3.2. Силы инерции внешних тел

Сила инерции внешнего тела в инерциальной системе отсчета (реальная сила) — это мера действия на тело человека со стороны тела, ускоряемого им. Она равна произведению массы внешнего тела на его ускорение, направлена в сторону, противоположную ускорению, и приложена к рабочей точке тела человека (место его контакта с ускоряемым телом или опорой).

При движениях человек, изменяя скорость внешних тел, сооб­щает им ускорение. Как противодействие ускоряющей силе действия человека возникает внешняя сила инерции ускоряемых тел. Сила инерции внешнего тела, действующая на тело человека,— это реакция, испытываемая телом человека со стороны ускоряемого тела, которому он, и только он, сообщает ускорение. При толкании штанги возникает ее ускорение от груди и рук (а), направленное вверх (рис. 30, а). Сила инерции штанги, приложенная к груди и рукам, обус­ловлена ускоряющей силой F^, равна ей по величине и направлена противоположно (вниз); она складывается с весом штанги. Если атлет замедляет движение штанги, направленное вниз (опуская ее на по­мост), то ускорение штанги также направлено вверх. Сила же инерции штанги, как и ее вес, направлена вниз и приложена к рукам атлета (см. рис. 30,6).

Силы инерции как внешние силы проявляются также при замед­лении человеком движения внешних тел, т. е. при их торможении. Примером проявления сил инерции может быть, в частности, действие внешних материальных объектов, в том числе жидкостей, газов— удар волны, порыв ветра.

Все это — примеры реальной (ньютоновой) силы инерции, отсчи­тываемой в инерциалыюй системе отсчета и приложенной к уско­ряющему телу со стороны ускоряемого в поступательном движении.

При искривлении траектории внешнего тела силой человека во вращательном движении центробежная сила, как сила инерции вращаемого тела (равная по модулю центростремительной тяге спортсмена), направлена по радиусу от центра и приложена к рабочей точке тела человека (см. рис. 30, в).

Рис. 30. Сила инерции:

а, б, в — реальная при ускорениях: а — положительном, б — отрицательном,. в — нормальном,

Во вращательном движении полная сила инерции тела составляет­ся из тангенциальной составляющей при угловом ускорении) и нормальной — при центростремительном ускорении).

3.3.Силы сопротивления среды

Давление в газе или жидкости — это мера силы механического воздействия между элементами данной среды и элементами среды и другими телами. Оно равняется отношению силы к той площади, через которую осуществляется воздействие. Для всякой площадки в среде направление силы действия одного элемента среды на другой только нормальное (перпендикулярное площадке).

В каждой точке среды величина давления одинакова для всех нап­равлений, к которым это давление отнесено. Давление во всех точках среды, лежащих в одной горизонтальной плоскости, одно и то же. Давления по вертикали (в случае покоя среды) распре­деляются так, что разность дав­лений (F₂—F₁) равна весу вер­тикального столба среды (G).

a—статическая (выталкивающая. Q); б, в— динамические; б-лобового сопротивления,

в - подъемная (Ry) (ориг.)

Человек всегда находится и передвигается в какой-либо среде—либо воздушной, либо водной. Он вступает в механиче­ское взаимодействие со средой. 'Силы ее действия могут проявляться статически (аэро-и гидростатика), например вытал­кивающая сила (по закону Ар­химеда), или динамиче­ски (аэро- и гидродинамика), например подъемная сила в потоке воздуха или воды.

Выталкивающая сила — это мера действия среды на погружен­ное в нее тело. Выталкивающая сила равна геометрической (век­торной) сумме сил, действующих на все элементы поверхности тела; она всегда равна по модулю весу вытесненного объема жид­кости или газа и направлена вверх.

Если тело весит больше, чем вытесненная им вода, то оно будет тонуть; при обратном соотношении будет всплывать.

Когда тело движется в среде, возникают дополнительные силы, за­висящие в основном от величины его скорости относительно среды (от­носительной скорости), формы тела, его ориентации по направлению относительного движения и свойств среды.

Движение тела в среде (или среды относительно тела) характеризует­ся линиями тока. Это линии, в каждой точке которых скорость частиц среды касательна. Скорости касательны и к линиям тока, и к траекториям частиц. Но линии тока характеризуют направления ско­рости разных частиц в данный момент времени, а траектории — направления скорости одних и тех же час­тиц в различные моменты времени. Только при по­стоянном распределении скоростей линии тока и траектории частиц сов­падают. Тело полностью обтекаемо, если линии тока рас­положены одинаково сверху и снизу тела, а также спереди и сзади. Правда, давление на тело с разных сторон различно. По закону Бернулли, где скорость потока возрастает, давление уменьшается, и наоборот. Именно этим и объясняются изменения давлений (дополни­тельные силы).

Но это объяснение достаточно только для идеальной среды, в ко­торой отсутствует внутреннее трение (вязкость). Вследствие вязкости обтекание всегда неполное, и поэтому возникает лобовое соп­ротивление.

Лобовое сопротивление — это сила, с которой среда препятствует относительному движению в ней тела. Лобовое сопротивление при относительно небольших скоростях приближенно равно про­изведению площади поперечного сечения тела, коэффициента лобового сопротивления, плотности среды и квадрата относи­тельной скорости:R_x=SC_xv², где S — площадь поперечного сечения (миделево сечение, или мидель¹), равная площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную потоку; С_x — коэффициент лобового сопротивления, который зависит от формы тела (обтекаемости) и его ориентации относительно потока;

 — плотность среды (воды — 1000 кг/м³, воздуха — 1,3 кг/м³; разница в плотности этих сред—почти в 780 раз); v—относительная скорость потока и тела.

Перед телом давление повышено, так как скорость тока снижена (поджатие). Сзади тела силы трения вызывают отрыв потока от стенок тела, возникают завихрения, создается зона пониженного давления (разрежение). Равнодействующая сил давления на тело спереди и сза­ди направлена назад и тормозит движение тела.

Тело с более обтекаемой формой имеет меньше завихрений сзади. Поэтому сопротивление среды может в зависимости от формы тела сни­зиться при прочих равных условиях в десятки раз (см. рис. 31, б).

Таким образом, лобовое сопротивление зависит от разности давлений спереди и сзади тела в потоке (сопротивление формы) и трения меж­ду телом и пограничным слоем среды (сопро­тивление трения).

Когда поверхность тела образует угол с направлением потока (угол атаки а), возникает еще подъемная сила (R„, см. рис. 31, в). При этом давление снизу тела несколько больше давления в потоке, а давление сверху тела намного меньше; тело не столько подпирается снизу, сколь­ко «подсасывается» кверху.

Подъемная сила — это сила, действующая со стороны среды на тело, расположенное под углом к потоку. Подъемная сила зави­сит от тех же факторов, что и лобовое давление: Ry=SCyv², где Су — коэффициент подъемной силы.

Подъемная сила увеличивается в известных пределах с увеличе­нием угла атаки, а потом начинает падать.

Равнодействующая лобового давления и подъемной силы (она же равнодействующая сил давления и трения) при движении в воздухе называется полной аэродинамической силой.

Лобовое сопротивление среды тормозит продвижение вперед, на­пример, при полете, плавании, скольжении, беге. Подъемная сила поддерживает тело, например тело прыгуна на лыжах с трамплина в полете, пловца в воде при продвижении его по дистанции.