Дек 26

Вращательные силы и угловые ускорения Кориолиса

В медленно вращающейся комнате, закрепленной на оси вращения вертикально по отношению к Земле, человек, выполняющий различные виды деятельности, подвергается воздействию комплекса гравитоинерционных сил. В этом случае необходимо принимать во внимание не только силы, действующие на центр тяжести человеческого тела, но и отдельные составляющие движений головы и конечностей с учетом движения всего тела.

На рис. 1 показаны силы, действующие на центр масс тела, человека в положении стоя и сидя. Центробежная сила равна rω2, где r – радиус и ω – угловая скорость.

Угол ø представляет изменение направления гравитоинерционной вертикали по отношению к гравитационной вертикали. В том случае, если испытуемый движется по ходу или против вращения, а также в радиальном направлении в ту или другую сторону, необходимо учитывать не только кориолисовы силы, но и изменение центробежных сил.

Рис. 1. Реакции человека на воздействие силового поля во вращающейся комнате

g – ускорение силы тяжести;

Acen – центростремительное ускорение;

Acor – ускорение Кориолиса;

Vt – тангенциальная скорость;

G. С.– пара гироскопических сил;

Vr – угловая скорость;

ω – угловая скорость вращения комнаты;

φ – угол между гравитоинерционной и гравитационной вертикалями;

H. M. – вектор углового движения головы.

Члены экипажа 1 и 2 в шарнирных фиксаторах, укрепленных на опоре с воздушной подушкой, «ходят по стене», имитируя этим положение тела во вращающемся космическом корабле. Второй член экипажа, идущий в направлении вращения, несколько тяжелее, так как его угловая скорость и, следовательно, центростремительное ускорение, увеличены, суммируясь с возникающим при этом ускорением Кориолиса. Первый член экипажа, идущий в направлении, противоположном вращению, несколько легче, так как центростремительное ускорение у него меньше, а ускорение Кориолиса должно вычитаться. Третий член экипажа, идущий по направлению периферии комнаты, подвергается нарастающему уровню центростремительного ускорения и постоянной величине ускорения Кориолиса. Четвертый член экипажа (стоит) испытывает: 1) так называемый феномен «гигантской» руки, когда при движении неги или руки в сторону возникает тенденция сменить это движение на обратное, 2) так называемый феномен «свободного движения», когда при движении (вращении) головы в плоскости вращения комнаты, прецессионные угловые ускорения и иллюзии не возникают, 3) угол φ указывает на изменение направления гравитационной вертикали, обусловленное центробежной силой. Пятый член экипажа производит движения головой вне плоскости вращения комнаты, которые вызывают прецессионные угловые ускорения, сопровождающиеся характерными описанными иллюзиями (рисунок любезно представлен доктором D. В. Gramer).

Основная закономерность изменения век — тора во времени при измерении во вращающейся системе относительно основной системы отсчета, может быть представлена математически в векторном виде:

где:

(dV/dt)r – изменение вектора скорости относительно основной системы отсчета; (dV/dt)m – изменение вектора скорости относительно вращающейся системы; (ωmr ∙ V) – изменение вектора скорости, создаваемое вращением второй системы.

У испытуемого в условиях вращения ускорение, вызванное результирующей силой, может проявляться двояким образом. Во-первых, оно увеличивает кажущийся вес тела при движении по ходу вращения и уменьшает при движении против вращения. Во-вторых, когда тело движется по радиусу к центру вращения, возникает кориолисова сила, направленная по ходу вращения под прямым углом от линии движения тела. Если движение направлено от центра вращения, сила имеет противоположное направление. Движение, параллельное оси вращения, не вызывает ускорений Кориолиса. Значения ускорений Кориолиса в единицах G для тела, движущегося перпендикулярно к оси горизонтально вращающейся системы, можно определить следующим образом:

F (кориолис) = 0,0213 VN,                      (2)

где V – скорость тела относительно вращающегося корабля в м/сек,

N – скорость вращения корабля в об/мин.

Для любого движения, направленного под углом к оси вращения, не равным 90°, для определения кориолисовых сил используется составляющая вектора скорости, перпендикулярная к оси вращения. Следовательно, ее значение необходимо умножить на синус угла между вектором угловой скорости вращающейся системы и вектором скорости тела.

На рис. 2 показаны значения кориолисовых сил в единицах G для различных скоростей движения, перпендикулярного к оси вращения, при различных скоростях вращения комнаты.

Комбинация кориолисовых и центробежных сил является причиной атаксии у испытуемых.

Из рис. 1 и 2 видно, что человек, движущийся в направлении вращения вокруг вертикальной оси, будет ощущать легкое увеличение кажущегося веса и легкое уменьшение его при движении в противоположном направлении. Подобным образом при движении к центру вращения кориолисова сила будет направлена в сторону вращения, при движении к периферии – в противоположном вращению направлении.

Приведенный выше анализ слишком упрощен, поскольку движения конечностей и головы необязательно соответствуют движению центра тяжести, тем более что движение центра тяжести само по себе очень сложное даже при обычном перемещении на поверхности Земли в условиях отсутствия ускорений Кориолиса.

Наконец, остается рассмотреть так называемые прецессионные угловые ускорения3, которые представляют собой необычный вид раздражителя полукружных каналов.

3 Термин предложен Саркисовым и Шиповым для обозначения добавочного углового ускорения, возникающего при одновременном вращении вокруг двух осей и более. Аналогичные термины, применяемые американскими авторами,– «угловые ускорения Кориолиса» или «взаимноперекрестные угловые ускорения» (прим. ред.).

В случае, если прецессионные угловые ускорения превышают порог, возникают рефлекторные вестибулярные реакции с последующим развитием болезни движения.

Рис. 2. Реактивные кориолисовы силы, влияющие на точечную массу, движущуюся в условиях вращения

Величина силы в кг = земной вес ∙ единицы G

Следовательно, эти ускорения имеют важное практическое значение для условий воздействия вращательных сил. Прецессионные угловые ускорения в чистом виде независимы от радиуса вращения и соответственно от уровня перегрузки при различных скоростях вращения комнаты.

Похожие статьи:

  1. Математический анализ прецессионных угловых ускорений Стоун и Летко вывели уравнения, описывающие эффекты углового ускорения и...
  2. Особенности реакций человека, находящегося в свободной позе, на кратковременные ударные ускорения различного направления А. Ф. Коваленко, И. С. Васильев, Р. К. Кузмицкий, Л....
  3. Направление перегрузки, вектор перегрузки, терминалогия перегрузок А. В. Иванов, И. А. Цветков Практика авиации, поставив человека...

автор admin \\ теги: , , , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.