонавты тренируются в специально оборудованных самолетах, движущихся вниз с большой скоростью по параболе (рис. 3.5в).

Рис. 3.5. Невесомость

3.3.1.2.2. Скорость движения противоположна по направлению ускорению

Диаграмма сил показана на рис.3.6.

Рис. 3.6. Диаграмма сил

Пример 3.7. Невесомость

Если ракета или самолет, набирающий высоту резко «затормозит», то человек, находящийся в летательном аппарате почувствует невесомость.

3.3.2.Создание дополнительной силы

В качестве таких сил могут использоваться вес тела , упругие свойства материалов , импульсы силы , реактивные силы , вакуум , набегающий поток и крыло , центробежные силы , силы Архимеда , магнитное поле и т. д.

3.3.2.1. Дополнительная масса

Пример 3.8. Дорожный каток

Масса дорожного катка должна быть как можно больше, чтобы делать дорожное покрытие как можно прочнее, но при транспортировке катка на место тратится лишняя энергия.

Это противоречие разрешается во времени. Чтобы избежать лишних затрат энергии, было предложено перевозить пустой барабан — каток, а на месте его заполняют водой, засыпают песком до достижения необходимого груза.

В патенте России 2 412 306 корпус катка выполнен из множества секций, расположенные по окружности вокруг центральной оси. Секции закачивают воду, которая насосами перекачивается из секции в секцию.

Пример 3.9. Саморазгружающаяся баржа

В гидростроительстве при перекрытиях русел рек и разного рода отсыпках под воду используют саморазгружающиеся (опрокидывающиеся) баржи, в частности баржи, показанные на рис.3.7 6 6 А. с. 163 914. . Они состоят из двух отсеков плавучести 1 и 2 («нос» и «корма»), которые держат баржу на плаву. Между отсеками плавучести находится грузовой трюм 3, выполненный в виде трехгранной призмы. Стенки трюма имеют отверстия, в трюм всегда проходит вода (без этого трудно было бы опрокидывать баржу и возвращать ее в исходное положение). Вдоль корпуса с обеих сторон расположены воздушные полости 4. Нижняя часть этих полостей открыта. Когда баржу нагружают, она оседает, вода поджимает воздух в воздушных полостях. Когда надо произвести разгрузку баржи, открывают кран 5, воздух выходит, вода заполняет одну бортовую полость, баржа опрокидывается. После того как груз высыпался, вращающий момент, создаваемый килем 6, автоматически возвращает баржу в исходное положение.

Такие баржи решено было использовать на строительстве Асуанской плотины. В силу специфических условий потребовалось создать баржи грузоподъемностью 500 т. с низкой осадкой, то есть более широкие и плоские. Построили модель баржи и обнаружили, что модель не возвращается в исходное положение.

Чтобы возвратить баржу в исходное положение, необходимо было делать киль тяжелее, но тогда придется все время возить «мертвый» груз. Чем тяжелее киль, тем меньше полезная грузоподъемность баржи.

Рис. 3.7. Устройство и принцип работы саморазгружающейся баржи. А. с. 163 914

1 и 2 — плавучие отсеки; 3 — грузовой трюм; 4 — воздушная полость; 5 — кран; 6 — киль.

Саморазгружающаяся баржа выполнена с балластной килевой цистерной, имеющей отверстия в наружных стенках, постоянно сообщающиеся с забортным пространством 7 7 А. с. 175 636 . Это может быть, например, труба (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Устройство усовершенствованной саморазгружающейся баржи

Пример 3.10. Яхта

В яхте для утяжеления киля в него помещают аккумулятор

(рис. 3.9).

Рис. 3.9. Аккумулятор в киле яхты

3.3.2.2. Упругие свойства материала

Пример 3.11. Средства страховки

Для страховки от падения используют канаты, веревки, страховочные сетки и т. п.

Пример 3.12. Канат с амортизатором

При сильном ветре рвется канат, связывающий якорь и катер. Предложено сделать петлю из каната и соединить ее резиновым бинтом (рис. 3.10). Такие петли делаются в месте крепления каната к якорю и к катеру.

Рис. 3.10. Канат с амортизатором

3.3.2.3. Импульсы силы

3.3.2.3.1. Уменьшение веса

Пример 3.13. Канатоходец

Когда канатоходец работает без страховки, внизу за ним ходит человек, который при падении отталкивает его в сторону. Тем самым сбивается инерция падения.

Пример 3.14. Сапоги-скороходы

В свое время были разработаны сапоги «скороходы». Каждый шаг в таких сапогах можно сделать до трех метров. Разработаны два принципа действия этих сапог. В одном из них на подошве установлены пиропатроны (рис. 3.11а). При касании почвы пиропатрон срабатывает, подбрасывая человека вверх струей газа. Во втором варианте импульс силы создается пружинами, установленными на подошве (рис. 3.11б). При касании земли пружина распрямляется и выбрасывает человека вверх.