Явление удара. Сочетание ускорений и длительности ударного импульса Начальной и конечной скоростей шарика при ударе

Оценить время упругого удара твердых тел, рассматривая столкновение стержня, налетающего торцом на неподвижную недеформируемую стенку (рис.).

Чаще всего в задачах считают, что упругий удар твердых тел происходит мгновенно, но совершенно очевидно, что это предположение является идеализацией.
 Столкновение реальных тел всегда занимает конечный промежуток времени τ . В самом деле, если бы изменение импульса тела при столкновении происходило мгновенно,
F = mΔv/t →0 → ∞
то сила взаимодействия тел при ударе была бы бесконечно большой, чего, естественно, не бывает.
 От чего же может зависеть длительность столкновения? Допустим, что мы рассматриваем отражение упругого тела от недеформируемой стенки. При столкновении кинетическая энергия тела в течение первой половины столкновения превращается в потенциальную энергию упругой деформации тела. В течение второй половины происходит обратное превращение энергии деформации в кинетическую энергию отскакивающего тела.

Такая идея была заложена в задаче тестирования 2005 г . Решите эту задачу, для осмысления этого момента.
 Задача . Две абсолютно упругие шайбы массами m 1 = m 2 = 240 г каждая скользят поступательно по гладкой горизонтальной поверхности навстречу друг другу со скоростями, модули которых v 1 = 21 м/с и v 2 = 9,0 м/с . Максимальное значение потенциальной энергии E упругой деформации шайб при их центральном столкновении равно ... Дж .

Поэтому очевидно, что упругие свойства тела играют определенную роль при столкновении. Итак, можно ожидать, что длительность удара зависит от модуля Юнга материала тела Е , его плотности ρ и его геометрических размеров. Возможно, что длительность удара τ зависит и от скорости v , с которой тело налетает на преграду.
 Нетрудно убедиться, что оценить время столкновения с помощью одних только соображений размерности не удастся. Действительно, если даже взять в качестве налетающего тела шар, размеры которого характеризуются только одним параметром − радиусом R , то из величин Е , ρ , R и v можно составить бесчисленное множество выражений, имеющих размерность времени:
τ = √{ρ/E} × f(ρv 2 /E) , (1)
где f − произвольная функция безразмерной величины ρv 2 /Е . Поэтому для нахождения τ необходимо динамическое рассмотрение.
 Проще всего такое рассмотрение провести для тела, имеющего форму длинного стержня.
 Пусть стержень, движущийся со скоростью v , налетает торцом на неподвижную стенку. При соприкосновении торцевого сечения стержня со стенкой скорости лежащих в этом сечении частиц стержня мгновенно обращаются в нуль. В следующий момент времени останавливаются частицы, расположенные в соседнем сечении, и т. д. Участок стержня, частицы которого к данному моменту уже остановились, находится в деформированном состоянии. Другими словами, в этот момент времени деформированной оказывается та часть стержня, до которой дошла волна упругой деформации, распространяющаяся по стержню от места контакта с преградой. Эта волна деформации распространяется по стержню со скоростью звука u . Если считать, что стержень пришел в соприкосновение со стенкой в момент времени t = 0 , то в момент времени t длина сжатой части стержня равна ut . Эта часть стержня на рис. а заштрихована.

В незаштрихованной части стержня скорости всех его частиц по-прежнему равны v , а в сжатой (заштрихованной) части стержня все частицы покоятся.
 Первый этап процесса столкновения стержня со стенкой закончится в тот момент, когда весь стержень окажется деформированным, а скорости всех его частиц обратятся в нуль (рис. б ).

В этот момент кинетическая энергия налетающего стержня целиком превращается в потенциальную энергию упругой деформации. Сразу после этого начинается второй этап столкновения, при котором стержень возвращается в недеформированное состояние. Этот процесс начинается у свободного конца стержня и, распространяясь по стержню со скоростью звука, постепенно приближается к преграде. На рис. в

стержень показан в тот момент, когда незаштрихованная часть уже не деформирована и все ее частицы имеют скорость v , направленную влево. Заштрихованный участок по-прежнему деформирован, и скорости всех его частиц равны нулю.
 Конец второго этапа столкновения наступит в тот момент, когда весь стержень окажется недеформированным, а все частицы стержня приобретут скорость v , направленную противоположно скорости стержня до удара. В этот момент правый конец стержня отделяется от преграды: недеформированный стержень отскакивает от стенки и движется в противоположную сторону с прежней по модулю скоростью (рис. г ).

 Энергия упругой деформации стержня при этом целиком переходит обратно в кинетическую энергию.
Из изложенного ясно, что длительность столкновения τ равна времени прохождения фронта волны упругой деформации по стержню туда и обратно:
τ = 2l/u , (2)
где l − длина стержня.
 Определить скорость звука в стержне u можно следующим образом. Рассмотрим стержень в момент времени t (рис. а ), когда волна деформации распространяется влево. Длина деформированной части стержня в этот момент равна ut . По отношению к недеформированному состоянию эта часть укоротилась на величину vt , равную расстоянию, пройденному к этому моменту еще недеформированной частью стержня. Поэтому относительная деформация этой части стержня равна v/u . На основании закона Гука
v/u = (1/E) × F/S , (3)
где S − площадь поперечного сечения стержня, F − сила, действующая на стержень со стороны стенки, Е − модуль Юнга.
 Поскольку относительная деформация v/u одинакова во все моменты времени, пока стержень находится в контакте с преградой, то, как видно из формулы (3), сила F постоянна. Для нахождения этой силы применим закон сохранения импульса к остановившейся части стержня. До контакта с преградой рассматриваемая часть стержня имела импульс ρSut.v , а в момент времени t ее импульс равен нулю.
 Поэтому
ρSut.v = Ft . (4)
 Подставляя отсюда силу F в формулу (3), получаем
u = √{E/ρ} . (5)
Теперь выражение для времени τ . Деформация столкновения стержня со стенкой (2) принимает вид
τ = 2l√{ρ/E} . (6)
Время столкновения τ можно найти и иначе, воспользовавшись для этого законом сохранения энергии. Перед столкновением стержень недеформирован и вся его энергия − это кинетическая энергия поступательного движения mv 2 /2 . Спустя время τ/2 с начала столкновения скорости всех его частиц, как мы видели, обращаются в нуль, а весь стержень сказывается деформированным (рис. б ). Длина стержня уменьшилась на величину Δl по сравнению с его недеформированным состоянием (рис. д ).

 В этот момент вся энергия стержня − это энергия его упругой деформации. Эту энергию можно записать в виде
W = k(Δl) 2 /2 ,
где k − коэффициент пропорциональности между силой и деформацией:
F = kΔl .
Этот коэффициент с помощью закона Гука выражается через модуль Юнга E и размеры стержня:
σ = F/S = (Δl/l)E ,
F = SEΔl/l и F = kΔl ,
отсюда
k = ES/l . (7)
 Максимальная деформация Δl равна тому расстоянию, на которое перемещаются частицы левого конца стержня за время τ/2 (рис. д ). Так как эти частицы двигались со скоростью v , то
Δl = vτ/2 . (8)
 Приравниваем кинетическую энергию стержня до удара и потенциальную энергию деформации. Учитывая, что масса стержня
m = ρSl ,
и используя соотношения (7) и (8), получаем
ρSlv 2 /2 = ES/(2l) × (vτ/2) 2 ,
откуда для τ снова получаем формулу (6).
 Это время столкновения обычно очень мало. Например, для стального стержня (E = 2 × 10 11 Па, ρ = 7,8 × 10 3 кг/м 3 ) длиной 28 см вычисление по формуле (6) дает τ = 10 −4 с .
 Силу F , действующую на стенку во время удара, можно найти, подставляя скорость звука в стержне (5) в формулу (4):
F = Sv√{ρE} . (9)
 Видно, что сила, действующая на стенку, пропорциональна скорости стержня перед ударом. Но для применимости приведенного решения необходимо, чтобы механическое напряжение стержня F/S не превосходило предела упругости материала, из которого изготовлен стержень. Например, для стали предел упругости
(F/S) max = 4 × 10 8 Па .
 Поэтому максимальная скорость v стального стержня, при которой его соударение с преградой все еще можно считать упругим, оказывается согласно формуле (9) равной 10 м/с . Это соответствует скорости свободного падения тела с высоты всего лишь 5 м .
 Укажем для сравнения, что скорость звука в стали u = 5000 м/с , т. е. v << u .
 Время столкновения стержня с неподвижной преградой (в отличие от силы) оказалось не зависящим от скорости стержня. Этот результат, однако, не является универсальным, а связан со специфической формой рассматриваемого тела. Например, для упругого шара время столкновения со стенкой зависит от его скорости. Динамическое рассмотрение этого случая оказывается более сложным. Связано это с тем, что и площадь соприкосновения деформированного шара со стенкой, и действующая на шар сила в процессе столкновения не остаются постоянными.

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.

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.

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

Попытка проанализировать травмоопасность ударов в голову голым кулаком, по сравнению с ударами в боксерской перчатке.

Теория удара.

Ударом в механике называется кратковременное взаимодействие тел, в результате которого изменяются их скорости. Ударная сила зависит, согласно закону Ньютона, от эффективной массы ударяющего тела и его ускорения:

Рис. 1 Кривая развития силы удара во времени

F = m*a (1),

где
F – сила,
m – масса,
a – ускорение.

Если рассматривать удар во времени, то взаимодействие длится очень короткое время – от десятитысячных (мгновенные квазиупругие удары), до десятых долей секунды (неупругие удары). Ударная сила в начале удара быстро возрастает до наибольшего значения, а затем падает до нуля (рис. 1). Максимальное ее значение может быть очень большим. Однако основной мерой ударного взаимодействия является не сила, а ударный импульс, численно равный площади под кривой F(t). Он может быть вычислен как интеграл:

(2)

где
S – ударный импульс,
t1 и t2 – время начала и конца удара,
F(t) – зависимость ударной силы F от времени t.

Так как процесс соударения длится очень короткое время, то в нашем случае его можно рассматривать как мгновенное изменение скоростей соударяющихся тел.

В процессе удара, как и в любых явлениях природы должен соблюдаться закон сохранения энергии. Поэтому закономерно записать следующее уравнение:

E1 + E2 = E’1 + E’2 + E1п + E2п (3)

где
E1 и E2 – кинетические энергии первого и второго тела до удара,
E’1 и E’2 – кинетические энергии после удара,
E1п и E2п – энергии потерь при ударе в первом и во втором тел е.

Соотношение между кинетической энергией после удара и энергией потерь составляет одну из основных проблем теории удара.

Последовательность механических явлений при ударе такова, что сначала происходит деформация тел, во время которой кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию упругой деформации. Затем потенциальная энергия переходит обратно в кинетическую. В зависимости от того, какая часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, а какая теряется, рассеиваясь на нагрев и деформацию, различают три вида удара:

1. Абсолютно упругий удар – вся механическая энергия сохраняется. Это идеализированная модель соударения, однако, в некоторых случаях, например в случае ударов бильярдных шаров, картина соударения близка к абсолютно упругому удару.
2. Абсолютно неупругий удар – энергия деформации полностью переходит в тепло. Пример: приземление в прыжках и соскоках, удар шарика из пластилина в стену и т. п. При абсолютно неупругом ударе скорости взаимодействующих тел после удара равны (тела слипаются).
3. Частично неупругий удар - часть энергии упругой деформации переходит в кинетическую энергию движения.

В реальности все удары являются либо абсолютно, либо частично неупругими. Ньютон предложил характеризовать неупругий удар так называемым коэффициентом восстановления. Он равен отношению скоростей взаимодействующих тел после и до удара. Чем этот коэффициент меньше, тем больше энергии расходуется на некинетические составляющие E1п и E2п (нагрев, деформация). Теоретически этот коэффициент получить нельзя, он определяется опытным путем и может быть рассчитан по следующей формуле:

где
v1 , v2 – скорости тел до удара,
v’1 , v’2 – после удара.

При k = 0 удар будет абсолютно неупругим, а при k = 1 – абсолютно упругим. Коэффициент восстановления зависит от упругих свойств соударяемых тел. Например, он будет различен при ударе теннисного мяча о разные грунты и ракетки разных типов и качества. Коэффициент восстановления не является просто характеристикой материала, так как зависит еще и от скорости ударного взаимодействия – с увеличением скорости он уменьшается. В справочниках приведены значения коэффициента восстановления для некоторых материалов для скорости удара менее 3 м/с.

Биомеханика ударных действий

Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механическим ударом. В ударных действиях различают:

1. Замах – движение, предшествующее ударному движению и приводящее к увеличению расстояния между ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта фаза наиболее вариативна.
2. Ударное движение – от конца замаха до начала удара.
3. Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение ударяющихся тел.
4. Послеударное движение – движение ударного звена тела после прекращения контакта с предметом, по которому наносится удар.

При механическом ударе скорость тела (например, мяча) после удара тем выше, чем больше скорость ударяющего звена непосредственно перед ударом. При ударах в спорте такая зависимость необязательна. Например, при подаче в теннисе увеличение скорости движения ракетки может привести к снижению скорости вылета мяча, так как ударная масса при ударах, выполняемых спортсменом, непостоянна: она зависит от координации его движений. Если, например, выполнять удар за счет сгибания кисти или с расслабленной кистью, то с мячом будет взаимодействовать только масса ракетки и кисти. Если же в момент удара ударяющее звено закреплено активностью мышц-антагонистов и представляет собой как бы единое твердое тело, то в ударном взаимодействии будет принимать участие масса всего этого звена.

Иногда спортсмен наносит два удара с одной и той же скоростью, а скорость вылета мяча или сила удара оказывается различной. Это происходит из-за того, что ударная масса неодинакова. Величина ударной массы может использоваться как критерий эффективности техники ударов. Поскольку рассчитать ударную массу довольно сложно, то эффективность ударного взаимодействия оценивают как отношение скорости снаряда после удара и скорости ударного элемента до удара. Этот показатель различен в ударах разных типов. Например, в футболе он изменяется от 1,20 до 1,65. Зависит, он и от веса спортсмена.

Некоторые спортсмены, владеющие очень сильным ударом (в боксе, волейболе, футболе и др.), большой мышечной силой не отличаются. Но они умеют сообщать большую скорость ударяющему сегменту и в момент удара взаимодействовать с ударяемым телом большой ударной массой.

Многие ударные спортивные действия нельзя рассматривать как «чистый» удар, основа теории которого изложена выше. В теории удара в механике предполагается, что удар происходит настолько быстро и ударные силы настолько велики, что всеми остальными силами можно пренебречь. Во многих ударных действиях в спорте эти допущения не оправданы. Время удара в них хотя и мало, но все-таки пренебрегать им нельзя; путь ударного взаимодействия, по которому во время удара движутся вместе соударяющиеся тела, может достигать 20-30 см.

Поэтому в спортивных ударных действиях, в принципе, можно изменить количество движения во время соударения за счет действия сил, не связанных с самим ударом. Если ударное звено во время удара дополнительно ускоряется за счет активности мышц, ударный импульс и соответственно скорость вылета снаряда увеличиваются; если оно произвольно тормозится, ударный импульс и скорость вылета уменьшаются (это бывает нужно при точных укороченных ударах, например при передачах мяча партнеру). Некоторые ударные движения, в которых дополнительный прирост количества движения во время соударения очень велик, вообще являются чем-то средним между метаниями и ударами (так иногда выполняют вторую передачу в волейболе).

Координация движений при максимально сильных ударах подчиняется двум требованиям:

1. сообщение наибольшей скорости ударяющему звену к моменту соприкосновения с ударяемым телом. В этой фазе движения используются те же способы увеличения скорости, что и в других перемещающих действиях;
2. увеличение ударной массы в момент удара. Это достигается «закреплением» отдельных звеньев ударяющего сегмента путем одновременного включения мышц-антагонистов и увеличения радиуса вращения. Например, в боксе и карате сила удара правой рукой увеличивается примерно вдвое, если ось вращения проходит вблизи левого плечевого сустава, по сравнению с ударами, при которых ось вращения совпадает с центральной продольной осью тела.

Время удара настолько кратковременно, что исправить допущенные ошибки уже невозможно. Поэтому точность удара в решающей мере обеспечивается правильными действиями при замахе и ударном движении. Например, в футболе место постановки опорной ноги определяет у начинающих целевую точность примерно на 60-80%.

Тактика спортивных состязаний нередко требует неожиданных для противника ударов («скрытых»). Это достигается выполнением ударов без подготовки (иногда даже без замаха), после обманных движений (финтов) и т. п. Биомеханические характеристики ударов при этом меняются, так как они выполняются в таких случаях обычно за счет действия лишь дистальных сегментов (кистевые удары).

Дистальный – [напр. конец, фаланга] (distalis) - конец мышцы или кости конечности или целая структура (фаланга, мышца) наиболее удалённая от туловища.

Удар в боксерской перчатке и без.

В последнее время в некоторых спортивных кругах разгораются серьезные споры по поводу большей травматичности для мозга ударов в боксерской перчатке, нежели ударов голой рукой. Попытаемся получить ответ на этот вопрос используя имеющиеся исследовательские данные и элементарные законы физики.

Откуда могли родиться подобные мысли? Смею предположить, что в основном из наблюдений процесса удара по боксерскому мешку. Проводились исследования, в которых Смит и Хемил в своей работе, опубликованной в 1986 году измеряли скорость кулака спортсмена и скорость боксерского мешка. Строго говоря, опасность сотрясения мозга определяется величиной ускорения головы, а не скоростью. Однако по сообщаемой скорости мешка можно лишь косвенно судить о величине ускорения, т.к. предполагается, что данная скорость была развита за короткий промежуток времени удара.

Удары по мешку проводились тремя разными способами: голым кулаком, в перчатке для карате и в перчатке для бокса. И действительно, скорость мешка при ударе перчаткой оказалась выше примерно на 15%, чем при ударе кулаком. Рассмотрим физическую подоплеку проведенного исследования. Как уже говорилось выше, все удары являются частично неупругими и часть энергии ударного звена расходуется на остаточную деформацию снаряда, остальная энергия тратится на сообщение снаряду кинетической энергии. Доля этой энергии характеризуется коэффициентом восстановления.

Сразу оговоримся для большей ясности, что при рассмотрении энергии деформации и энергии поступательного движения, большая энергия деформации играет положительную роль, т.к. на поступательное движение остается меньше энергии. В данном случае речь идет об упругих деформациях, не представляющих опасность для здоровья, тогда как энергия поступательного движения напрямую связана с ускорением и опасна для мозга.

Рассчитаем коэффициент восстановления боксерского мешка по данным полученным Смитом и Хемилом. Масса мешка составляла 33 кг. Результаты экспериментов показали незначительные различия в скорости кулака для разных типов перчаток (голый кулак: 11.03±1.96 м/с, в каратистской перчатке: 11.89±2.10 м/с, в боксерской перчатке: 11.57±3.43 м/с). Среднее значение скорости кулака составило 11.5 м/с. Были найдены различия в импульсе мешка для разных типов перчаток. Удар в боксерской перчатке вызывал больший импульс мешка (53.73±15.35 Н с), чем удар голым кулаком (46.4±17.40 Н с) или в каратистской перчатке (42.0±18.7 Н с), которые имели почти равные значения. Для определения скорости мешка по его импульсу, нужно импульс мешка разделить на его массу:

v = p/m (5)

где
v – скорость мешка,
p – импульс мешка,
m – масса мешка.

Используя формулу расчета коэффициента восстановления (4) и допуская, что скорость кулака после удара равна нулю, получаем значение для удара голым кулаком около 0,12, т.е. k = 12%. Для случая удара боксерской перчаткой k = 14%. Это подтверждает наш жизненный опыт – удар по боксерскому мешку практически полностью неупругий и почти вся энергия удара уходит на его деформацию.

Следует отдельно отметить, что наибольшая скорость была у кулака в каратистской перчатке. Импульс же мешка при ударе каратистской перчаткой был самый меньший. Показатели ударов голым кулаком в этом исследовании занимали промежуточное положение. Это можно объяснить тем фактом, что спортсмены боялись повредить руку и рефлекторно снижали скорость и силу удара. При ударе в каратистской перчатке такого страха не возникало.

А что же будет при ударе в голову? Обратимся к другому исследованию Валилко, Виано и Бира за 2005 год , в котором исследовались боксерские удары в перчатках по специально сконструированному манекену (рис.2). В данной работе были детально исследованы все параметры удара и ударное воздействие на голову и шею манекена. Шея манекена представляла собою упругую металлическую пружину, поэтому данную модель можно считать, как модель боксера готового к удару с напряженными мышцами шеи. Воспользуемся данными по поступательному движению головы манекена и рассчитаем коэффициент восстановления (k) при прямом ударе в голову.

Рис. 2 Исследование Валилко, Виано и Бира – боксер наносит удар по манекену.

Средняя скорость руки до удара была 9,14 м/с, а средняя скорость головы после удара 2,97 м/с. Таким образом, согласно той же формуле (4) коэффициент восстановления k = 32%. Это значит, что 32% энергии ушло в кинетическое движение головы, а 68% ушло в деформацию шеи и перчатки. Говоря об энергии деформации шеи, речь идет не о геометрической деформации (искривлении) шейного отдела, а об энергии, которую затратили мышцы шеи (в данном случае пружина), чтобы удержать голову в неподвижном состоянии. Фактически это энергия сопротивления удару. О деформации лица манекена, так же как и лицевого черепа человека, не может быть и речи. Кости человека являются очень крепким материалом. В табл. 1 приведены коэффициент упругости (модули Юнга) нескольких материалов. Чем этот коэффициент больше, тем жестче материал. Из таблицы видно, что по жесткости кость немногим уступает бетону.

Таблица 1. Коэффициенты упругости (модули Юнга) разных материалов.

Каков же будет коэффициент восстановления при ударе в голову голым кулаком? Исследований на этот счет нет. Но попытаемся прикинуть возможные последствия. При ударе кулаком, так же как и при ударе перчаткой, большую часть энергии возьмут на себя мышцы шеи, при условии, конечно, что они напряжены. В работе Валилко, Виано и Бира невозможно отделить энергию деформации перчатки от энергии деформации шеи манекена, но можно предположить, что в деформацию шеи ушла львиная доля суммарной энергии деформации. Поэтому можно считать, что при ударе голым кулаком разница в коэффициенте восстановления не будет превышать 2-5% по сравнению с ударом в перчатке, как это было в работе Смита и Хемила, где разница составила 2%. Очевидно, что разница в 2% – это несущественно.

Приведенные выше расчеты делались на основе данных о прямолинейном ускорении головы после удара. Но при всей их относительной сложности они очень далеки от предсказания травматичности удара. Английский физик Холборн, работавший с гелевыми моделями мозга в 1943 году, был одним из первых, кто выдвинул главным параметром травмы мозга вращательное ускорение головы . В работе Оммая и др. говорится, что вращательное ускорение в 4500 рад/с2 приводит к сотрясению и серьезным аксональным травмам. В более ранней работе того же автора говорится, что вращательное ускорение выше 1800 рад/с2 создает 50% вероятность сотрясения мозга. В статье Валилко, Виано и Бира приведены параметры 18-ти разных ударов. Если взять одного и того же боксера и его удар со скоростью руки 9,5 м/с и удар со скоростью 6,7 м/с, то в первом случае коэффициент восстановления равен 32%, а во втором уже 49%. По всем нашим расчетам получается, что второй удар более травматичный: больший коэффициент восстановления (больше энергии ушло в поступательное движение головы), большая эффективная масса (2,1 кг и 4,4 кг), чуть большее ускорение головы (67 g и 68 g). Однако, если мы сравним вращательное ускорение головы, произведенное этими двумя ударами, то увидим, что более травматичным является первый удар (7723 рад/с2 и 5209 рад/с2 соответственно). Причем разница в цифрах довольно существенная. Данный факт свидетельствует о том, что травматичность удара зависит от большого количества переменных и нельзя руководствоваться только одним лишь импульсом p = mv, оценивая эффективность удара. Большое значение здесь играет и место удара, так чтобы вызвать наибольшее вращение головы. В связи с приведенными данными выходит, что фактор боксерской перчатки в травмах и сотрясениях мозга играет далеко не главную роль.

Подведя итог нашей статье, отметим следующее. Факторы влияющие на травмы головного мозга при ударе в боксерской перчатке и без нее отличаются не значительно и могут меняться то в одну, то в другую сторону в зависимости от боксера и вида удара. Гораздо более существенные факторы влияющие на сотрясение мозга лежат вне рассматриваемой плоскости, такие как вид и место удара в голову, определяющие ее вращательный момент.

Вместе с тем, не надо забывать, что боксерские перчатки созданы прежде всего для предохранения мягких тканей лица. Удары без перчаток приводят к повреждениями костей, суставов и мягких тканей как у атакующего, так и у атакуемого спортсмена. Наиболее распространеным и болезненым из них является травма, именуемая “костяшка боксера”.

Костяшка боксера – известный в спортивной медицине термин, используемый для описания травмы кисти – повреждения суставной капсулы пястно-фалангового сустава (обычно II или III), а именно волокон, удерживающих сухожилие мышцы-разгибателя пальцев.

Опасность заражения различными инфекциями, в том числе вирусами гепатита С или ВИЧ и масса других неприятных последствий, включая малопривлекательную внешность, всячески отметают тезис о том, что драться голыми руками безопаснее для здоровья.

Использованная литература:

1. Ламаш Б.Е. Лекции по биомеханике. https://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
2. Smith PK, Hamill J. The effect of punching glove type and skill level on momentum transfer. 1986, J. Hum. Mov. Stud. vol.12, pp. 153-161.
3. Walilko T.J., Viano D.C. and Bir C.A. Biomechanics of the head for Olympic boxer punches to the face. 2005, Br J Sports Med. vol.39, pp.710-719
4. Holbourn A.H.S. Mechanics of head injury. 1943, Lancet. vol.2, pp.438-441.
5. Ommaya A.K., Goldsmith W., Thibault L. Biomechanics and neuropathology of adult and paediatric head injury. 2002, Br J Neurosurg. vol.16, №3, pp.220–242.

6. sportmedicine.ru