¿Qué es la sobrecarga? ¿Qué le sucede al cuerpo humano cuando vuela al espacio? en versión de entrenamiento

Fuerzas, a la aceleración estándar de la gravedad en la superficie de la Tierra. Al ser una relación de dos aceleraciones, la fuerza g es una cantidad adimensional; sin embargo, la fuerza g a menudo se especifica en unidades de aceleración de gravedad estándar. gramo(pronunciado “zhe”), igual a 9,80665 m/s². Sobrecarga en 0 gramo es probado por un cuerpo en estado de caída libre bajo la influencia únicamente de fuerzas gravitacionales, es decir, en un estado de ingravidez. La carga que experimenta un cuerpo que descansa sobre la superficie de la Tierra al nivel del mar es 1.

La sobrecarga es una cantidad vectorial. Para un organismo vivo, la dirección de la sobrecarga es muy importante. Cuando están sobrecargados, los órganos humanos tienden a permanecer en el mismo estado (movimiento lineal uniforme o reposo). Con una sobrecarga positiva (la aceleración se dirige de las piernas a la cabeza y el vector de sobrecarga es de la cabeza a las piernas), la sangre se mueve de la cabeza a las piernas y el estómago desciende. Con una sobrecarga negativa, aumenta el flujo sanguíneo a la cabeza. La posición más favorable del cuerpo humano, en la que puede percibir las mayores sobrecargas, es acostado boca arriba, de cara a la dirección de aceleración del movimiento, la más desfavorable para transferir sobrecargas es en dirección longitudinal con las piernas hacia la dirección de aceleración. Cuando un automóvil choca con un obstáculo estacionario, la persona sentada en el automóvil experimentará una sobrecarga en la parte posterior del pecho. Semejante sobrecarga puede tolerarse sin grandes dificultades. Una persona normal puede soportar sobrecargas de hasta 15 gramo cerca 3-5 segundos sin pérdida de conciencia. Sobrecarga de 20-30 gramo o más, una persona no puede soportar más de 1-2 segundos sin perder el conocimiento, dependiendo de la magnitud de la sobrecarga.

Uno de los principales requisitos para los pilotos militares y cosmonautas es la capacidad del cuerpo para soportar sobrecargas. Los pilotos entrenados con trajes anti-g pueden tolerar fuerzas g de −3…−2 gramo hasta +12 gramo . Generalmente con sobrecarga positiva 7-8 gramo los ojos “se ponen rojos”, la visión desaparece y la persona pierde gradualmente el conocimiento debido al drenaje de sangre de la cabeza. La resistencia a las sobrecargas negativas y ascendentes es mucho menor. Durante el despegue, los astronautas soportan una sobrecarga mientras están acostados. En esta posición, la sobrecarga actúa en dirección pecho-espalda, lo que permite soportar una sobrecarga de varias unidades durante varios minutos. gramo. Existen trajes especiales anti-sobrecarga, cuya tarea es aliviar los efectos de la sobrecarga. Los trajes son un corsé con mangueras que se inflan mediante un sistema de aire y sujetan la superficie exterior del cuerpo humano, impidiendo levemente la salida de sangre.

La sobrecarga aumenta la tensión sobre la estructura de las máquinas y puede provocar su avería o destrucción, así como el movimiento de cargas no aseguradas o mal aseguradas. La cantidad de sobrecarga permitida por la documentación operativa para aviones de pasajeros [ ¿cuáles?] es 2,5 gramo .

Ejemplos de sobrecargas y sus significados:

Ejemplo de sobrecarga	Valor, gramos
Una persona (o cualquier objeto) en un estado estacionario con respecto a la Tierra.	1
Pasajero en un avión durante el despegue	1,5
Paracaidista aterrizando a una velocidad de 6 m/s	1,8
Paracaidista abriendo su paracaídas	hasta 10,0 (Po-16, D1-5U) hasta 16 (Ut-15 ser. 5)
Cosmonautas durante el descenso en la nave espacial Soyuz.	hasta 3,0-4,0
Piloto de avión deportivo realizando maniobras acrobáticas	de −7 a +12
Sobrecarga (a largo plazo), correspondiente al límite de las capacidades fisiológicas humanas.	8,0-10,0
Récord de descenso de emergencia no mortal

Sobrecargas terrenales

Cuando un automóvil choca con un obstáculo estacionario, la persona sentada en el automóvil experimentará una sobrecarga en la parte posterior del pecho. Semejante sobrecarga puede tolerarse sin grandes dificultades. Una persona normal puede soportar sobrecargas de hasta 15 gramo unos 3 a 5 segundos sin pérdida del conocimiento. Sobrecarga de 20 - 30 gramo o más, una persona no puede soportar más de 1 a 2 segundos sin perder el conocimiento, dependiendo de la magnitud de la sobrecarga.

Sobrecargas aplicadas a humanos:

1 - 1 gramo .

3 - 15 gramo durante 0,6 seg.

5 - 22 gramo .

Uno de los principales requisitos para los pilotos militares y cosmonautas es la capacidad del cuerpo para soportar sobrecargas. Los pilotos entrenados con trajes anti-g pueden soportar fuerzas g de -3 ... -2 gramo hasta +12 gramo . La resistencia a las sobrecargas negativas y ascendentes es mucho menor. Generalmente a las 7 - 8 gramo los ojos “se ponen rojos”, la visión desaparece y la persona pierde gradualmente el conocimiento debido al flujo de sangre que le sube a la cabeza. Durante el despegue, los astronautas soportan una sobrecarga mientras están acostados. En esta posición, la sobrecarga actúa en dirección pecho-espalda, lo que permite soportar una sobrecarga de varias unidades g durante varios minutos. Existen trajes especiales anti-sobrecarga, cuya tarea es aliviar los efectos de la sobrecarga. Los trajes son un corsé con mangueras que se inflan mediante un sistema de aire y sujetan la superficie exterior del cuerpo humano, impidiendo levemente la salida de sangre.

Sobrecarga de espacio

Durante el lanzamiento, el astronauta está sujeto a una aceleración cuyo valor varía de 1 a 7 g.

Las sobrecargas asociadas con la aceleración provocan un deterioro significativo en el estado funcional del cuerpo humano: el flujo sanguíneo en el sistema circulatorio se ralentiza, la agudeza visual y la actividad muscular disminuyen.

Con el inicio de la ingravidez, el astronauta puede experimentar trastornos vestibulares, una sensación de pesadez en el área de la cabeza persiste durante mucho tiempo (debido al aumento del flujo sanguíneo hacia ella). Al mismo tiempo, la adaptación a la ingravidez se produce, por regla general, sin complicaciones graves: una persona mantiene su capacidad de trabajo y realiza con éxito diversas operaciones laborales, incluidas aquellas que requieren una fina coordinación o un gran gasto de energía. La actividad motora en estado de ingravidez requiere un gasto de energía mucho menor que movimientos similares en condiciones de peso.

Durante la aceleración longitudinal, el astronauta experimenta ilusiones visuales. Le parece que el objeto que está mirando se mueve en la dirección del vector resultante de aceleración y gravedad.

En caso de aceleraciones angulares se produce un movimiento aparente del objeto de visión en el plano de rotación. Esta llamada ilusión circungiral es consecuencia de los efectos de la sobrecarga en los canales semicirculares (órganos del oído interno).

Conclusión:

Si el flujo sanguíneo en estado de ingravidez es un orden de magnitud mayor que en la Tierra, entonces la pérdida del conocimiento debido al flujo excesivo de sangre a la cabeza se producirá tanto con una gy menor como en la cantidad de segundos que un astronauta puede soportar. Pero hay uno + Porque estamos en En un futuro lejano, nuestros trajes anti-G, por ejemplo, que vienen con 350 rublos, serán mucho mejores para preservar la conciencia durante sobrecargas fuertes y prolongadas + deben ser salvados por gravedad artificial, que debería crear un contrapeso a las sobrecargas en 2-5 segundos.

Según los médicos, el cerebro humano puede soportar sobrecargas de unos 150 g, si actúan sobre el cerebro durante no más de 1 a 2 ms; con una disminución de las sobrecargas, aumenta el tiempo durante el cual una persona puede experimentarlas, y una sobrecarga de 40 g, incluso con una exposición prolongada, se considera relativamente segura para la cabeza.

Una sobrecarga de hasta 72 g se considera segura, las sobrecargas de 72 a 88 g caen en la zona “roja” intermedia y, cuando se superan los 88 g, se considera altamente probable una lesión en la cabeza. Un aspecto importante del método EuroNCAP es la evaluación de la presión que actúa sobre el tórax de una persona: una compresión torácica de 22 mm se considera segura, mientras que una compresión de 50 mm se considera la máxima.

En este artículo, un profesor de física y matemáticas nos habla de cómo calcular la sobrecarga que experimenta el cuerpo durante la aceleración o la frenada. Este material está muy mal tratado en la escuela, por lo que muy a menudo los estudiantes no saben cómo implementarlo. cálculo de sobrecarga, pero las tareas correspondientes se encuentran en el Examen Estatal Unificado y el Examen Estatal Unificado de Física. Lea este artículo hasta el final o mire el video tutorial adjunto. Los conocimientos que adquiera le serán útiles en el examen.

Comencemos con las definiciones. Sobrecarga es la relación entre el peso de un cuerpo y la magnitud de la fuerza de gravedad que actúa sobre este cuerpo en la superficie de la tierra. Peso corporal- esta es la fuerza que actúa desde el cuerpo sobre el soporte o suspensión. ¡Tenga en cuenta que el peso es exactamente fuerza! Por tanto, el peso se mide en newtons y no en kilogramos, como algunos creen.

Por lo tanto, la sobrecarga es una cantidad adimensional (newtons divididos por newtons, lo que no deja nada). Sin embargo, a veces esta cantidad se expresa en términos de aceleración debida a la gravedad. Dicen, por ejemplo, que la sobrecarga es igual a , es decir, que el peso del cuerpo es el doble de la fuerza de gravedad.

Ejemplos de cálculo de sobrecarga

Mostraremos cómo calcular la sobrecarga usando ejemplos específicos. Comencemos con los ejemplos más simples y pasemos a otros más complejos.

Evidentemente, una persona parada en el suelo no experimenta ninguna sobrecarga. Por tanto, me gustaría decir que su sobrecarga es cero. Pero no saquemos conclusiones apresuradas. Dibujemos las fuerzas que actúan sobre esta persona:

Sobre una persona se aplican dos fuerzas: la fuerza de gravedad, que atrae el cuerpo hacia el suelo, y la fuerza de reacción que la contrarresta desde el lado de la superficie terrestre, dirigida hacia arriba. De hecho, para ser precisos, esta fuerza se aplica a las plantas de los pies de una persona. Pero en este caso particular esto no importa, por lo que se puede posponer desde cualquier punto del cuerpo. En la figura está trazado lejos del centro de masa humano.

El peso de una persona se aplica al soporte (a la superficie de la tierra), en respuesta, de acuerdo con la tercera ley de Newton, una fuerza igual en magnitud y de dirección opuesta actúa sobre la persona desde el lado del soporte. Esto significa que para encontrar el peso del cuerpo, necesitamos encontrar la magnitud de la fuerza de reacción del suelo.

Dado que una persona se queda quieta y no cae al suelo, las fuerzas que actúan sobre ella se compensan. Es decir, y, en consecuencia, . Es decir, el cálculo de la sobrecarga en este caso da el siguiente resultado:

¡Recuerda esto! En ausencia de sobrecargas, la sobrecarga es 1, no 0. Por extraño que pueda parecer.

Determinemos ahora a qué equivale la sobrecarga de una persona que se encuentra en caída libre.

Si una persona está en estado de caída libre, entonces solo actúa sobre ella la fuerza de la gravedad, que no está equilibrada por nada. No hay fuerza de reacción del suelo y no hay peso corporal. Una persona se encuentra en el llamado estado de ingravidez. En este caso, la sobrecarga es 0.

Los astronautas se encuentran en posición horizontal en el cohete durante su lanzamiento. Sólo así podrán soportar la sobrecarga que experimentan sin perder el conocimiento. Representemos esto en la figura:

En este estado actúan sobre ellos dos fuerzas: la fuerza de reacción del suelo y la fuerza de gravedad. Como en el ejemplo anterior, el módulo de peso de los astronautas es igual a la magnitud de la fuerza de reacción del soporte: . La diferencia será que la fuerza de reacción del apoyo ya no es igual a la fuerza de gravedad, como la última vez, ya que el cohete se mueve hacia arriba con aceleración. Con la misma aceleración, los astronautas también aceleran sincrónicamente con el cohete.

Entonces, de acuerdo con la 2ª ley de Newton en proyección sobre el eje Y (ver figura), obtenemos la siguiente expresión: , de donde . Es decir, la sobrecarga requerida es igual a:

Hay que decir que esta no es la mayor sobrecarga que tienen que experimentar los astronautas durante el lanzamiento de un cohete. La sobrecarga puede llegar hasta 7. La exposición prolongada a tales sobrecargas en el cuerpo humano conduce inevitablemente a la muerte.

En el punto inferior del "bucle muerto", dos fuerzas actuarán sobre el piloto: hacia abajo - fuerza, hacia arriba, hasta el centro del "bucle sordo" - fuerza (desde el lado del asiento en el que está sentado el piloto) :

Allí también se dirigirá la aceleración centrípeta del piloto, donde km/h m/s es la velocidad del avión y es el radio del “bucle muerto”. Por otra parte, de acuerdo con la segunda ley de Newton, en proyección sobre un eje dirigido verticalmente hacia arriba, obtenemos la siguiente ecuación:

Entonces el peso es . Entonces, el cálculo de la sobrecarga da el siguiente resultado:

Una sobrecarga muy significativa. Lo único que salva la vida del piloto es que no dura mucho.

Y finalmente, calculemos la sobrecarga que experimenta el conductor del coche durante la aceleración.

Entonces, la velocidad final del auto es km/h m/s. Si un automóvil acelera a esta velocidad desde el reposo en c, entonces su aceleración es igual a m/s 2. El automóvil se mueve horizontalmente, por lo tanto, la componente vertical de la fuerza de reacción del suelo está equilibrada por la fuerza de gravedad, es decir. En dirección horizontal, el conductor acelera junto con el vehículo. Por lo tanto, según la ley 2 de Newton, en proyección sobre el eje codirigido con la aceleración, la componente horizontal de la fuerza de reacción del apoyo es igual a .

Encontramos la magnitud de la fuerza de reacción total en el soporte usando el teorema de Pitágoras: . Será igual al módulo de peso. Es decir, la sobrecarga requerida será igual a:

Hoy aprendimos a calcular la sobrecarga. Recuerde este material, puede resultar útil a la hora de resolver tareas del Examen Estatal Unificado o Examen Estatal Unificado de Física, así como en diversos exámenes de ingreso y olimpiadas.

Material preparado por Sergey Valerievich

Sobrecarga es la relación entre la resultante de todas las fuerzas (excepto el peso) que actúan sobre la aeronave y el peso de la aeronave.

Las sobrecargas se definen en el sistema de coordenadas asociado:

nx- sobrecarga longitudinal; n- sobrecarga normal; Nueva Zelanda- sobrecarga lateral.

La sobrecarga total está determinada por la fórmula.

Sobrecarga longitudinal nх Ocurre cuando el empuje y la resistencia del motor cambian.

Si el empuje del motor es mayor que la resistencia, entonces la sobrecarga es positiva. Si la magnitud de la resistencia es mayor que el empuje del motor, entonces la sobrecarga es negativa.

La sobrecarga longitudinal está determinada por la fórmula.

Sobrecarga lateral Nueva Zelanda Ocurre cuando la aeronave vuela en un estado deslizante. Pero en términos de magnitud, la fuerza aerodinámica lateral Z es muy pequeña. Por lo tanto, en los cálculos, la sobrecarga lateral se toma igual a cero. La sobrecarga lateral está determinada por la fórmula.

La realización de maniobras acrobáticas se acompaña principalmente de la aparición de grandes sobrecargas normales.

Sobrecarga normal ny se llama relación entre la sustentación y el peso de la aeronave y está determinada por la fórmula

La sobrecarga normal, como puede verse en la fórmula (11.5), se crea mediante la fuerza de elevación. En vuelo horizontal en una atmósfera tranquila, la fuerza de sustentación es igual al peso de la aeronave, por lo tanto, la sobrecarga será igual a la unidad:

Arroz. 6 El efecto de la fuerza de inercia centrífuga sobre el piloto a - con un fuerte aumento en el ángulo de ataque, b - con una fuerte disminución en el ángulo de ataque

En vuelo en curva, cuando la fuerza de sustentación es mayor que el peso de la aeronave, la sobrecarga será mayor que uno.

Cuando un avión se mueve a lo largo de una trayectoria curva, la fuerza centrípeta es, como ya se mencionó, la sustentación, es decir, la presión del aire sobre las alas. En este caso, la magnitud de la fuerza centrípeta siempre va acompañada de una fuerza de inercia centrífuga igual, pero de dirección opuesta, que se expresa por la fuerza de presión de las alas sobre el aire. Además, la fuerza centrífuga actúa como un peso (masa), y como siempre es igual a la fuerza centrípeta, cuando esta última aumenta, aumenta en la misma cantidad. Por tanto, la sobrecarga aerodinámica es similar a un aumento del peso de la aeronave (piloto).

Cuando se produce una sobrecarga, el piloto siente como si su cuerpo se hubiera vuelto más pesado.

La sobrecarga normal se divide en positiva y negativa. Cuando la sobrecarga presiona al piloto contra el asiento, entonces esta sobrecarga positivo, si lo separa del asiento y lo sujeta por los cinturones de seguridad - negativo (Figura 6).

En el primer caso, la sangre fluirá desde la cabeza hasta los pies, en el segundo caso, fluirá hacia la cabeza.

Como ya se mencionó, un aumento en la sustentación en movimiento curvilíneo equivale a un aumento en el peso de la aeronave en la misma cantidad, entonces

(11.6)

(11.7)

Dónde n nivel - sobrecarga disponible.

De la fórmula (11.7) queda claro que la cantidad de sobrecarga disponible está determinada por la reserva de coeficientes de sustentación (margen de ángulos de ataque) desde los requeridos para el vuelo horizontal hasta su valor seguro (Su TR o Su CR).

La sobrecarga normal máxima posible se puede obtener cuando, en vuelo a una velocidad y altitud de vuelo determinadas, se utiliza plenamente la capacidad de la aeronave para crear sustentación. Esta sobrecarga se puede obtener en el caso de que la aeronave se lleve bruscamente (sin una disminución notable en la velocidad de vuelo) a C y = C y max:

(11.8)

Sin embargo, no es deseable llevar el avión a tal sobrecarga, ya que se producirá una pérdida de estabilidad y una pérdida en picada o rotación en barrena. Por esta razón, no se recomienda inclinar bruscamente la palanca de control hacia usted a altas velocidades de vuelo, especialmente al salir de una inmersión. Por lo tanto, se considera que la sobrecarga máxima posible o disponible es de menor valor para evitar que la aeronave entre en modo de vibración. La fórmula para determinar esta sobrecarga tiene la forma

(11.9)

Para los aviones Yak-52 y Yak-55, las dependencias gráficas de las sobrecargas disponibles con la velocidad de vuelo se muestran en la Fig. 7, figura. 8. Al realizar vuelos en aviones Yak-52 y Yak-55, la sobrecarga normal disponible está limitada principalmente por las características de resistencia del avión.

Sobrecarga operativa máxima permitida para el avión Yak-52:

con chasis con ruedas:

positivo +7;

negativo -5;

con chasis de esquí:

positivo +5;

negativo -3.

Sobrecarga operativa máxima permitida para el avión Yak-55:

en la versión de entrenamiento:

positivo +9;

negativo -6;

en versión destilada:

positivo +5;

negativo -3.

Está prohibido superar estas sobrecargas en vuelo, ya que pueden aparecer deformaciones residuales en la estructura de la aeronave.

Al realizar maniobras en curva en estado estacionario, la sobrecarga depende de la reserva de empuje de la central eléctrica. La reserva de empuje se determina a partir de la condición de mantener una determinada velocidad durante toda la maniobra.

Sobrecarga máxima para empuje disponible PR Se llama la mayor sobrecarga en la que el empuje de la central eléctrica aún equilibra la resistencia. Está determinado por la fórmula.

(11.10)

La sobrecarga máxima para el empuje disponible depende de la velocidad y la altitud del vuelo, ya que los factores anteriores afectan la velocidad del empuje disponible Рр y la calidad aerodinámica K. Para calcular la dependencia de n en PREV es necesario tener curvas Рр (V) para diferentes altitudes y una cuadrícula de polares.

Para cada valor de velocidad, los valores del empuje disponible se toman de la curva Pp (V), el valor del coeficiente Cy se determina a partir del polar para la velocidad V correspondiente y se calcula mediante la fórmula (11.10).

Al maniobrar en un plano horizontal con una sobrecarga menor que la disponible, pero mayor que el empuje máximo, la aeronave perderá velocidad o altitud de vuelo.