Механизм воздействия удара. В механике абсолютно твердоготвёрдого тела удар рассматривается как скачкообразный процесс, продолжительность которого бесконечно мала. Во время удара в точке соприкосновения соударяющихся тел возникают большие, но мгновенно действующие силы, приводящие к конечному изменению количества движения. В реальных системах всегда действуют конечные силы в течение конечного интервала времени, и соударение двух движущихся тел связано с их деформацией вблизи точки соприкосновения и распространением волны сжатия внутри этих тел. Продолжительность удара зависит от многих физических факторов: упругих характеристик материалов соударяющихся тел, их формы и размеров, относительной скорости сближения и т.д.

Изменение ускорения во времени принято называть импульсом ударного ускорения или ударным импульсом, а закон изменения ускорения во времени - формой ударного импульса. К основным параметрам ударного импульса относят пиковое ударное ускорение (перегрузку), длительность действия ударного ускорения и форму импульса.

Различают три основных вида реакции изделий на ударные нагрузки:

* баллистический (квазиамортизационный) режим возбуждения (период собственных колебаний ЭУ больше длительности импульса возбуждения);

* квазирезонанансный режим возбуждения (период собственных колебаний ЭУ примерно равен длительности импульса возбуждения);

* статический режим возбуждения (период собственных колебаний ЭУ меньше длительности импульса возбуждения).

При баллистическом режиме максимальное значение ускорения ЭУ всегда меньше пикового ускорения воздействующего ударного импульса. КвазирезонанасныйКвазирезонансный режим возбуждения наиболее жесткийжёсткий по величине возбуждаемых ускорений (m более 1). При статическом режиме возбуждения отклик ЭУ полностью повторяет воздействующий импульс (m=1), результаты испытаний не зависят от формы и длительности импульса. Испытания в статической области эквивалентны испытаниям на воздействие линейного ускорения, т.к. его можно рассматривать как удар бесконечной длительности.

Испытания на ударную нагрузку проводят в квазирезонансном режиме возбуждения. Ударную прочность оценивают по целостности конструкции ЭУ (отсутствие трещин, сколов).

Испытания на ударную устойчивость проводят после испытаний на ударную прочность под электрической нагрузкой для проверки способности ЭУ выполнять свои функции в условиях действия механических ударов.

Помимо механических ударных стендов применяют электродинамические и пневматические ударные стенды. В электродинамических стендах через катушку возбуждения подвижной системы пропускают импульс тока, амплитуда и длительность которого определяют параметры ударного импульса. На пневматических стендах ударное ускорение получают при соударении стола со снарядом, выпущенным из пневматической пушки.

Характеристики ударных стендов изменяются в широких пределах: грузоподъемностьгрузоподъёмность – от 1 до 500 кг, число ударов в минуту (регулируется) – от 5 до 120, максимальное ускорение – от 200 до 6000 g, длительность ударов – от 0,4 до 40 мс.

МЕХАНИЧЕСКИЙ УДАР

Нижний Новгород
2013 год

Лабораторная работа № 1-21

Механический удар

Цель работы : Ознакомиться с элементами теории механического удара и экспериментально определить время удара , среднюю силу удара F , коэффициент восстановления Е , а также изучить основные характеристики удара и ознакомиться с цифровыми приборами для измерения временного интервалов.

Теоретическая часть

Ударом называется изменения состояния движения тела, вследствие кратковременного взаимодействия его с другим телом. Во время удара оба тела претерпевают изменения формы (деформацию). Сущность упругого удара заключается в том, что кинетическая энергия относительного движения соударяющихся тел, за короткое время, преобразуется в энергию упругой деформации или в той или иной степени в энергию молекулярного движения. В процессе удара происходит перераспределение энергии между соударяющимися телами.

Пусть на плоскую поверхность массивной пластины падает шар с некоторой скоростью V 1 и отскакивает от нее со скоростью V 2 ­­.

Обозначим – нормальные и тангенциальные составляющие скоростей и , а и – соответственно углы падения и отражения. В идеальном случае при абсолютно упругом ударе, нормальные составляющие скоростей падения и отражения и их касательные составляющие были бы равны ; . При ударе всегда происходит частичная потеря механической энергии. Отношение как нормальных, так и тангенциальных составляющих скорости после удара к составляющим скорости до удара есть физическая характеристика, зависящая от природы сталкивающихся тел.

Эту характеристику Е называют коэффициентом восстановления. Числовое значение его лежит между 0 и 1.

Определение средней силы удара,

Начальной и конечной скоростей шарика при ударе

Экспериментальная установка состоит из стального шарика А, подвешенного на проводящих нитях, и неподвижного тела В большей массы, с которым шарик соударяется. Угол отклонения подвеса α измеряется по шкале. В момент удара на шар массой m действует сила тяжести со стороны Земли , сила реакции со стороны нити и средняя сила удара со стороны тела В (см. рис.2.).

На основании теоремы об изменении импульса материальной точки:

где и – векторы скоростей шара до и после удара; τ – длительность удара.

После проектирования уравнения (2) на горизонтальную ось определим среднюю силу удара:

(3)

Скорости шарика V 1 и V 2 определяются на основании закона сохранения и превращения энергии. Изменение механической энергии системы, образованной шариком и неподвижным телом В, в поле тяготения Земли определятся суммарной работой всех внешних и внутренних не потенциальных сил. Поскольку внешняя сила перпендикулярна перемещению и нить нерастяжима, то эта сила работы не совершает, внешняя сила и внутренняя сила упругого взаимодействия – потенциальны. Если эти силы много больше других не потенциальных сил, то полная механическая энергия выбранной системы не меняется. Поэтому, уравнение баланса энергии можно записать в виде:

(4)

Из чертежа (рис. 2) следует, что , тогда из уравнения (4) получим значения начальной V 1 и конечной V 2 скоростей шарика:

(5)

где и - углы отклонения шара до и после соударения.

Метод определения длительности удара

В данной работе длительность удара шарика о плиту определяется частотомером Ч3-54, функциональная схема которого представлена на рис.3. С генератора подается на вход системы управления СУ импульсы с периодом Т. Когда в процессе соударения металлической плиты В, электрическая цепь, образованная СУ, проводящими нитями подвеса шара, шаром, плитой В и счетчиком импульсов С ч, оказывается замкнутой, и система управления СУ пропускает на вход счетчика С ч импульсы электрического тока только в интервале времени , равном времени длительности удара. Число импульсов, зарегистрированных за время , равно , откуда .

Чтобы определить длительность удара , необходимо число импульсов, зарегистрированных счетчиком, умножить на период импульсов, снимаемых с генератора Г.

Экспериментальная часть

Исходные данные:

1. Масса шарика m = (16,7 ± 0,1)*10 -3 кг.

2. Длина нити l = 0,31 ± 0,01 м.

3. Ускорение свободного падения g = (9,81 ± 0,005) м/с 2 .

4. Опыт для каждого угла выполняем 5 раз.

Результаты опыта занесем в таблицу:

Расчёты

=20 0 мкс

=30 0 мкс

=40 0 мкс

Если изделия имеют амортизаторы, то при выборе длительности действия ударного ускорения учитывают низшие резонансные частоты самих изделий, а не элементов защиты.

В качестве проверяемых выбирают параметры, по изменению которых можно судить об ударной устойчивости РЭА в целом (искажение выходного сигнала, стабильность характеристик функционирования и т.д.).

При разработке программы испытаний направления воздействий ударов устанавливают в зависимости от конкретных свойств испытываемых РЭА. Если свойства РЭА неизвестны, то испытание следует проводить в трех взаимно перпендикулярных направлениях. При этом рекомендуется выбирать (из диапазона, оговоренного в ТУ) длительность ударов, вызывающих резонансное возбуждение испытываемых РЭА.

Ударную прочность оценивают по целостности конструкции (например, отсутствию трещин, наличию контакта). Изделия считают выдержавшими испытание на ударную прочность, если после испытания они удовлетворяют требованиям стандартов и ПИ для данного вида испытания.

Испытание на ударную устойчивость рекомендуется проводить после испытания на ударную прочность. Часто их совмещают. В отличие от испытания на ударную прочность испытание на ударную устойчивость осуществляют под электрической нагрузкой, характер и параметры которой устанавливают в ТУ и ПИ. При этом контроль параметров РЭА производят в процессе удара для проверки работоспособности изделий и выявления ложный срабатываний. Изделия считают выдержавшими испытание, если в процессе и после него они удовлетворяют требованиям, установленным в стандартах и ПИ для данного вида испытания.

2.3. Задание третье.

Изучить устройства для испытания РЭА на воздействие удара /1. с.263-268. 2. с.171-178. 3. с.138-143/

Устройства для испытания. Ударные стенды классифицируют по следующим признакам:

По характеру воспроизводимых ударов – стенды одиночных и многократных ударов;

По способу получения ударных перегрузок – стенды свободного падения и принудительного разгона платформы с испытываемым изделием;

По конструкции тормозных устройств – с жесткой наковальней, с пружинящейся наковальней, с амортизирующими резиновыми и фетровыми прокладками, со сминающимися деформируемыми тормозными устройствами, с гидравлическими тормозными устройствами и т.д.

В зависимости от конструкции ударного стенда и в особенности от применяемого в нем тормозного устройства получают ударные импульсы полусинусоидальной, треугольной и трапецеидальной формы.

Для испытания РЭА на одиночные удары служат ударные стенды копрового типа, а на многократные – стенды кулачкового типа, воспроизводящие удары полусинусоидальной формы. В этих стендах используется принцип свободного падания платформы с испытываемым изделием на амортизирующие прокладки.

Основными элементами ударного стенда копрового типа (рис.2.3.1.) являются: стол 3; основание 7, служащее для гашения скорости стола в момент удара; направляющая 4, обеспечивающая горизонтальное положение стола в момент удара; прокладки 5, формирующие ударный импульс.

Энергия, необходимая для создания удара, накапливается в результате подъема стола с закрепленным на нем испытываемым изделием на заданную высоту. Для подъема стола и последующего его сбрасывания стенд снабжается приводом и механизмом сброса. Кинетическая энергия, приобретенная телом в процессе

Звукоизоляцией, снижающей уровень звукового давления до установленных норм;

Заземляющим контуром, сопротивление не 40 м;

Бетонным фундаментом.

4. При эксплуатации стенд ударный должен быть

установлен на фундамент.

5. Питание установки от сети переменного тока

напряжением 220± В, частоты 50 Гц.

6. Потребляемая электрическая мощность (максимальная) не

более 1кВт.

7. Установка обеспечивает получение сочетаний ускорений и

Скорость. Ослепляющая, завораживающая, скорость, возможно, является наиболее желанным и зритильно впечатляющим мастерством в боевых искусствах. Молниеносные удары Брюса Ли создали ему репутацию. Скорость присуща большинству из выдающихся профессиональных боксеров, таких, как Шугар Рэй Леонард и Мухаммед Али. Сила Али была лишь адекватна его телосложению в то время, как быстрота удара - просто феноменальной. А руки Леонарда, возможно, были самыми быстрыми из всех тех, которых когда-либо видел мир. Также, бывший чемпион фул-контакт каратэ Билл Уоллес никогда не обладал большой силой удара, но молниеносные удары ногами завоевали ему, до сих не побитый, профессиональный рекорд на ринге.

Заложена ли эта магическая сила в генах человека, или ее можно приобрести и увеличить с помощью тренировок? По словам Др. Джона ЛяТурретта - обладателя черного пояса в кэнпо-каратэ и докторской степени в спортивной психологии - любой может стать “самым быстрым”, если будет следовать нескольким основным принципам.

“Тренировка скорости на 90% является психологической, А может и на 99%”, говорят ЛяТурретт. Такой психологический подход к тренировке, кажется, принес результаты 50-летнему инструктуру каратэ из Медфорда, штат Орегон. Официально было зарегистрировано, что он сумел сделать 16,5 ударов за одну секунду, и он утверждает, что его ученики могут сделать это даже еще быстрее. Следуя 12 ступеням программы по увеличению скорости.

1. УЧИТЕСЬ, НАБЛЮДАЯ ЗА СПЕЦИАЛИСТАМИ. “Если человек хочет стать быстрым бегуном, но не выходит из дома, то он учится быть калекой в инвалидном кресле”, говорит ЛяТурретт. “Все, что ему нужно сделать, это выйти из дома, найти быстрого бегуна его возраста, силы и физиологии тела и изучать его движения, в точности делая то, что тот делает”.

2. ИСПОЛЬЗУЙТЕ ПЛАВНЫЕ, ТЕКУЧИЕ УДАРЫ. Плавная техника ударов китайского стиля обладает намного большей взрывной силой, чем традиционные реверсивные удары в каратэ и в боксе, утверждает ЛяТурретт, т. к. скорость удара генерируется импульсом. Вы можете натренировать мозг и нервную систему для нанесения быстрых ударов. Чтобы достичь этого, выполняйте “плавное” упражнение, состоящее из последовательности движений, начиная с трех-четырех ударов за раз. Как только вы начинаете выполнять эту комбинацию автоматически, добавьте немного больше движений, затем еще немного, до тех пор, пока ваше подсознание не научится связывать каждое отдельное движение в один поток, подобный водопаду. Спустя некоторое время, вы сможете делать 15-20 полных движений за одну или даже менее секунд.

3. ИСПОЛЬЗУЙТЕ СФОКУСИРОВАННУЮ АГРЕССИЮ . Вы должны научиться мгновенно переходить из пассивного состояния в состояние боевой готовности для того, чтобы атаковать до того, как противник сумеет предугадать ваши действия. Любые сомнения о вашей способности защитить себя должны быть искоренены путем психологической подготовки, прежде чем вы попадете в стрессовое состояние.

Время реакции на какое-либо действие делится на три фазы - восприятие, решение и действие - что вместе занимает, приблизительно шестую часть секунды. Воспринимать информацию и принимать соответствующие решения следует в расслабленном состоянии, чтобы не дать намек противнику о ваших последующих действиях. Как только вы сфокусировались, вы можете произвести атаку настолько быстро, что ваш соперник не успеет и глазом моргнуть.

Чтобы правильно выполнить этот тип атаки, вы должны быть абсолютно уверены в своей правоте и способности правильно действовать, иначе вы проиграете. Как выражается сам Ля Турретт: “Болтая, не готовьте рис”. Вы должны быть агрессивны и уверены в своем мастерстве. Уверенность в себе должна рождаться в бою с реальным противником в большей степени, чем при выполнении ката, где вы атакуете воображаемого противника.

Вы также должны сохранять постоянное состояние готовности, внимательно наблюдать за происходящими вокруг вас событиями, быть в любой момент готовым, в случае опасности, реализовать потенциальную силу. Это особенное физическое, психическое и эмоциональное состояние может освоить любой человек, но только в условиях непосредственной конфронтации с противником.

Как только вы достигли этого уровня подготовки, проанализируйте и постарайтесь разложить по категориям появившиеся у вас ощущения. Позже, в условиях поединка, вы можете извлечь из памяти полученный опыт, что даст вам несомненное преимущество перед противником.

Задайте себе следующие вопросы: Что в особенности отвлекает меня? Может быть расстояние между мной и противником? Или его нескрываемая злоба по отношению ко мне? Его манера выражаться? Какое внимание оказывает на меня это психическое состояние? Какие ощущения я переживаю? Как я выглядел? Какое у меня было выражение лица? Какие мышцы были напряжены? Какие расслаблены? Что я сам себе говорил, находясь в этом состоянии? (Лучше всего было бы, если бы вы не “бормотали” что-то там про себя.) Какие мысленные образы возникали у меня? На чем я был зрительно сосредоточен?

После того, как вы найдете себе ответы на заданные вопросы, воспроизведите ситуацию вновь, постарайтесь, чтобы в вашем мозгу снова ярко возникли ощущения, окружающая обстановка и звуки. Повторяйте это снова и снова до тех пор, пока вы не будете в состоянии ввести себя в это психическое состояние в любой момент.

4. ИСПОЛЬЗУЙТЕ ГОТОВЫЕ СТОЙКИ, КОТОРЫЕ МОГУТ ДАТЬ ВАМ ВОЗМОЖНОСТЬ ВЫБОРА. Один из секретов успеха Уоллеса заключался в том, что он из одной единственной позиции ног мог мгновенно произвести боковой удар ногой, круговой удар и обратный круговой с одинаковой точностью. Одним словом, ваша стойка должна дать вам возможность делать рубящие удары, удары в стиле “коготь”, локтями, толчки или удары “молот”, в зависимости от действий противника.

Используйте боевую технику, которая, как вы считаете, в наибольшей степени подходит вам. Научитесь занимать такую позицию, из которой вам достаточно сделать лишь незначительное движение, чтобы передвинуться от одной мишени к другой. Подбор натуральной (природной) боевой позиции исключает необходимость в выборе стойки и позволяет вам поймать противника врасплох. А озадаченный противник - уже наполовину побежденный.

5. ОСТЕРЕГАЙТЕСЬ ПСИХОЛОГИИ ОДНОГО СМЕРТЕЛЬНОГО УДАРА. Это заключение правила номер один. Ваша начальная атака должна быть последовательностью, состоящей из трех ударов даже в том случае, если первый удар был способен остановить атакующего противника. Первый удар является “закуской”, второй - “главным блюдом”, ну, а третий - “десертом”.

В то время, как ничего не подозревающий противник готовится к прямому удару или удару “задней” ногой, - говорит ЛяТурретт, - вы можете ослепить его шлепком по глазам, кулаком левой руки ударить в висок, правым локтем в другой висок. Затем вы можете ударить его правым локтем в челюсть, а левой рукой по глазам. Опуститесь в стойку на коленях и ударьте правым кулаком в пах, а двумя пальцами левой руки - по глазам противника. Вот и конец этой истории”.

6. ИСПОЛЬЗУЙТЕ УПРАЖНЕНИЯ ПО ВИЗУАЛИЗАЦИИ. Во время занятий упражнениями на развитие скорости удара, вы должны думать, что выполняете удары с желанной для вас скоростью. “Если вы не видите, вы не сможете это сделать”, - говорит ЛяТурретт. Такая психологическая подготовка во многом дополняет физическую.

Визуализация не так уж сложна, как думают многие люди. Попробуйте сделать следующий эксперимент: остановитесь прямо сейчас и опишите себе цвет вашей машины. Потом апельсин. Затем вашего лучшего друга. Каким образом вы сумели все это описать? Вы ВООБРАЗИЛИ их себе.

Многие люди не знают, что они часто создают “образы” в своей голове на подсазнательном уровне. Ту часть мозга, которая ответственна за создание и воспроизведение образов, вполне можно точно настроить даже в том случае, если они не привыкли обращаться к ней.

Как только вы научились представлять себя в условиях реального боя, попробуйте увидеть и почувствовать, что ваши действия достигают выбранных вами мишеней. Почувствуйте, что ваши согнутые колени добавляют мощи вашим ударам. Почувствуйте толчок вашей ноги по мячу во время удара, и т. д…

7. ИДЕНТИФИЦИРУЙТЕ ОТКРЫТЫЕ МИШЕНИ. Чтобы научиться идентифицировать открытые мишени и предугадывать действия противника, необходимо тренироваться с реальным противником. Чувства синхронности можно добиться путем многократного воспроизведения атак до тех пор, пока у вас не появится твердая уверенность в том, что вы сможете применять его в условиях реального боя.

Одной из причин того, что у боксеров настолько хорошая скорость удара является то, что они тысячи раз отрабатывают свою технику в спарринге. И когда перед ними возникает цель, они не думают, они ДЕЙСТВУЮТ. Этот подсознательный навык можно легко приобрести, но короткого пути достижения этого нет. Вы должны тренироваться вновь и вновь до тех пор, пока ваши действия не станут инстинктивными.

8. НЕ “ТЕЛЕГРАФИРУЙТЕ” ВАШИ ДЕЙСТВИЯ. Не имеет значения, насколько вы быстры, т. к. если ваш противник предугадал ваши действия, вы уже не достаточно быстры. Можете верить или нет, вашему противнику сложнее увидеть удар, идущий на уровне его глаз, чем круговой удар сбоку.

Удар “хук” (не круговой, а хук) требует намного больше движений, и его намного легче блокировать. Одним словом, правильно произведенный удар в область переносицы может поразить противника раньше, чем он поймет, что вы его ударили. Прежде всего, не выдавайте своих намерений сжимая кулаки, двигая плечом или глубоким вздохом перед нанесением удара.

Как только вы усвоите физическую структуру техники упражнений, попрактикуйтесь в извлечении преимуществ из ограничений восприятия человека, пытаясь занять положение, ограничивающее возможность противника увидеть и предугадать ваши действия. Этот навык требует много практики, но как только вы усвоите его, вы сможете атаковать противника, практически безнаказанно.

9. ИСПОЛЬЗУЙТЕ ПРАВИЛЬНУЮ ДЫХАТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ. Во время боя многие спортсмены задерживают дыхание, чем наносят себе большой вред. Тело становится напряженным, в следствие чего уменьшается скорость и сила ваших ударов. Киай во время выполнения техники даже вредит вам, т. к. гасит ваш импульс. Ключом к высокой скорости ударов является то, что вы должны выдыхать воздух в соответствии с ударами.

10. ПОДДЕРЖИВАЙТЕ ХОРОШУЮ ФИЗИЧЕСКУЮ ФОРМУ. Гибкость, сила и выносливость играют важнейшую роль при самозащите даже учитывая то, что большинство уличных боев длятся секунды. Если ваше тело одновременно гибкое и расслабленное, то вы сможете наносить удары практически под любым углом, поражая высокие и низкие цели без неудобной перемены стоек. Также, чрезвычайно важна и сила ног. Чем сильнее будут ваши ноги, тем сильнее будет ваш удар, и тем быстрее вы сможете сокращать расстояние между вами и противником. Важно увеличить силу рук и предплечий путем тренировок с отягощениями и специальными упражнениями на удары. Упражнения помогут вам укрепить ладони и запястья, улучшат точность и проникновение ударов.

11. БУДЬТЕ УПОРНЫМИ. Вы должны дать себе обязательство три раза в неделю в течение 20-30 минут стараться заметно улучшить скорость удара. Будьте готовы к тому, что неизбежно наступят периоды, когда вам будет казаться, чтовы не делаете значительного прогресса. Большинство людей испытывают пять уровней чувства прогресса или отсутствия зримых результатов во время тренировок.

Существует “бессознательная некомпетентность” (буквально) когда Вы не осознаете проблемы и пути их решения.

Это такая точка, когда вы пониматете, что ваши знания и мастерство недостаточны, и вы начинаете искать пути решения проблемы. “Бессознательная некомпетентность” означает то, что вы можете выполнить новые упражнения только тогда, когда ваше внимание предельно сфокусированно.

Это наиболее трудная ступень ориентировок, и вам кажется, что она будет длиться целую вечность. Процесс трансформации сознания в рефлексивные действия занимает приблизительно от 3000 до 5000 повторений. “Бессознательная некомпетентность” является единственным уровнем мастерства, когда настоящая скорость становится достижимой. В то время, как вы учитесь реагировать инстинктивно. Достичь этого уровня можно лишь путем тысяч повторений техники. Большинство людей находится в этом рефлексивном или автоматическом психическом состоянии, когда ведут свою машину, что позволяет им реагировать на дорожные неприятности с бессознательным хладнокровием, они не задумываются над тем, как переключить передачи или нажимать на тормоз. Вы не сможете увеличить скорость удара до тех пор, пока ваши базовые движения не будут основываться на рефлексах. Финальной ступенью мастерства является “сознание вашей бессознательной некомпетентности”, точки, которой сумели за все время достичь лишь несколько людей.

12. СОХРАНЯЙТЕ ЕСТЕСТВЕННУЮ, РАССЛАБЛЕННУЮ, СБАЛАНСИРОВАННУЮ СТОЙКУ. Лучшей боевой стойкой является та, что не выглядит как боевая стойка. Как точно отметил легендарный мастер меча из Японии Мусаси Миямото “Ваша боевая стойка становится вашей повседневной стойкой, а ваша повседневная стойка становится боевой”. Вы должны точно знать, какие техники вы можете применить из каждой позиции, и должны уметь выполнить их естественным путем, без колебаний или перемены стоек.

Практикуйте эти 12 принципов каждый день в течение 20-ти минут. После месяца тренировок вы будете совершенствовать новую, сокрушительную скорость. ЛяТурретт говорит: “Не существует от природы быстрых бойцов. Каждому приходилось так же, как и вам, тренироваться. Чем с большим усердием вы тренируетесь, тем менее вы уязвимы в бою”.

Загляните в словарь иностранных слов: «импульс» – от лат. impulsus – толчок, удар, побуждение». Эффект, производимый ударом, всегда вызывал удивление у человека. Почему тяжелый молот, положенный на кусок металла на наковальне, только прижимает его к опоре, а тот же молот ударом молотобойца плющит металл? А в чем секрет старого циркового трюка, когда сокрушительный удар молота по массивной наковальне не наносит никакого вреда человеку, на груди которого установлена эта наковальня? В чем ошибка в вопросе, который задал однажды один ученик: «Какова сила удара при падении груза массой 20 кг с высоты 10 м?» И что значит само выражение «сила удара»?

Еще Галилей интересовался проблемой «удивительной силы удара». Он описывает остроумный опыт, при помощи которого он пытался определить «силу удара». Опыт состоял в следующем: к прочному брусу, укрепленному горизонтально на оси подобно коромыслу весов (рис. 39), подвешены с одного конца два ведра, а с другого – груз (камень), уравновешивающий их. Верхнее ведро было наполнено водой, в дне этого ведра было проделано отверстие, закрытое пробкой.

Если вынуть пробку, то вода будет выливаться в нижнее ведро и сила удара струи о дно этого ведра, казалось бы, заставит правую часть коромысла опуститься. Добавка соответствующего груза слева восстановит равновесие, а его масса позволит оценить, какова сила удара струи.

Однако, к удивлению Галилея, опыт показал совершенно иное. Сначала, как только была вынута пробка и вода начала выливаться, опустилась не правая, а левая часть коромысла. И лишь когда струя достигла дна нижнего ведра, равновесие восстановилось и уже больше не нарушалось до конца опыта.

Как же объяснить этот «странный» результат? Разве ошибочно первое предположение Галилея о том, что струя, ударяя о дно нижнего ведра, заставит его опускаться? Для понимания этого довольно сложного вопроса надо знать закон сохранения количества движения, который вместе с законом сохранения энергии относится к величайшим законам природы.

Термин «количество движения» был введен современником Галилея – французским философом и математиком Декартом, но введен далеко не на научном основании, а из метафизических (не основанных на опыте) религиозных идей философа. Неопределенный, туманный термин «количество движения» заменяют сейчас термином «импульс».

В предыдущей беседе мы приводили формулировку второго закона Ньютона в том виде, какой ему дал сам Ньютон: «Изменение количества движения пропорционально движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует».

Ньютон первый ввел в механику понятие массы и, пользуясь им, дал точное определение количества движения как произведения массы тела на его скорость (mv).

Если начальная скорость v 0 тела массой m под действием какой-либо силы в течение времени t увеличивается до v 1 , то изменение количества движения за единицу времени будет:

Это изменение пропорционально приложенной силе F:

mv 1 – mv 0 = Ft

Это и есть второй закон Ньютона. Из него следует, что одно и то же изменение количества движения может произойти и при продолжительном действии малой силы, и при кратковременном действии большой силы. Произведение Ft можно рассматривать как меру действия силы. Оно получило название импульс силы. Не смешивайте только импульс силы с самой силой, а также с импульсом. Из приведенной формулы видно, что импульс силы равен не самому количеству движения, а изменению количества движения. Иными словами, импульс силы за время t равен изменению импульса тела за это время. Импульс обозначают обычно буквой p:

В общем случае надо учитывать, что импульс является векторной физической величиной:

Выше мы уже упоминали о двух величайших законах природы: законе сохранения импульса и законе сохранения энергии. Эти законы удобно продемонстрировать на примере удара. Явление удара имеет огромное значение в науке и технике. Рассмотрим это явление внимательнее.

Мы различаем материалы упругие и неупругие. Например, резиновый мячик упругий; это значит, что после прекращения действия деформирующей силы (сжатия или растяжения) он вновь возвращается к первоначальной форме. Наоборот, кусок глины, смятый рукой, к первоначальной форме не возвращается. Резина, сталь, мрамор, кость относятся к упругим материалам. Вы легко убедитесь в упругости стального шарика, уронив его с некоторой высоты на упругую же опору. Если шарик был предварительно закопчен, то на опоре останется след не в виде точки, а в виде достаточно различимого пятнышка, так как при ударе шарик смялся, хотя затем, отскочив, восстановил свою форму. Деформируется и опора. Возникающая при этом упругая сила действует со стороны опоры на шарик и постепенно уменьшает его скорость, сообщая ему ускорение, направленное вверх. При этом направление скорости шарика меняется на противоположное и он взлетает над опорой на ту же высоту, с какой упал (идеальный случай при идеальной упругости соударяющихся тел). Сама опора, как связанная с имеющей огромную массу Землей, практически остается неподвижной.

Последовательные изменения формы шарика и поверхности опоры для разных моментов времени показаны на рисунке 40. Шарик падает с высоты h и в момент приземления (положение на рисунке) имеет скорость , направленную вертикально вниз. В положении B деформация шарика максимальна; в этот момент его скорость равна нулю, а сила F, действующая на шарик со стороны плоскости опоры, максимальна: F = F max . Затем сила F начинает уменьшаться, а скорость шарика расти; точка C соответствует моменту, когда значение скорости . В отличие от состояния A теперь скорость направлена вертикально вверх, вследствие чего шарик взлетает (подскакивает) на высоту h.

Предположим, что упругий шарик, движущийся с некоторой скоростью, сталкивается с неподвижным шариком такой же массы. Действие неподвижного шарика сводится опять к уменьшению скорости первого шарика и остановке его. В то же время первый шарик, действуя на второй, сообщает ему ускорение и увеличивает его скорость до своей первоначальной скорости. Описывая это явление, говорят, что первый шарик передал второму свой импульс. Вы легко можете проверить это на опыте двумя шариками, подвешенными на нитях (рис. 41). Измерить скорость, с которой движутся шарики, конечно, трудно. Но можно воспользоваться известным положением, что скорость, приобретаемая падающим телом, зависит от высоты падения (). Если не считать небольших потерь энергии вследствие неполной упругости шаров, то шар 2 взлетит от соударения с шаром 1 на такую же высоту, с какой упал шар 1. При том шар 1 остановится. Сумма импульсов обоих шаров остается, таким образом, все время постоянной.


Можно доказать, что закон сохранения импульса соблюдается при взаимодействии многих тел. Если на систему тел не действуют внешние тела, то взаимодействие тел внутри такой замкнутой системы не может изменить ее полного импульса. Вы теперь можете «на научной основе» опровергнуть хвастливые россказни барона Мюнхгаузена, уверявшего, что ему удалось вытащить себя из болота за свои собственные волосы.

Возвращаясь к знаменитому опыту Галилея, с которого мы начали нашу беседу, мы теперь не будем удивляться результату опыта: в отсутствие внешних сил импульс всей системы не мог измениться и потому брус оставался в равновесии, несмотря на удар струи о дно второго ведра. Подробный математический анализ опыта довольно сложен: надо подсчитать уменьшение массы верхнего ведра, из которого выливается струя воды, реакцию вытекающей струи и, наконец, импульс, сообщаемый дну нижнего ведра ударом струи. Подсчет показывает, что сумма всех импульсов с учетом их знаков равна нулю, как было до вытаскивания пробки, и вся система – брус, ведра, противовес – остается в равновесии.

Закон сохранения импульса и закон сохранения энергии являются основными законами природы. Заметим, однако, что сохранение импульса в механических процессах справедливо всегда и безусловно, в то время как при применении закона сохранения энергии в механике надо быть осторожным (справедливость его требует соблюдения некоторого условия). «Не может быть! – возмущенно воскликнете вы, – закон сохранения энергии справедлив всегда и везде!» А я и не спорю, по читайте дальше. Рассмотрим пример столкновения упругих и неупругих шаров.

Упругий удар . Пусть шар массой 2 кг движется со скоростью 10 м/с к ударяет по второму (неподвижному) шару такой же массы. Как мы уже знаем, после удара первый шар остановится, а второй будет двигаться со скоростью первого шара до столкновения.

Проверим закон сохранения импульса:

Закон сохранения энергии:

Оба закона соблюдены.

Неупругий удар (шары из мягкой глины или замазки). После удара слипшиеся шары продолжают двигаться вместе, но со скоростью, вдвое меньшей скорости первого шара до удара.

Закон сохранения импульса:

Закон соблюдается.

Закон сохранения энергии:

До удара энергия была равна 100 Дж, а после удара 50 Дж! Куда же девалась половина энергии? Вы, наверное, догадались: механическая энергия, равная 50 Дж, превратилась во внутреннюю энергию: после удара молекулы стали двигаться более оживленно – шары нагрелись. Если бы мы могли учесть все виды энергии до и после удара, то убедились бы, что и в случае неупругого удара закон сохранения энергии не нарушается. Закон сохранения энергии справедлив всегда, но надо учитывать возможность превращения энергии из одного вида в другой. В практических случаях применения законов сохранения энергии и импульса это особенно важно. Рассмотрим несколько примеров применения этих законов.

Поковка изделий в кузнечном цехе. Цель поковки – изменить форму изделия при помощи ударов молота. Для наилучшего использования кинетической энергии падающего молота необходимо класть изделие на наковальню большой массы. Такая наковальня получит ничтожно малую скорость, и большая часть энергии при ударе превратится в энергию деформации (форма изделия изменится).

Забивка свай. В этом случае желательно передать большую часть кинетической энергии свае, чтобы она могла совершить работу по преодолению сопротивления грунта и углубиться в грунт. Масса копровой бабы, т. е. груза, который падает на сваю, должна быть больше массы сваи. В соответствии с законом сохранена импульса скорость сваи в этом случае будет больше и свая глубже уйдет в грунт.

О силе удара. В задаче, поставленной в начале нашей беседы, не указана продолжительность удара, а последняя зависит т природы опоры. При жесткой опоре продолжительность удара будет меньше, а средняя сила удара больше; при мягкой опоре наоборот. Сетка, протянутая под трапецией в цирке, предохраняет воздушного гимнаста от сильного удара при падении. Футболист, принимая удар мяча, должен подаваться назад, тем самым увеличивая продолжительность удара, – это смягчит удар. Таких примеров можно привести много. В заключение осмотрим еще одну интересную задачу, которая после всего вышесказанного будет понятна вам.

«Две лодки движутся по инерции в спокойной воде озера навстречу друг другу параллельным курсом со скоростью v 1 = 6 м/с. Когда они поравнялись, то с первой лодки на вторую быстро переложили груз. После этого вторая лодка продолжала двигаться в прежнем направлении, но со скоростью v 2 = 4 м/с.

Определить массу M 2 второй лодки, если масса M 1 первой без груза равна 500 кг, а масса m груза 60 кг. Подсчитать запас энергии лодок и груза до и после перекладывания груза. Объяснить, почему изменился этот запас энергии».

Решение. До встречи импульс первой лодки равен: (M 1 + m)v 1 , а импульс второй лодки: M 2 v 1 .

При перекладывании груза из первой лодки во вторую скорость первой лодки не изменяется, так как она испытывает толчок в боковом направлении (отдача), который не может преодолеть сопротивление воды. Скорость же второй лодки меняется, так как переложенный груз должен резко изменить направление своей скорости на противоположное, что можно рассматривать как толчок.

Применяя закон сохранения импульса, пишем:


Энергия уменьшилась на 3500 Дж. Куда же девалась энергия? Потерянная часть механической энергии превратилась во внутреннюю энергию (в теплоту) при выравнивании скоростей груза и второй лодки.