1. Классификация физических величин.

Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство — философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность сдругими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство — категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина — это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Величины разделяются на два вида: реальные и идеальные (рис. 1.1).

Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятии. Они вычисляются тем или иным способом.

Реальные величины в свою очередь делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.п.

Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физическую величину, как одно ил свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном -индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины — это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

 Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оценизанием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины -упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Следует отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.

Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать, выявить общие метрологические особенности их отдельных групп. Возможные классификации ФВ показаны на рис. 1.2.

По видам явлений они делятся на следующие группы:

• вещественные, т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются;

• энергетические, т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной  информации без использования вспомогательных источников энергии;

•  характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе относятся различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции и др.

По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее время в системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количества вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы. Подробно деление ФВ по этому признаку рассмотрено в гл. лекции 

По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные.

2. Статика. Кинематика. Динамика. Основные термины и определения.

Статика – раздел теоретической механики, в котором изучается равновесие материальных тел под действием приложенных сил. Уже в самом этом определении мы встречаемся с нетривиальными понятиями силы и равновесия. Поэтому начнем с анализа основных, наиболее фундаментальных понятий механики.

Равновесие тела – состояние, в котором все его точки находятся в покое относительно выбранной системы отсчета. Понятие равновесия тела обладает весьма высокой степенью общности, но все-таки не является фундаментальным. Мы только что видели, что оно сводится к понятиям покоя и системы отсчета. Займемся этими понятиями. Они тоже не являются фундаментальными (т.е. первичными) понятиями механики. Фундаментальные понятия механики мы сейчас перечислим.

Фундаментальные (неопределяемые) понятия механики: пространство, время, тело, масса, сила.

Эти понятия не могут быть выражены через какие-то другие. Смысл их выражается через аксиомы, характеризующие их свойства и отношения друг к другу. Аксиомы, как Вы знаете, являются исходными положениями теории; их истинность постулируется, а не доказывается средствами логического вывода. Для того, чтобы дать определение системы отсчета, введем предварительно такое определение. Геометрическая твердая среда – совокупность точек, расстояния между которыми остаются неизменными; заполняет все пространство.

 Это, разумеется, чисто умозрительная конструкция. Однако и многие другие понятия в науке, если вдуматься, таковы. Они представляют собой идеализацию реальных объектов и явлений, иногда заходящую весьма далеко. Важно только, чтобы такая идеализация была плодотворной.

Если все же требуется наглядно представить себе геометрическую твердую среду, то можно вообразить, скажем, прозрачный блок льда. Представим – мыс- ленно – что этот блок становится все больше и больше, пока не заполнит все пространство. При этом мы предполагаем, что он абсолютно проницаем для других тел, которые движутся внутри него как в пустоте.

 Можно прийти к понятию геометрической твердой среды и иначе. Заметим, что ее определение очень похоже на определение абсолютно твердого тела; только добавляется требование, чтобы она заполняла собой все пространство. Отсюда вытекает такая интерпретация понятия геометрической твердой среды. Пример. Рассмотрим выпуклое АТТ, и пусть O – внутренняя точка тела. Рассмотрим всевозможные отрезки, соединяющие точку O с границей тела. Тогда объединение всех отрезков совпадает с множеством точек тела.

 Объединение трактуется как в математике: точка принадлежит объединению отрезков, если она принадлежит хотя бы одному из них. При этом каждая точка тела (кроме, разумеется, самой точки O) принадлежит ровно одному отрезку.

 Если тело движется, то и отрезки движутся вместе с ним. Выпуклость тела большой роли в нашем примере не играет. Она предполагается, чтобы сделать формулировки более краткими (ведь если тело не является выпуклым, то может случиться так, что не всякая точка наших отрезков будет принадлежать телу). Продолжим теперь каждый отрезок до бесконечности: получим луч. Объединение всех лучей даст геометрическую твердую среду, жестко связанную с данным АТТ.

 На самом деле эта конструкция является универсальной. В принципе вся- кую геометрическую твердую среду можно считать жестко связанной с некоторым абсолютно твердым телом (реальным или воображаемым). Наглядно можно представить себе, что данное твердое тело намертво вмер- зло в эту среду и движется вместе с ней. Можно сказать и так:

 Геометрическая твердая среда – это абсолютно твердое тело (реальное или воображаемое), от размеров и формы которого мы абстрагируемся. Теперь – о системах отсчета. Система отсчета (СО) – произвольная геометрическая твердая среда, по отношению к которой рассматривается движение точек и тел.

 С учетом того, что мы знаем уже о геометрических твердых средах, можно считать, что всякая система отсчета связана с каким-либо твердым телом (реальным или воображаемым); такое тело обычно называют отсчетным телом.

 Во многих задачах достаточно ограничиться введением только одной системы отсчета. Тогда под словами “точка движется” подразумевают, что ее положение относительно данной системы отсчета изменяется с течением времени. Если же ее положение относительно данной системы отсчета не меняется, то говорят просто: “точка покоится”.

 Само отсчетное тело и связанная с ним система отсчета предполагаются в этих рассуждениях неподвижными. Разумеется, отсчетное тело может совершать движение относительно какой-нибудь другой системы отсчета, но об этом сейчас речь не идет.

 Чтобы упростить нашу терминологию, примем следующее соглашение. Соглашение. Зафиксируем некоторую СО, которую будем называть условно неподвижной (у.н.СО). Будем говорить, что точка движется (или находится в покое), если она с течением времени из- меняет (не изменяет) свое положение относительно у.н.СО. Разумеется, тело мы называем покоящимся, если находятся в покое все его точки.

 Словом “условно” как раз и выражают тот факт, что данная система отсчета полагается неподвижной именно в данной конкретной задаче, т.е. в рамках данного соглашения. В большинстве задач механики считают, что у.н.СО связана с Землей.

 Речь идет о задачах, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни. Но не всегда такой выбор условно неподвижной системы отсчета разу- мен. Например, при изучении движения планет или межпланетных зондов условно неподвижную систему отсчета связывают с неподвижными звездами.

 Следует особо подчеркнуть, что бессмысленно говорить о движении, если не указано, по отношению к какой системе отсчета оно рассматривается. Вот пример: пусть человек стоит на железнодорожной платформе. Мы можем систему отсчета связать с платформой, а можем – с проходящим мимо нее поездом. Относительно первой системы отсчета человек покоится, относительно второй – движется. Неподвижная система координат – система декартовых координат, связанная с у.н.СО.

Можно было бы сказать “условно неподвижная”; однако это не обязательно, поскольку мы уже сделали эту оговорку относительно самой системы отсчета.

 Здесь изображена некоторая точка M, положение которой задается радиус- вектором r---- относительно начала неподвижной системы координат. Если точка движется, то ее радиус-вектор меняется; если она находится в покое, то он остается постоянным.

 Штриховкой в механике помечают неподвижные объекты; значит, на рисунке показано, что оси системы координат неподвижны.

 Назначение системы координат – в том, что с ее помощью можно перейти от векторной записи формул к скалярной. Например, положение нашей точки M можно охарактеризовать тремя ее координатами xM, yM, zM (которые, разумеется, будут одновременно являться проекциями ее радиус-вектора на оси x, y, z).

 Теперь с понятием равновесия мы вполне разобрались. Вернемся к тому перечню фундаментальных понятий, который мы уже приводили. Напомню этот перечень: пространство, время, тело, масса, сила. Сейчас мы ограничимся лишь краткой характеристикой этих понятий. Во- обще же, мы не раз на протяжении всего курса будем обращаться к тем или иным свойствам основных понятий механики. Пространство в классической механике – трeхмерно и евклидово.

 Последнее означает, что пространство удовлетворяет всем аксиомам евклидовой геометрии. Из этого вытекают два следующих положения, имеющие особенно большое значение для механики.

 Следствие. Пространство обладает свойствами:

1) однородности (все точки его равноправны);

2) изотропности (все направления в нем равноправны). Эти хорошо известные свойства евклидова пространства находят многообразные применения в механике.

 Например, если бы мы переместили все тела механической системы в ка- кую-либо другую область пространства, то ход механических процессов остался бы тем же самым. Надо оговорить при этом, что если на течение данных процессов влияют какие-либо внешние факторы, то и они должны быть воспроизведены в новой ситуации.

 Заметим, впрочем, что с понятием пространства мы – как правило – на- прямую работать не будем: все рассмотрения будут вестись в выбранной системе отсчета. Однако перечисленные только что характерные свойства пространства можно считать также и характерными свойствами системы отсчета. В динамике, правда, мы увидим, что в полной мере эти свойства справедливы только для так называемых инерциальных систем отсчета.

 Теперь – о времени. В математическом плане это – тоже евклидово пространство, только одномерное. А в качестве его основных свойств мы отметим та- кие:

 Время в классической механике:

1) абсолютно (имеет одинаковый смысл во всех СО);

2) однородно (все моменты времени равноправны);

3) анизотропно (моменты времени упорядочены).

Из этого списка свойств видно, что не только размерностью время отличается от пространства. Например, для всякого конкретного события можно однозначно сказать, когда оно произошло; но говорить о том, что некоторая точка покоится (т.е. в разные моменты времени занимает одно и то же положение), бессмысленно, если не указана определенная система отсчета. Анизотропность же времени означает, что в нем имеется привилегированное направление: от прошлого к будущему. Есть немало механических явлений (на- пример, движение тела в сопротивляющейся среде), протекание которых носит существенно необратимый характер. Таким образом, понятия “до” и “после” по отношению к моментам времени имеют вполне определенный характер. Впрочем, в статике время если и упоминается, то только в связи с определением состояния покоя.

 Вот о телах мы будем говорить постоянно. Заметим, что в механике рассматриваются не просто тела (которые изучают в геометрии), а материальные тела. Запишем, что понимается под понятием “материальное тело”.

Кинематикой называют раздел механики, в котором движение тел рассматривается без выяснения причин, его вызывающих.

Механическим движением тела называют изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Механическое движение относительно. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным. Для описания движения тела нужно указать, по отношению к какому телу рассматривается движение. Это тело называют телом отсчета.

Система координат, связанная с телом отсчета, и часы для отсчета времени образуют систему отсчета, позволяющую определять положение движущегося тела в любой момент времени.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу длины принят метр, а за единицу времени – секунда.

Всякое тело имеет определенные размеры. Различные части тела находятся в разных местах пространства. Однако, во многих задачах механики нет необходимости указывать положения отдельных частей тела. Если размеры тела малы по сравнению с расстояниями до других тел, то данное тело можно считать его материальной точкой. Так можно поступать, например, при изучении движения планет вокруг Солнца.

Если все части тела движутся одинаково, то такое движение называется поступательным. Поступательно движутся, например, кабины в аттракционе «Колесо обозрения», автомобиль на прямолинейном участке пути и т. д. При поступательном движении тела его также можно рассматривать как материальную точку.

Тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь, называется материальной точкой.

Понятие материальной точки играет важную роль в механике.

Перемещаясь с течением времени из одной точки в другую, тело (материальная точка) описывает некоторую линию, которую называют траекторией движения тела.

Положение материальной точки в пространстве в любой момент времени (закон движения) можно определять либо с помощью зависимости координат от времени x = x (t), y = y (t), z = z (t) (координатный способ), либо при помощи зависимости от времени радиус-вектора (векторный способ), проведенного из начала координат до данной точки.

Рисунок 1.1.1.

Определение положения точки с помощью координат x = x (t), y = y (t) и z = z (t) и радиус-вектора . – радиус-вектор положения точки в начальный момент времени

Перемещением тела называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением. Перемещение есть векторная величина.

Пройденный путь l равен длине дуги траектории, пройденной телом за некоторое время t. Путь – скалярная величина.

Если движение тела рассматривать в течение достаточно короткого промежутка времени, то вектор перемещения окажется направленным по касательной к траектории в данной точке, а его длина будет равна пройденному пути.

В случае достаточно малого промежутка времени Δt пройденный телом путь Δl почти совпадает с модулем вектора перемещения При движении тела по криволинейной траектории модуль вектора перемещения всегда меньше пройденного пути (рис. 1.1.2).

Рисунок 1.1.2. Пройденный путь l и вектор перемещения при криволинейном движении тела. a и b – начальная и конечная точки пути

Для характеристики движения вводится понятие средней скорости:

В физике наибольший интерес представляет не средняя, а мгновенная скорость, которая определяется как предел, к которому стремится средняя скорость на бесконечно малом промежутке времени Δt:

В математике такой предел называют производной и обозначают или

Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке. Различие между средней и мгновенной скоростями показано на рис. 1.1.3.

Рисунок 1.1.3. Средняя и мгновенная скорости. , , – перемещения за времена соответственно. При t → 0

При движении тела по криволинейной траектории его скорость изменяется по модулю и направлению. Изменение вектора скорости за некоторый малый промежуток времени Δt можно задать с помощью вектора (рис. 1.1.4).

Вектор изменения скорости за малое время Δt можно разложить на две составляющие: направленную вдоль вектора (касательная составляющая), и направленную перпендикулярно вектору (нормальная составляющая).

Рисунок 1.1.4. Изменение вектора скорости по величине и направлению. – изменение вектора скорости за время

Мгновенным ускорением (или просто ускорением) тела называют предел отношения малого изменения скорости к малому промежутку времени Δt, в течение которого происходило изменение скорости:

Направление вектора ускорения в случае криволинейного движения не совпадает с направлением вектора скорости Составляющие вектора ускорения называют касательным (тангенциальным) и нормальным ускорениями (рис. 1.1.5).

Рисунок 1.1.5. Касательное и нормальное ускорения

Касательное ускорение указывает, насколько быстро изменяется скорость тела по модулю:

Вектор направлен по касательной к траектории.

Нормальное ускорение указывает, насколько быстро скорость тела изменяется по направлению.

Криволинейное движение можно представить как движение по дугам окружностей (рис. 1.1.6).

Рисунок 1.1.6. Движение по дугам окружностей

Нормальное ускорение зависит от модуля скорости υ и от радиуса R окружности, по дуге которой тело движется в данный момент:

Вектор всегда направлен к центру окружности (см. §1.6).

Из рис. 1.1.5 видно, что модуль полного ускорения равен

Таким образом, основными физическими величинами в кинематике материальной точки являются пройденный путь l, перемещение , скорость и ускорение . Путь l является скалярной величиной. Перемещение , скорость и ускорение – величины векторные. Чтобы задать векторную величину, нужно задать ее модуль и указать направление. Векторные величины подчиняются определенным математическим правилам. Вектора можно проектировать на координатные оси, их можно складывать, вычитать и т. д.

Модель. Вектор и его проекции на координатные оси

Модель. Сложение и вычитание векторов

Динамика – это раздел механики, в котором изучают движение тел под действием приложенных к ним сил.

В биомеханике также рассматривают взаимодействие между телом человека и внешним окружением, между звеньями тела, между двумя людьми (например, в единоборствах). В результате возникают силы, которые и являются количественной мерой этих взаимодействий.

При изучении величин, которые характеризуются не только величиной, но и направлением (например, скорость, ускорение, сила и т. п.) применяют их векторное изображение.

Вектор – направленный прямолинейный отрезок (стрелка) рис. 1.

Два вектора считаются равными лишь в том случае, если у них одинаковы и длины и направления (то есть они параллельны и ориентированы в одну сторону). С изменением ориентации меняется знак вектора ( на рис.1 b = а; с = - а).

Правила векторной алгебры отражают физические свойства векторных величин. Так в соответствии с тем, что равнодействующая двух сил находится по правилу параллелограмма, суммой двух векторов (a и b), определяется новый вектор (с = а + b), изображаемый диагональю параллелограмма, стороны которого – векторы-слагаемые, рис. 2.

Вычитание определяется как действие, обратное сложению. Кроме вектора в биомеханике используется ещё и термин, носящий название «скаляр» (скалярные величины).

Скаляр – величина, каждое значение которой ( в отличие от вектора) может быть выражено одним числом, вследствие чего совокупность значений можно изобразить на линейной шкале (скале – отсюда и название). Скалярными величинами являются: длина, площадь, температура и т. д.

Скалярным произведением (а۰b) двух векторов (а и b) называется число (скаляр), равное произведению длин этих векторов, на косинус угла, образованных их направлениями, то есть |а| ۰ |b| ۰ cos φ, см. рис. 3.

Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линия действия силы. Сила полностью определена, если заданы её величина, направление и точка приложения. Если на элементы биомеханической системы тела человека действует несколько сил (F1, F2, ...Fn), то их можно заменить одной силой, равной их векторной сумме: FR = Σ Fi. Такая сила называется равнодействующей.

Например, на прыгуна в длину действует сила тяжести (mg) и сила сопротивления воздуха (Fс), рис. 4. Ускорение (отрицательное) создаёт их равнодействующая сила (Fр).

Движения биомеханической системы тела человека подчиняются механике Ньютона. Следовательно, три основных закона этой механики определяют характер движения, так как несмотря на биологическую природу энергообеспечения движения, тело является механической системой и подчиняется всем закономерностям, которые связаны с движением материальных объектов на Земле.

Первый закон Ньютона (закон инерции). Любое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешнее воздействие не изменит это состояние.

Прямолинейное равномерное движение материального тела называется инерциональным (или движением по инерции). Инерция – это свойство материального тела оказывать сопротивление изменению скорости его движения (как по величине, так и по направлению). Инертность – неотъемлемое свойство материи. Такое сопротивление возможно только потому, что тела обладают определённой массой, которую считают количественной мерой инертности.

Масса – количественная мера инертности тела. Единица измерения массы в СИ называется килограмм (кг).

Первый закон Ньютона – достаточно идеализированное представление о движении, поскольку тело может двигаться прямолинейно и равномерно только в отсутствии любых сил. В реальности на двигающееся тело всегда оказывают влияние различные силы (силы сопротивления воздуха, силы трения и др.), чьё воздействие приводит к тому, что движущееся тело в конце концов останавливается. Это не означает, что первый закон Ньютона неверен: просто движение, если действие сил не исключить, приводит к изменению состояния тела и, в частности, к его переходу в состояние покоя.

Векторная величина, равная произведению массы тела на ускорение и направленная в сторону, противоположную ускорению по величине или направлению данного тела под воздействием внешних сил, называется силой инерции: Fи = - m•aс.

Изменение скорости тела обусловлено воздействием на него других тел. Воздействие тем интенсивнее, чем больше созданное им ускорение. С другой стороны, у тела с большей массой ускорение меньше (то есть, его скорость изменить труднее). Поэтому измерять воздействие на тело со стороны всех других тел принято произведением массы тела на сообщённое ему ускорение. Эту меру воздействия называют силой.

Силой, действующей на тело со стороны других тел, называется векторная величина, равная произведению массы тела на его ускорение.

Единица измерения в СИ называется «ньютон» - Н.

Если формулу F = m • a преобразовать:

,

то получим второй закон Ньютона.

Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально действующей на него силе, обратно пропорционально массе тела и по направлению совпадает с направлением действия силы

Соотношение между равнодействующей всех внешних сил и ускорением, которое она сообщает ему, можно преобразовать к виду, который оказывается полезным при решении многих задач в биомеханике:

 

Выражение в левой части уравнения называется импульсом силы, в правой части уравнения – называется импульсом тела.

Импульсом тела или количеством движения (Р) называется произведение массы (m) на скорость движения тела (V):

, Размерность в СИ – кг•м/с

Импульсом силы называется произведение значения силы на промежуток времени, в течение которого она действовала на материальное тело.

На основе приведённых определений можно представить в следующей словесной формулировке: изменение количества движения материального тела равно импульсу силы:

Третий закон Ньютона. Силы, с которыми материальные тела действуют друг на друга, равны по величине, противоположны по направлению и направлены по прямой, проходящей через эти тела.

F1 = - F2

Этот закон показывает, что взаимодействие – это действие одного тела на второе и равное ему действие второго тела на первое. Следовательно, источником силы для первого тела является второе, и поскольку силы действия и противодействия приложены к разным телам, их нельзя складывать, а действующие силы – заменять равнодействующей.

Человек, совершая двигательные действия, участвует в сложном движении, которое состоит из более простых – поступательного и вращательного. Для каждого из них существуют отличающиеся друг от друга характеристики.

3. Деформация и напряжения, возникающие в конструкциях. Общие термины и определения.

Будем рассматривать внутренние силы и деформации, возникающие в элементах конструкций, схематизированных в форме бруса (вал двигателя, тяга управления, лонжерон), длина которых значительно превышает их поперечные размеры. Брус может быть  прямым (валы, оси, тяги, балки) или  кривым (крюк, пружина, звено цепи), иметь постоянное или переменное сечение. Например, подкос шасси самолета считают брусом постоянного сечения, лопатку компрессора ГТД, лопасть воздушного винта - брусом переменного сечения. Кроме стержней (брусьев), могут встречаться пластинки или оболочки, у которых только один размер (толщина) мал по сравнению с двумя другими, и массивные тела, у которых все три размера примерно одинаковы.

Выше отмечалось, что внешние силы, действующие на тело, вызывают в нем внутренние силы упругости. Эти внутренние силы стремятся уничтожить полученную телом деформацию. Обнаружить возникающие в нагруженном теле внутренние силы можно, применив метод сечений. Суть метода заключается в том, что внешние силы, приложенные к отсеченной части тела, уравновешиваются внутренними силами, возникающими в плоскости сечения - заменяющими действие отброшенной части тела на оставленную.

Находящийся в равновесии стержень (рис. 2.1) рассечем на две части. В сечении возникают внутренние силы упругости (рис. 2.1б), уравновешивающие внешние силы, приложенные к отсеченной части. Это позволяет применить к любой отсеченной части тела условия равновесия, дающие в общем случае пространственной системы сил шесть уравнений. В соответствии с правилами статики приведем внутренние силы к главному вектору и главному моменту. Разложим главный вектор  и главный момент внутренних сил на составляющие по осям координат (рис. 2.2), где

Рис. 2.1

 - продольная сила;   и - поперечные силы (срезающие или сдвигающие);  - крутящий момент; M_x  и M_y  - изгибающие моменты. 

 

В частных случаях отдельные силовые факторы могут быть равны нулю. Координатные оси будем направлять следующим образом: ось Z – вдоль оси стержня, а оси X и Y - вдоль главных центральных осей его поперечного сечения.

Внутренние силовые факторы, возникающие в поперечном сечении стер-жня, полностью определяют характер его деформации. Деформации отдельных элементов могут быть сложными, но любую деформацию всегда можно представить как сочетание нескольких простейших деформаций.

Известны следующие простейшие виды деформаций стержней:

- осевое растяжение и сжатие  - такой вид деформации, при котором в любом поперечном сечении стержня возникает только продольная сила -  (работа тросов, канатов, цепей, тяг управления самолетом, стоек шасси самолета, подкосов рамы двигателя, шатунов поршневых двигателей);

- сдвиг или  срез - такой вид деформации, при котором в любом поперечном сечении бруса возникает только поперечная сила -  (работа болтов подвижных соединений, цапф, пальцев сочленения, сварных швов, шпонок и др.);

- кручение  - такой вид деформации, при котором в любом поперечном сечении бруса возникает только крутящий момент -  (работа валов, крыла и фюзеляжа самолета, рулей и элеронов, работа стойки шасси);

- изгиб  чистый - такой вид деформации, при котором в любом поперечном сечении бруса возникает только изгибающий момент –M_х или M_y

Если в сечении стержня возникает еще и поперечная сила, то изгиб называют поперечным  (работа всякого рода балок, лонжеронов крыла, качалок управления самолетом, ручки управления самолетом, стойки шасси).

Рис. 2.2

Напряжения. Принято считать, что внутренние силы действуют непрерывно по всему сечению. Мерой их интенсивности является напряжение - величина внутренних сил, приходящихся на единицу площади сечения (рис. 2.3). Напряжение представляет собой отношение внутренней силы к некоторой площади и измеряется в единицах силы, отнесенных к единице площади: 1 H/м² = 1Па. В практических расчетах удобно измерять напряжения  в мегапаскалях (1МПа = 1Н/мм² = 10⁶ Па = 10⁶ Н/м²).

 Через одну и ту же точку тела можно провести бесчисленное множество сечений, разделяющих тело на две части. В общем случае напряжения по различным сечениям будут различны.

Напряжения в некоторой точке какого-либо сечения тела характеризуются числовым значением и направлением, т.е. напряжение представляет собой вектор, наклоненный под тем или иным углом к рассматриваемому сечению. Направление и числовая величина напряжения зависят от характера и величины внешних сил, приложенных к телу, от положения сечения в теле и положения точки в сечении.

 Пусть в некоторой точке К сечения тела по некоторой малой площадке  А действует сила  под некоторым углом к площадке (рис. 2.3).

                                                                                               Рис. 2.3

 Поделив эту силу на площадь ΔА, найдем возникающее в точке К напряжение

                                                 (2.1)

                                                        при   А  0

Разложим напряжение  на составляющие:  (сигма) – нормальное напряжение (по нормали к площадке  Δ А) и касательное напряжение - (тау).

Полное напряжение  и его составляющие   и    являются векторами. Рассматривая нормальное или касательное напряжения по какому-либо сечению, мы тем самым точно фиксируем их направление. Поэтому эти напряжения не принято обозначать как векторы. Нормальное напряжение возникает при сближении или отрыве частиц тела, а касательное при скольжении или сдвиге частиц.

При решении задач сопротивления материалов удобнее оперировать не с полным напряжением, а с его составляющими, среднюю величину которых при равномерном распределении нагрузки можно вычислить по формулам:

σ  =  и  =                        (2.2)                       

Полное напряжение      

                             (2.3)

 Напряжение, при котором происходит разрушение материала или возникают заметные пластические деформации, называют предельным, и обозначают  σ_пр,  τ_пр . Эти напряжения определяют опытным путем.

Во избежание разрушения элементов сооружений или машин, возникающие в них рабочие (расчетные) напряжения (σ, τ) не должны превышать так называемых  допускаемых  напряжений, которые обозначаются буквами  в квадратных скобках: [ σ ], [ τ ].

Допускаемые напряжения - это наибольшие напряжения, при которых обеспечивается надежная работа детали

[σ ] =  σ_пр  / [n],    [ τ ] = τ_пр  / [n],                       (2.4)

где [n] = 1,2 … 5 и более - коэффициент запаса прочности. Выбор допускаемых напряжений и запаса прочности детали производится с учетом характера действия нагрузок, механических свойств материала, назначения проектируемой конструкции, вида деформации детали, наличия или отсутствия концентрации напряжений, точности расчета и других факторов. Назначение недостаточного запаса может привести к разрушению детали, излишне большой запас приводит к перерасходу материала и утяжелению конструкции.

Опасным напряжением для пластичного материала будет предел текучести  σ_т   по которому и берется допускаемое напряжение, опасным же напряжением для хрупкого материала будет предел прочности  σ_В,  тогда 

[ σ ] =  σ_Т  / [n] и [σ ] = σ_в  / [n]                            (2.4)                             

Нагрузка, по которой следует производить расчет на прочность, должна быть больше эксплуатационной, чтобы обеспечить безопасность работы конструкии для этого вводится коэффициент безопасности f – число, показывающее во сколько раз разрушающая нагрузка F_р  будет больше эксплуатационной                                                                                             

 

4. Статистические методы обработки экспериментальных данных. Классификация погрешностей.

В традиционных статистических методах обработки данных в первую очередь определяют матожидание.

Далее вычисляют относительную погрешность: И дисперсию: Если в качестве результата принимают среднее значение, то его дисперсия

Идентификации формы закона распределения погрешностей.

Наиболее простой вариант - гистрограммы. Для их построения выделяют Xmin и Xmax, диапазон распределяют на m периодов протяженностью d. Определяют частоту попадания параметра в соответствующий столбец. Оптимальное число периодов m - находится в диапазоне            

Обработка результатов, содержащих грубые погрешности.

Аномальные результаты могут быть проявлением случайного характера погрешностей или особенностей измеряемой величины. Результаты таких измерений также следует сохранить для последующей обработки. На практике, при использовании сложной измерительной аппаратуры число аномальных результатов может достигать 10-15%.

Методы исключения грубых погрешностей.

Наиболее распространенный - метод цензурирования. Грубые границы оценки получают правилом трех СКО (3σ).

Для Гауссова закона распределения вероятность превышения этого уровня 0,0027. Превышающие такую погрешность результаты измерений исключают из дальнейшей обработки.

Обработка совместных измерений.

В ходе исследований - нахождение зависимости следующего вида Y = f (x). Это - функция, математическая модель. Из-за погрешностей измерений или неполноты модели точки Y_i и X_i имеют некоторый разброс. Точно определить математическую модель невозможно, поэтому ограничиваются нахождением ее оценки. Оценка должна удовлетворять двум требованиям: обеспечивать сглаживание случайных отклонений экспериментальных точек, отражать все особенности полученной зависимости.

Экспресс-методы определения графического вида математической модели

1. Оконтуривание. При значительных погрешностях используется метод контура. При этом проводят линии, ограничивающие поле экспериментальных точек сверху и снизу. График искомой математической модели строят как центральную линию полученного контура. При больших погрешностях и часто встречающихся промахах из-за возрастания неопределенности при построении контура данный метод малоэффективен. Используют метод 2.

2. Метод медианных центров.

Все поле экспериментальных точек делят на несколько областей. В каждой находят медианный центр. Для этого проводят горизонтальную линию, выше и ниже которой число точек одинаково, затем вертикальную линию, справа и слева от которой число точек одинаково. Медианные центры соединяют плавной кривой. Этот метод можно использовать для исключения промахов.

Вид полученной зависимости Y = f (x) выбирает экспериментатор на основе априорного анализа и в дальнейшем уточняет при анализе данных измерений. Модель должна быть содержательной, такой что входящим в нее коэффициентам можно было бы приписать определенный физический смысл.

Средства измерений, их основные элементы

Средства измерения - совокупность технических средств, используемых при различных измерениях и имеющих нормированные метрологические свойства, в частности по единицам и точности измерений, надежности и воспроизодимости результатов, а также требованиям к конструкциям и размерам.

Основными видами средств измерений являются меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки.

Измерительный прибор - это средство измерения, служащее для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия.

Измерительный преобразователь - средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи и дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не воспринимающегося непосредственно. Наибольшая часть преобразователей - это первичные преобразователи (датчики, сенсоры). Важнейшей характеристикой первичного преобразователя является функциональная зависимость между контролируемой величиной и выходным сигналом. Промежуточные преобразователи: усиливают, линеаризуют, интегрируют измерительную информацию. Передающие преобразователи: предназначены для дистанционной передачи сигнала.

Измерительные установки - это средства измерения, представляющие совокупность измерительных приборов, расположенных в одном месте и конструктивно связанных друг с другом (автомобильные, самолетные шкалы).

Вторичные измерительные устройства - это средства измерения, предназначенные для работы в комплекте с измерительными приборами.

Самопишущие приборы - автоматически регистрируют на бумажном или другом носителе информации изменения текущей величины от времени. К таким приборам относится, например, сейсмограф. 

Шкалы приборов

Шкалы делят на:

• прямолинейные

• дуговые

• круговые равномерные

• круговые неравномерные

• барабанные

Любая шкала имеет начало отсчета (наименьшее значение величины - нижний предел измерения прибора) и конец отсчета (верхний предел измерения); конца отсчета может и не быть.

Каждая шкала имеет характеристику

          q = f (φ) φ - угол поворота указателя; q - отсчет по шкале.

Для приборов с прямолинейным отсчетом:

       q₁ = f₁ (N) N - линейное смещение указателя.

Для дуговых и круговых шкал

          q₂ = φ·R_m Rm - радиус шкалы.

Деление - это промежуток между осями или центрами двух смежных отметок.

Образцовые меры - предназначены для градуировки и поверки рабочих мер.

Эталоны - служат для воспроизведения и хранения единиц измерения с наивысшей точностью, достигаемой при данном уровне науки и техники, а также для поверки мер приборов и преобразователей высшего разряда.

Поверка - это операция сравнения показаний средств измерения с образцовыми для определения их погрешности или поправок к показаниям.

Статические характеристики и чувствительность измерительных приборов.

Зависимость выходной величины от входной, выраженная аналитически или графическив установившихся режимах работы - это статическая характеристика измерительных приборов. 

x - значение измеряемой величины; f, N - координаты указателя.

Зависимость (*) - уравнение шкалы прибора или градуировочной характеристики преобразователя.

Для статической характеристики при линейной градуировке: Y₀ = k·X₀

При нелинейной градуировке может проявляться гистерезис, порог чувствительности прибора и явления насыщения.

Рылейная характеристика определяет выходную зависимость, определяемую скачком. k - это чувствительность прибора. Для линейной характеристики:

     

Если характеристика нелинейная, то чувствительность определяется дифференцированием выходной величины по входной.           S = dY/dX

Величина, обратная чувствительности прибора - цена деления.

Порог чувствительности - наименьшее изменение значения измеряемой величины, способные вызвать малейшее изменение показания прибора.

Динамические характеристики измерительных приборов.

Измерительные приборы, с помощью которых оценивают временное изменение величины, практически не могут без запаздывания следить за изменениями. Величина запаздывания зависит от принципа действия и конструкции прибора. Зависимость показания прибора от изменения величины - динамическая характеристика прибора.

Графическое изменение выходной величины при скачкообразном изменении входной представляет собой переходной процесс.

Динамическая погрешность - это разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины в данный момент времени.

          Δд = Xд - X  Xд - показания прибора; X - истинное значение входной величины; τнр - время начала реагирования (время от момента изменения значения измеряемой величины на входе прибора до момента начала изменения показаний; Т - время переходного процесса (время, в течение которого показания после изменения измеряемой величины входят в 5% зону; Тр - полное время установления показаний.

5. Использование современных компьютерных технологий. Алгоритмы и математическое моделирование.

6. Экологические проблемы хозяйственной деятельности.

Эколо́гия (от греч. οικος — дом, хозяйство, обиталище и λόγος — учение) — наука, изучающая взаимоотношения живой и неживой природы. Термин впервые предложил в книге «Общая морфология организмов» («Generalle Morphologie der Organismen») в 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель. Экология — это наука, изучающая взаимоотношения между человеком, растительным и животным миром и окружающей средой, в том числе влияние деятельности человека на окружающую среду и живую природу. Сельское хозяйство — отрасль хозяйства, направленная на обеспечение населения продовольствием (пищей, едой) и получение сырья для ряда отраслей промышленности. Отрасль является одной из важнейших, представленной практически во всех странах. В мировом сельском хозяйстве занято около 1,1 млрд экономически активного населения (ЭАН). Экологические проблемы сельского хозяйства Сельское хозяйство создаёт большее воздействие на природную среду, чем любая другая отрасль народного хозяйства. Причина этого в том, что сельское хозяйство требует огромных площадей. В результате меняются ландшафты целых континентов. На Великой Китайской равнине рос субтропический лес, переходя на севере в уссурийскую тайгу, а на юге в джунгли Индокитая. В Европе агроландшафт вытеснил широколиственные леса, на Украине поля заменили степи. Сельскохозяйственные ландшафты оказались неустойчивы, что привело к ряду локальных и региональных экологических катастроф. Так неправильная мелиорация стала причиной засоления почв и потери большей части возделываемых земель Междуречья, глубокая распашка привела к пыльным бурям в Казахстане и Америке, перевыпас скота и земледелие к опустыниванию в зоне Сахель в Африке. Сильнее всего на природную среду воздействует земледелие. Его факторы воздействия таковы:

• сведение природной растительности на сельхозугодья, распашка земель;

• обработка (рыхление) почвы, особенно с применением отвального плуга;

• применение минеральных удобрений и ядохимикатов;

• мелиорация земель.

И сильнее всего воздействие на сами почвы:

• разрушение почвенных экосистем;

• потеря гумуса;

• разрушение структуры и уплотнение почвы;

• водяная и ветровая эрозия почв;

Существуют определённые способы и технологии ведения сельского хозяйства, которые смягчают или полностью устраняют негативные факторы, например, технологии точного земледелия. Животноводство влияет на природу меньше. Его факторы воздействия таковы:

• перевыпас -то есть выпас скота в количествах превышающих способности пастбищ к восстановлению;

• непереработанные отходы животноводческих комплексов.

К общим нарушениям, вызываемым сельскохозяйственной деятельностью можно отнести:

• загрязнение поверхностных вод (рек, озёр, морей) и деградация водных экосистем при эвтрофикации; загрязнение грунтовых вод;

• сведение лесов и деградация лесных экосистем (обезлесивание);

• нарушение водного режима на значительных территориях (при осушении или орошении);

• опустынивание в результате комплексного нарушения почв и растительного покрова;

• уничтожение природных мест обитаний многих видов живых организмов и как следствие вымирание и исчезновение редких и прочих видов.

Во второй половине XX века стала актуальна ещё одна проблема: уменьшение в продукции растениеводства содержания витаминов и микроэлементов и накопление в продукции как растениеводства, так и животноводства вредных веществ (нитратов, пестицидов, гормонов, антибиотиков и т. п.). Причина − деградация почв, что ведёт к снижению уровня микроэлементов и интенсификация производства, особенно в животноводстве. Хозяйственная деятельность предприятий разных отраслей экономики и разных форм собственности сопряжена с разными видами рисков. Среди таких фундаментальных сдвигов второй половины минувшего столетия следует назвать резкое возрастание роли экологических факторов в экономической жизни общества. Причиной указанного возрастания явилось быстрое и в значительной мере неконтролируемое развитие науки, техники и производительных сил, которое, в свою очередь, привело к неуклонно растущей техногенной нагрузке на окружающую природную среду, нарушению сохранявшегося на протяжении всей предыдущей истории человечества равновесия в биосфере планеты, истощению многих видов природных ресурсов и загрязнению среды обитания человека. Формы проявления негативного действия экологического фактора на микроэкономическом уровне в основном сводятся к разным осложнениям для деятельности фирм (предприятий) как основных субъектов хозяйственной деятельности; среди них: повышение издержек производства, обострение проблемы реализации экологически небезопасных товаров и услуг, появление угроз для физической безопасности рабочих и служащих предприятий (угрозы для здоровья и жизни), обесценение основных фондов и опасность их полного разрушения, финансовые потери в связи с возмещением экологических ущербов обществу и т.д. На макроэкономическом уровне негативное воздействие экологического фактора проявляется в замедлении темпов экономического развития (выражаемых в динамике такого традиционного показателя, как валовой внутренний продукт - ВВП), снижении международной конкурентоспособности отдельных отраслей национальной экономики, росте безработицы и т.д. Чрезмерная химизация сельского хозяйства. В течение нескольких десятилетий химические способы защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей признавались наиболее перспективными методами повышения продуктивности сельскохозяйственного производства. В нашей с гране до последнего времени это представление служило "обоснованием" для выделения значительных средств па производство пестицидов в ущерб развитию альтернативных, экологически чистых технологий ведения сельского хозяйства. Меры борьбы: разработка системы стимулирования хозяйственной деятельности и установ-ление пределов ответственности за ее экологические результаты, при которых биосфера воспринимается уже не толь-ко как поставщик ресурсов, а как фун-дамент жизни, сохранение которого должно быть непременным условием функ-ционирования социально-экономичес-кой системы и ее отдельных элементов;

7. Природные ресурсы и принципы рационального природопользования.

Современные научные основы и принципы рационального природопользования должны базироваться на методологических принципах современной ресурсологии, коротко упомянутых в разд 4 Рассмотрим их подробнее

1 неисчерпаемых ресурсов не существует На планете Земля по отношению к человеческой деятельности действует непреложный закон исчерпаемости всех природных ресурсов Даже источники космической энергии - солнечное излучение я и гравитационная (приливная) энергия могут оказаться ограниченными во времени из-за изменения их качества на Земле под воздействием антропогенных дидій.

2 Полнота природных ресурсов зависит от уровня их восстанавливаемости Объем изъятия ресурсов, что превышает возможности их естественного восстановления, по сути переводит ресурсы в категорию невозобновляемых ниих.

Превышение изъятия над восстановлением, даже временное, опасно не столько сокращением запасов ресурсов, сколько нарушением природных регуляторных механизмов восстановления

3 Никакие исследовательская или хозяйственная деятельность не может квалифицироваться как воспроизводство ресурсов Как правило, речь идет лишь о расширении фронта эксплуатации ресурсов В лучшем и отдельном случае народ дина может частично восстановить ранее возбужденное ею способность естественных механизмов к восстановлению ресурсесів.

4 Масштабная эксплуатация ресурсов, особенно ископаемых энергоносителей и руд, не восстанавливаются, в масштабах эволюции биосферы на Земле может сохраняться лишь относительно короткое время, ограниченное глобальной эк кологичною кризисом уже йде.

5 дармовой, бесплатных природных ресурсов не бывает Каждый из них - не только вода, почва, биоресурсы суши и вод, но и солнечная энергия, сумма температур, количества осадков, кислород атмосферы, озоновый экран, ассимилирующий потенциал экосистем, продукционный потенциал биоты и др. - имеет абсолютную стоимость, определенную вкладом в поддержание существования и в продукцию биосферы, а следовательно, благополучие людей в этом в значении все природные ресурсы уровне и должны быть включены в систему платностиості.

6 Закона природы исключают право собственности на ресурсы экосферы Ресурсы, которыми пользуется вид Ното баре и которые возобновляются, не должны принадлежать отдельным людям, группам людей или государствам Они принадлежали ать всему человечеству в целом, включая все будущие поколения людей Поэтому устанавливаемая человеческими законами собственность на природные ресурсы всегда относительна и никогда не может быть полной Право собственности на природные ресурсы, которое наносит вред природе и через нее человеку, должно быть выключенючено.

7 Любой восстановительный ресурс, используемый человеком, должен быть воспроизведен, восстановлен как в количественном, так и в качественном отношении Расчеты на естественное восстановление в условиях нарушения я среда регулирующей функции биосферы в большинстве случаев не оправдываются Поэтому огромный долг человечества по восстановлению природных ресурсов, быстро растет, - не философская абстракция, а реальные во, имеющая конкретный стоимостное выражение и очень высокую процентную ставкувку.

8 Принцип трансформации ресурсного капитала: капитал, заключенный в невозобновляемые ресурсы при их освоения и эксплуатации, должен трансформироваться в равновеликий финансовый или иной капитал, на алежить государству и направляемый на воспроизводство возобновляемых природных ресурсов Это в свою очередь требует создания мирового и национального рынка природных ресурсов, который должен находиться под контр Олен государствви.

Указанные принципы современного рационального природопользования выделились еще на основе трудов В В Докучаева, В I Вернадского и других выдающихся ученых-естествоиспытателей Основные их положения заключаются в насту упномпному.

1) Решение экологических проблем невозможно без установления оптимальных норм природопользования, способствующих улучшению состояния природных богатств, непрерывном и эффективном их использованию, а и акож максимальному удовлетворению потребностей народного хозяйства в различных ресурсах Хозяйственная деятельность должна строго учитывать состояние природных ресурсов и условия среды, что является пер шим принципом природопользования Недооценка этого положения при организации практической деятельности часто приводит к негативным последствиямів.

2) В связи с тем, что в среде существуют закономерные связи и взаимозависимости, среда, конечно, оказывает влияние на живые организмы, особенности его действия, в свою очередь, отражаются на направлениях хозяйственной деятельности Основные положения этого принципа были изложены еще в учении академика В I Вернадского о биосфере: \"Человечество как живое вещество неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки земли - с ее биосферой Оно не может физически быть от нее независимым \", человек от нее\" стихийно неотделима;стихійно невіддільна".

3) Суть третьего положения заключается в исторически сложившейся зональности природных условий и ресурсов Этот принцип базируется на учениях о зонах природы, где обосновывается закономерная связь между различными явлениями природы (биотическими и абиотическими), а также их зональное распределение по поверхности Земли Там же установлено и научно доказано зависимость размещения природных зон от климата, значение климата дл я развития хозяйственной деятельности и необходимость региональных систем хозяйства для отраслей, использующих природные ресурсси.

4) Четвертое положение вытекает из работ В В Докучаева, где подчеркнуто, что познание особенностей каждой природной зоны должно строиться на всестороннем изучении участков нетронутой природы, сохранившихся ь, с которыми надо сопоставлять результаты изменений, обусловленных хозяйственной деятельностью человека на используемых угодьяях

Таким образом, решение проблемы оптимизации взаимодействия общества и природы как основы рационального природопользования должно базироваться на глубоком комплексном изучении как заповедных Территориального них комплексов, так и нарушенных хозяйственной деятельностью территорий, в выявлении антропогенных изменений под влиянием социально-экономических факторов исследовании состава, структуры, закономерностей функционува ния, развития и размещения природных экосистем разных уровня.

Главной целью таких комплексных эколого-экономических исследований должно быть наиболее эффективное с народнохозяйственной и природоохранной точки зрения функциональное зонирование территории страны, ее област тей и крупных промышленных комплексов с учетом региональных систем ведения хозяйства и обоснованных природоохранных мероприятий Зонирование территории обеспечит рациональное размещение населенных пу нктив, промышленных центров, сельскохозяйственных и лесохозяйственных предприятий, оптимальное решение транспортной проблемы, водоснабжения, энергоснабжения, рациональное природопользованиея.

Решение проблем рационального природопользования можно осуществить путем:

o глубокого и всестороннего изучения условий использования всего комплекса природных ресурсов;

o обоснованием оптимальных норм пользования;

o эффективного территориального размещения отраслей производства, определение целесообразных территориальных пропорций развития народного хозяйства;

o разработки региональных систем хозяйства;

o разработка научной эколого-экономической оценки природных ресурсов;

o составление схемы природоохранного районирования территории страны;

o прогнозирования и целесообразной оценки последствий хозяйственной деятельности человека

Для решения этих проблем составляют научные прогнозы возможных последствий хозяйственной деятельности и разрабатывают мероприятия по максимальному сокращению вредного ДИИ человека на природу, а также вдосконалюют во планирования развития народного хозяйства с учетом экологических факторе.

Производство должно теперь рассматриваться в органической связи с экологическими закономерностями, поскольку в случае современных его масштабов природа сама не сможет восстанавливать экологическое равновесие Большое зна ачення имеет визначенння не только економничнои ефективностни общественного производства, но и его социальной эффективности.

Так например, в условиях современности организация отдыха населения в рекреационных зонах природных парков сочетается с сохранением ценных природных экосистем и пропагандой природоохранных идей пер Ведущие ученые-экологи мира (Ю Одум, Б Коммонер, М Ф Реймерс и др.) считают, что для оптимальных условий жизни человека нужно не менее третьей части среды сохранить в виде нетронутых е косистем - заповедников, заказников, национальных парков, зеленых зон Природа для общества имеет огромное оздоровительное, эстетическое и воспитательное значение Учет этих многогранных функций природной среды месторождения и разработка научных основ природопользования особенно актуальны в современную эпоху научно-технической и информационной революцийеволюцій.

Исследованиями установлено, что оптимальные нормы природопользования не приводят к нарушению экологического равновесия, тогда как чрезмерное, истощая пользование природными ресурсами неизбежно приводит к разрушению производительных сил, упадка народов и гибели держа.

Изменение економничних и социальных условий, влияя на характер трудовых отношений и процессов, неизбежно обусловливает и характер воздействия человека на природную среду Одним из крупных недостатков хозяйственной деятельно ность-не является неумение и нежелание людей, занятых производством, предусмотреть отдаленные последствия их влияния на природу Особенно большой вред наносит природе неконтролируемый, стихийное развитие промисловос те и непого-Дженни действий пользователей природными ресурсамми.

Учитывая, что природопользования выступает как важный элемент воспроизводства природы, необходимо разработать и соответствующий экономический механизм, который обеспечит его функционирования Прежде всего - это ро озробка социально-экономических критериив (показателей) качества окружающей среды Использование затрат труда на восстановление и улучшение природной среды является необходимым условием ускорения господа рского развития и улучшения жизненных условий общества Это позволит дать объективную оценку природохоронних мероприятий Например, можно использовать такие показатели, как степень чистоты пресных вод, чистоты мирового океана и воздушного бассейна, сохранение лесных богатств, сохранения различных форм животного, растительного мирвіту.

Расходы на охрану природной среды от загрязнения в условиях правильной оценки их эффективности способствуют не ухудшение, а улучшению таких показателей экономического развития, как национальный доход к и темпы экономического роста Воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов не может быть убыточным Оно всегда прибыльное, если учитывать не настоящем выгоды, а перенести взгляд на е ддалену перспективву.

8. Классификация производств, в большей степени загрязняющих окружающую среду. Примеры. Особенности воздействия.

Источники загрязнения атмосферы подразделяются на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). Естественные (извержения вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары) мало влияют на общий уровень загрязнения. Наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются антропогенные. Мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу более 15 млрд т СО₂, 200 млн т СО, более 500 млн т углеводородов, 120 млн т золы, более 160 млн т оксидов серы и 110 млн т оксидов азота и др. Общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу составляет, по некоторым данным, более 19 млрд т.

Вещества, загрязняющие атмосферу, могут быть твердыми, жидкими и газообразными и оказывать вредное воздействие непосредственно после химических превращений в атмосфере либо совместно с другими веществами. Из всей массы загрязняющих веществ, которые поступают в атмосферу от антропогенных источников, 90% составляют газообразные вещества (оксиды серы, азота, углерода, тяжелых и радиоактивных металлов и др.), 10% — твердые и жидкие вещества.

Тепловые электростанции и теплоцентрали, сжигающие органическое ископаемое топливо, относятся к наиболее мощным источникам выбросов вредных веществ в атмосферу. Согласно данным Минприроды РФ, в 1995 г. общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу ТЭС составил 4474 тыс. т (твердых веществ - 1349 тыс. т, диоксида серы — 1913,5 тыс. т, оксидов азота — 1045 тыс. т, оксида углерода — 124 тыс. т), или 89% общего выброса по энергетической промышленности.

Автомобильный транспорт выделяет 60% газообразных загрязнителей воздуха. В состав выхлопных газов карбюраторных и дизельных двигателей входит до 200 химических соединений, из которых наиболее токсичны РЬ, СО_х, NOx, С_хН_у, бензапирен. В выхлопных газах содержится большое количество углеводородов, их доля резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости при старте.

Крайне опасной частью выхлопных газов являются соединения свинца, образующиеся при сгорании в двигателе автомобиля тетраэтилсвинца РЬ(С₂Н₅)₄, добавляемого к бензину для повышения октанового числа. При этом при сжигании 1л бензина в воздух поступает 200—700 мг свинца.

Содержание вредных веществ в составе отработавших газов зависит от типа двигателя, режима его работы, общетехнического состояния автомобиля, марки бензина.

Черная металлургия. Процессы выплавки чугуна и переработки его на сталь также сопровождаются выбросом в атмосферу пыли и различных газов. Выброс пыли в расчете на 1т чугуна составляет 4,5 кг, СО₂ — 2,7 кг и Mn — 0,5-1 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу в небольших количествах выбрасываются также соединения As, Р, Sb, Pb, пары Hg и редких металлов, HCN и смолистые вещества.

В 1995 г. валовой выброс вредных веществ в атмосферу в целом по отрасли составил 2735 тыс. т, или 15% общепромышленного объема выброса. При этом основной объем загрязнений приходится на оксид углерода (70%).

Цветная металлургия, служит источником загрязнения атмосферы пылью и газами. Выбросы предприятий цветной металлургии содержат токсичные пылевидные вещества As, Pb и др., поэтому они особо опасны. При получении металлов электролизом образуется большое количество газообразных и фтористых соединений. Выброс вредных веществ по отрасли составил 3693,2 тыс. т или 20,4% от объема выбросов промышленности России.

Угольная промышленность Источником загрязнения являются промышленные отвалы пустой породы, или так называемые терриконы. Внутри террикона вследствие самовозгорания длительное время идет горение угля и пирита, сопровождающееся выделением SО₂, СО и продуктов возгорания смолистых веществ (бенз(а)пирен).

В 1995 1 предприятиями отрасли выброшено в атмосферу 626,5 тыс. т вредных веществ, из них около 50% приходится на объединение «Воркута-уголь».

Химическая промышленность. Состав промышленных выбросов весьма разнообразен; большинство химических соединений является весьма токсичным для организма человека: СО, NO_X, SO₂, NH₃, пыль неорганических веществ, H₂S, соединения галогенов, органические вещества, цианистые соединения.

В 1995 г. объем выбросов в атмосферу в целом по отрасли составил 488,4 тыс. т. Для химических и нефтехимических производств характерны значительные объемы выбросов металлической ртути, составившие 54% от общего объема этих выбросов промышленности России в 1995 г.

Промышленность строительных материалов. Основные технологические процессы здесь — измельчение и термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу.

Валовой выброс вредных веществ в атмосферу в целом по отрасли в 1995 г. составил 674,2 тыс. т. При этом наибольший «вклад» вносят цементные предприятия — 273 тыс. т, или 40,5%. В выбросах содержатся в основном пыль и взвешенные вещества (54% от суммарного выброса по отрасли), а также оксид углерода (23,3%).

В России составлен ранжированный перечень городов по количеству выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников.

Источники загрязнения вод. Загрязняющие вещества, поступая в природные воды, вызывают изменение физических свойств воды (нарушение первоначальной прозрачности и окраски, появление неприятных запахов и привкусов и т.п.); изменение химического состава воды, в частности появление в ней вредных веществ; появление плавающих веществ на поверхности воды и отложений на дне; сокращение в воде количества растворенного кислорода вследствие расхода его на окисление поступающих в водоем органических веществ загрязнения; появление новых бактерий, в том числе и болезнетворных.

Из-за загрязнения природных вод они оказываются непригодными для питья, купания, водного спорта и технических нужд. Особенно пагубно оно влияет на рыб, водоплавающих птиц, животных и другие организмы, которые заболевают и гибнут в больших количествах.

На качественный и количественный состав вод в водоемах оказывает влияние: 1) миграция химических загрязнений из атмосферы; 2) поступление загрязняющих веществ в водоемы с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками; 3) поверхностный сток (дождевые, талые воды).

Сточные воды — это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека.

Загрязнения, поступающие в сточные воды, можно условно разделить на несколько групп. Так, по физическому составу выделяют нерастворенные, коллоидные и растворенные примеси. Кроме того, загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Минеральные представлены песком, глинистыми частицами, частицами руды, шлака, минеральных солей, растворами кислот и щелочей и другими веществами.

Органические загрязнения подразделяются по происхождению на растительные, животные, химические вещества. Растительные органические соединения представляют собой остатки растений, плодов, растительного масла и пр. Загрязнения животного происхождения — это физиологические выделения людей и животных, останки животных, клеевые вещества. Химические органические соединения — это нефть и ее производные, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), синтетические моющие средства (CMC), фенол, формальдегид, пестициды и пр.

Бактериальное и биологическое загрязнения присущи главным образом, бытовым и животноводческим водам и стокам некоторых промышленных предприятий (боен, кожевенных заводов, меховых производств, биофабрик, предприятий микробиологической промышленности).

Бытовые сточные воды включают волы от банно-прачечных хозяйств, пищеблоков, больниц и др. Они поступают из жилых и общественных зданий, от бытовых помещений промышленных предприятий в виде канализационных сточных вод. Органическое вещество составляет около 58%, минеральные вещества — 42%. Реакция (рН) — нейтральная или слабощелочная.

В промышленном производстве вода используется как теплоноситель, поглотитель, средство транспортировки. Многие предприятий машиностроения, металлопереработки, коксохимии, тепловые электростанции используют воду для охлаждения. Расход воды на этих предприятиях для охлаждения достигает 80% от всего используемого количества воды. Кроме химического загрязнения, такая вода способствует и тепловому загрязнению водоема.

На предприятиях пищевой, химической, нефтехимической промышленности вода используется как растворитель, входит в состав продукции. При этом образуются, как правило, специфические сточные воды.

В ряде случаев вода играет роль среды-поглотителя и средства транспортировки. При этом она загрязняется механическими примесями и растворимыми химическими веществами. На химических, целлюлозно-бумажных и гидролизных заводах, а также на предприятиях легкой и пищевой промышленности вода используется в качестве рабочей среды. Химический состав промышленных стоков весьма разнообразен — в соответствии с технологическим процессом. Реакция среды колеблется от резкошелочной до резкокислой.

Сельскохозяйственные стоки — это стоки животноводческих комплексов и стоки, образуемые при вымывании агрохимикатов и минеральных удобрений за пределы пахотного слоя в водоем (поверхностный сток). Для животноводческих стоков характерно ярко выраженное бактериальное и органическое загрязнение растительного и животного происхождения, а также загрязнение аммиачными соединениями. Поверхностные стоки загрязняются минеральными удобрениями, пестицидами, ядохимикатами, минеральными примесями.

Суммарный объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых в поверхностные водные объекты России, распределяется между жилищно-коммунальным хозяйством (51%), промышленностью (35%) и сельским хозяйством (13%). Объем сброса загрязненных сточных вод в 1995 г. составил по промышленности — 8,6 млрд м³, в сельском хозяйстве — 3,2 млрд м³, по объектам ЖКХ — 12,5 млрд м³.

О масштабах загрязнения поверхностных вод некоторыми отраслями промышленности говорят следующие цифры.

Электроэнергетика — крупнейший потребитель пресной и морской воды, доля отрасли в общем объеме забора пресной воды промышленностью — 66%, морской воды — 98%, по использованию воды _ около 70%. Водохранилища, возникшие в результате сооружения плотин гидроэлектростанций, помимо положительного эффекта (регулирование речного стока, снижение опасности наводнений и развития эрозии почв, снабжение водой и др.) оказывают и отрицательное воздействие на природную среду (затопление земель и населенных пунктов, засоление или заболачивание почв, затопление наземной растительности, развитие новых видов водной флоры.

В нефтеперерабатывающей промышленности сброс загрязненных сточных вод в водоемы составляет 31,1 млн м³, большая их часть (около 80%) сбрасывается недостаточно очищенными. Серьезный ущерб окружающей среде наносится разливом нефти вследствие порывов трубопроводов. По данным Минтопэнерго РФ, общее количество аварий на нефтепроводах в 1995 г. составило 25477.

Доля нефтеперерабатывающей промышленности в общепромышленном сбросе загрязненных сточных вод составляет около 4%, сам выброс достигает 317,4 млн м³.

Из общего объема загрязненных сточных вод угольной промышленности (740,2 млн м³) около 80% сбрасываются недостаточно очищенными, остальные без очистки. Предприятия черной металлургии сбрасывают 757,7 млн м³ загрязненных сточных вод, цветной металлургии — 529 млн м³ (36% из них сбрасывается без очистки).

Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность является одной из самых водоемких отраслей народного хозяйства, которые оказывают значительное воздействие на поверхностные воды. Объем используемой воды в 1995 г. в целом по отрасли достиг 2019 млн м³. На эту отрасль приходится более 20% общего промышленного сброса загрязненных сточных вод в стране.

Сброс загрязненных сточных вод в водоемы предприятиями химической и нефтехимической промышленности в 1995 г. составил 1451,7 млн м³, из них более 50% приходится на сточные воды от городских систем канализации и других предприятий, принимаемых на баланс химических предприятий.

Предприятиями стройиндустрии в водоемы сброшено 129,5 млн м³ загрязненных сточных вод, при этом объем сточных вод, поступающих в водоемы без очистки, увеличился до 60,8 млн м³.

В 1995 г. предприятиями машиностроения использовано 2,9 млрд м³ свежей воды, после энергетики — это наиболее крупный показатель в промышленности. В поверхностные водоемы поступило 1,82 млрд м³ сточных вод. Из них загрязненных — 0,78 млрд м³, в т.ч. 0,17 млрд м³ — без очистки.

Источники загрязнения почв. По своему положению и свойствам почва фактически является конечным местом сосредоточения всех природных и антропогенных загрязнений, при этом последние вносят основной вклад:

• теплоэнергетика (угольная пыль, зола, дым, аэрозоли тяжелых Шламов— ртути, мышьяка, свинца, ванадия, газы S0₂, S0₃, N0₂, бензапирен, фтористые и мышьяковые соединения, радионуклиды);

• черная металлургия (рудная и железистая пыль, оксиды железа, марганца, мышьяка, зола, сажа, SО₂, SО₃, NH₃, NО₂, HCl);

• цветная металлургия (пыль, пары и оксиды свинца, цинка, кадмия, меди, мышьяка, ртути, фтора, SО₂ и т.д.);

• промышленность строительных материалов (цементная пыль, фтор и др.);

• химическая промышленность (SO₂, SO₃, HF, H₂S, HCl, HNO₃, NH₃, фтористые соединения, углеводороды, растворители, эфиры, фенолы и др.);

• транспорт (углеводороды, свинец, угольная пыль, зола, СО, SO₂, H₂S, бенз(а)пирен, непредельные углеводороды);

• сельское хозяйство (удобрения, пестициды, ядохимикаты и т.д.);

• нефтеперерабатывающая и нефтедобывающая промышленность (нефть, нефтепродукты, бенз(а)пирен, серосодержащие соединения

• и др.);

• атомные электростанции (радионуклиды, йод-131, стронций-90, цезий-137, нлутоний-239, калий-42 и др.);

Накопление загрязняющих веществ в почве происходит в результате: непосредственного внесения в почву или на нее (удобрения, пестициды); поступления атмосферных загрязнений в почву (аэрозоли тяжелых металлов, радионуклиды, летучая зола, газы и др.); поступления загрязнителей в почву с поверхностными стоками; выпадания загрязнителей в почву с атмосферными осадками.

Применение минеральных удобрений приводит к аномально высоким содержаниям в почве азота в нитратных и аммиачных соединениях, ионов хлора, фосфора (зафосфачивание почв). При поливах сточными водами в почву попадают патогенные микроорганизмы, личинки гельминтов, канцерогенные вещества.

Среди токсичных веществ, попадающих с атмосферными осадками в почву, особое место занимает сера. В промышленных районах страны с осадками ее ежегодно выпадает 20—30 кг/га (в форме S0₂).

Основные источники загрязнения почвы канцерогенными веществами — выхлопные газы самолетов, автотранспорта, выбросы промышленных предприятий, тепловых электростанций, котельных. В почву канцерогены поступают вместе с крупно- и среднедисперсными частицами пыли, при утечке нефти или продуктов ее переработки. Интенсивность загрязнения ими колеблется в значительной степени, что зависит от мощности источника загрязнения и других факторов. Основной источник попадания в почву свинца — выхлопные газы автомобилей (ежегодно в почву поступает 250 тыс. т свинца).

Достаточно привести только один пример, свидетельствующий о масштабах химического загрязнения почв. На предприятиях химической и нефтехимической промышленности в 1995 г. образовалось свыше 11 млн т отходов (шламы, ртутьсодержащие отходы, отработанная соляная и серная кислота, дистиллерная жидкость и шлам производств кальцинированной соды, лигнин, фосфогипс, изношенные шины, резиносодержащие отходы и др.). Из них используется только около 30%, а остальные отходы либо уничтожаются и вывозятся на свалки, либо складируются в специально отведенных местах.

Важным источником загрязнения почв могут быть излучения. Этот тип загрязнения появился одновременно с широким использованием радиоактивных веществ. Радиоактивные элементы, отличающиеся умеренной или короткой жизнью (периодом полураспада), обычно распадаются раньше, чем попадают в почву, однако они могут стать опасными в дождливый период, когда ускоряется их выпадение на почву. Опасными являются ¹⁴⁰Ва, ^|44Се, ^13IY, ²³⁸U, Zr и особенно ¹³⁷Cs (Т_|/2= 50лет) и ⁹⁰Sr (Т_|/2 = 27 лет). Ионизированные источники радиации можно разделить на:

— неконтролируемые (отходы урановых шахт, заводов по переработке горючих веществ и атомных станций, зольные выбросы ТЭС);

—  контролируемые (ядерные установки; источники, используемые в лабораториях, на заводах, в медицинской практике).

Потенциальными источниками радиоактивного загрязнения могут быть аварии или несчастные случаи на АЭС, испытания ядерного оружия.

Хотя радиоактивное загрязнение не вызывает изменений свойств почвы, радионуклиды из почвы поступают в продукцию растениеводства и животноводства, в течение десятилетий могут находиться в пахотном слое.

Под этим выражением, часто употребляемым в последнее время, понимают особо опасные явления, которые возникают в окружающей среде в результате непродуманной, в экологическом смысле, хозяйственной деятельности человека и могут оказаться вредными для него самого.

Эффект бумеранга проявляется в двух формах:

1. Острых воздействий, например усыхания лесов от кислотных дождей.

2: Перманентных, хронических процессов типа постепенного изменения климата, ослабления принципа Ле Шателье—Брауна, и т.п.

Очевидно, что эффект бумеранга проявляется тем сильнее, чем выше уровень нарушений человеком природных систем.

Выделяются следующие аспекты последствий загрязнения окружающей среды:

1. Медико-социальный. Имеется в виду воздействие деградирующей среды на здоровье человека.

2. Экономический. Негативное влияние загрязнения среды на общественное производство и его конечные результаты.

3. Экологический. Нарушение процессов протекания естественных природных процессов.

4. Духовно-эстетический. Негативное влияние деградирующей среды на духовное состояние и эстетическое восприятие людей.

9. Машины и оборудование для разработки грунтов. Назначение и классификация.