По какой-то особой причине в мире большое внимание уделяется именно скорости разгона автомобиля с 0 до 100 км/час (в США с 0 до 60 миль в час). Эксперты, инженеры, любители спортивных автомобилей а также и простые автолюбители с какой-то одержимостью постоянно следят за технической характеристикой автомобилей, которая как правило раскрывает динамику разгона автомобиля с 0 до 100 км/час. Причем весь этот интерес наблюдается не только к спортивным автомобилям для которых динамика разгона с места является очень важным значением, но и к совсем обычным автомобилям эконом-класса.
В наши дни наибольший интерес к динамике разгона направлен на электрические современные автомобили, которые начали потихоньку вытеснять из авто ниши спортивные суперкары с их невероятной скоростью разгона. Вот например, еще несколько лет назад казалось просто фантастикой, что автомобиль может разгоняться до 100 км/час чуть-более чем за 2 секунды. Но сегодня некоторые современные уже вплотную приблизились к этому показателю.
Это естественно заставляет задуматься: А какая скорость разгона автомобиля с 0 до 100 км/час опасна для здоровья самого человека? Ведь чем быстрее разгоняется автомобиль, тем больше нагрузки испытывает водитель, что находится (сидит) за рулем.
Согласитесь с нами, что человеческий организм имеет свои определенные пределы и не может выдержать бесконечные нарастающие нагрузки, которые действуют и оказывают на него при быстром разгоне транспортного средства, определенное воздействие. Давайте вместе с нами узнаем, а какой предельный разгон автомобиля может теоретически ну и практически выдержать человек.
Ускорение, как все мы наверно знаем, это простое изменение скорости движения тела за единицу взятого времени. Ускорение любого объекта находящегося на земле зависит, как правило, от силы тяжести. Сила тяжести - это сила, действующая на любое материальное тело, которое находится вблизи к поверхности земли. Сила тяжести на поверхности земли складывается из гравитации и центробежной силы инерции, которая возникает из-за вращения нашей планеты.
Если мы хотим быть совсем уж точными, то перегрузка человека в 1g сидящего за рулем автомобиля образуется при ускорении машины с 0 до 100 км/час за 2,83254504 секунды.
И так, мы знаем, что при перегрузке в 1g
человек не испытывает на себе ни каких проблем. Например, серийный автомобиль Tesla Model S (дорогая спецверсия) с 0 до 100 км/час может разгоняться за 2,5 секунды (согласно спецификации). Соответственно, водитель находящийся за рулем этого автомобиля при разгоне будет испытывать перегрузку в 1.13g
.
Это уже как мы видим, больше чем перегрузка, которая испытывается человеком в обычной жизни и которая возникает из-за гравитации а также из-за движения планеты в пространстве. Но это совсем немного и перегрузка не представляет для человека никакой опасности. Но, если мы сядем за руль мощного драгстера (спортивного автомобиля), то картина здесь уже получается совершенно иная, так как мы с вами наблюдаем уже иные цифры перегрузки.
Например, самый быстрый может разгоняться с 0 до 100 км/час всего за 0,4 секунды. В итоге получается, что это ускорение вызывает перегрузку внутри машины в 7.08g . Это уже, как вы видите, немало. За рулем такого сумасшедшего транспорта вы будете чувствовать себя не очень-то комфортно, и все из-за того, что ваш вес увеличится по сравнению с прежним почти в семь раз. Но не смотря на такое не очень-то комфортное состояние при такой динамике разгона, эта (данная) перегрузка не способна вас убить.
Так как же тогда автомобиль должен разогнаться, чтобы убить человека (водителя)? На самом деле ответить однозначно на такой вопрос нельзя. Дело тут в следующем. Каждый организм у любого человека сугубо индивидуален и естественно, что последствия воздействия на человека определенных сил будут тоже совершенно разными. Для кого-то перегрузка в 4-6g даже на несколько секунд уже будет (является) критичной. Такая перегрузка может привести к потере сознания и даже к гибели этого человека. Но обычно подобная перегрузка для многих категорий людей не опасна. Известны случаи, когда перегрузка в 100g позволяла человеку выжить. Но правда, это очень большая редкость.
Перегрузкой называется отношение равнодействующей всех сил (кроме веса), действующих на самолет, к весу самолета.
В связанной системе координат определены перегрузки:
nх - продольная перегрузка; nу - нормальная перегрузка; nz - боковая перегрузка.
Полная перегрузка определяется по формуле
Продольная перегрузка nх возникает при изменении тяги двигателя и лобового сопротивления.
Если тяга двигателя больше лобового сопротивления, то перегрузка положительная. Если же величина лобового сопротивления больше силы тяги двигателя, то перегрузка отрицательная.
Продольная перегрузка определяется по формуле
Боковая перегрузка nz возникает при полете самолета со скольжением. Но по величине боковая аэродинамическая сила Z очень мала. Поэтому в расчетах боковую перегрузку принимают равной нулю. Боковая перегрузка определяется по формуле
Выполнение фигур пилотажа в основном сопровождается возникновением больших нормальных перегрузок.
Нормальной перегрузкой nу называется отношение подъемной силы к весу самолета и определяется по формуле
Нормальная перегрузка, как видно из формулы (11.5), создается подъемной силой. В горизонтальном полете при спокойной атмосфере подъемная сила равна весу самолета, следовательно, перегрузка будет равна единице:
Рис. 6 Действие центробежной силы инерции на летчика а - при резком увеличении угла атаки, б - при резком уменьшении угла атаки
В криволинейном полете, когда подъемная сила становится больше веса самолета, перегрузка будет больше единицы.
При движении самолета по криволинейной траектории центростремительной силой является, как уже говорилось, подъемная сила, т. е. давление воздуха на крылья. При этом величине центростремительной силы всегда сопутствует равная, но противоположная по направлению центробежная сила инерции, которая выражается силой давления крыльев на воздух. Причем центробежная сила действует подобно весу (массе), а так как она всегда равна центростремительной силе, то при увеличении последней возрастает во столько же раз. Таким образом, аэродинамическая перегрузка подобна увеличению веса самолета (летчика).
При появлении перегрузки летчику кажется, что его тело стало тяжелее.
Нормальная перегрузка делится на положительную и отрицательную. Когда перегрузка прижимает летчика к сиденью, то эта перегрузкаположительная, если же отделяет его от сиденья и удерживает на привязных ремнях -отрицательная (Рис. 6).
В первом случае кровь будет отливать от головы к ногам, во втором случае - приливать к голове.
Как уже говорилось, увеличение подъемной силы в криволинейном движении равносильно увеличению веса самолета на ту же величину, тогда
(11.6)
(11.7)
где n ур - располагаемая перегрузка.
Из формулы (11.7) видно, что величина располагаемой перегрузки определяется запасом коэффициентов подъемной силы (запасов углов атаки) от потребного для горизонтального полета до его безопасного значения (Су ТР или Су КР).
Максимально возможная нормальная перегрузка может быть получена тогда, когда в полете на данной скорости и высоте полета будут полностью использованы возможности самолета по созданию подъемной силы. Эту перегрузку можно получить в том случае, когда самолет резко (без заметного уменьшения скорости полета) выводится на С у =С у макс:
(11.8)
Однако до такой перегрузки нежелательно доводить самолет, так как произойдет потеря устойчивости и срыв в штопор или штопорное вращение. По этой причине не рекомендуется на больших скоростях полета, особенно при выходе из пикирования, отклонять резко ручку управления на себя. Поэтому максимально возможную или располагаемую перегрузку принимают меньшей по величине, чтобы предупредить выход самолета на режим тряски. Формула определения этой перегрузки имеет вид
(11.9)
Для самолетов Як-52 и Як-55 графические зависимости располагаемых перегрузок от скорости полета показаны на Рис. 7, Рис. 8. При выполнении полетов на самолетах Як-52 и Як-55 располагаемая нормальная перегрузка в основном ограничена по прочностным характеристикам самолета.
Максимально допустимая эксплуатационная перегрузка для самолета Як-52:
с колесным шасси:
положительная +7;
отрицательная -5;
с лыжным шасси:
положительная +5;
отрицательная -3.
Максимально допустимая эксплуатационная перегрузка для самолета Як-55:
в тренировочном варианте:
положительная +9;
отрицательная -6;
в перегоночном варианте:
положительная +5;
отрицательная -3.
Превышение в полете этих перегрузок запрещается, так как могут появиться остаточные деформации в конструкции самолета.
При выполнении установившихся криволинейных маневров перегрузка зависит от запаса тяги силовой установки. Запас тяги определяется из условия сохранения заданной скорости в течение всего маневра.
Предельной перегрузкой по располагаемой тягеnу ПРЕД называется наибольшая перегрузка, при которой тяга силовой установки еще уравновешивает лобовое сопротивление. Она определяется по формуле
(11.10)
Предельная по располагаемой тяге перегрузка зависит от скорости и высоты полета, так как вышеуказанные факторы влияют на располагаемую тягу Рр и от скорости аэродинамическое качество К. Для расчета зависимости n у ПРЕД V необходимо иметь кривые Рр (V)для различных высот и сетку поляр.
Для каждого значения скорости с кривой Рр (V) снимают значения располагаемой тяги, определяют с поляры для соответствующей скорости V снимают величину коэффициента Су и рассчитывают по формуле (11.10).
При маневрировании в горизонтальной плоскости с перегрузкой меньше располагаемой, но более предельной по тяге самолет будет терять скорость или высоту полета.
Все мы слышали эпические истории о людях, переживших попадание пули в голову, выживших после падения с 10-го этажа, или месяцами скитавшихся в море. Но достаточно поместить человека в любое место известной вселенной за исключением тонкого слоя пространства, простирающегося на пару миль над уровнем моря на Земле, или под ним, и гибель человека неминуема. Каким бы прочным и эластичным не казалось бы наше тело в некоторых ситуациях, в контексте космоса в целом, оно пугающе хрупко.
Многие границы, в рамках которых средний человек способен выжить, определены достаточно хорошо. Примером является известное "правило троек", определяющее, как долго мы способны обходиться без воздуха, воды и пищи (примерно, три минуты, три дня, и три недели, соответственно). Другие пределы более спорны, поскольку люди очень редко проверяют их (или не проверяют вовсе). Например, как долго вы можете бодрствовать, прежде чем умрете? На какую высоту вы можете подняться, до того, как задохнетесь? Какое ускорение способно выдержать ваше тело, прежде чем разорвется на части?
Определить границы, в рамках которых мы живем, помогли определить эксперименты, проводившиеся в течение десятилетий. Некоторые из них были целенаправленными, некоторые - случайными.
Как долго мы можем оставаться в бодрствующем состоянии?
Известно, что летчики ВВС, после трех-четырех дней бодрствования впадали в настолько неуправляемое состояние, что разбивали свои самолеты (засыпая за штурвалом). Даже одна ночь без сна влияет на способности водителя так же, как и опьянение. Абсолютный предел добровольного сопротивления сну, составляет 264 часа (около 11 дней). Этот рекорд установил 17-летний Рэнди Гарднер, для ярмарки научных проектов учащихся старших классов в 1965 году. Перед тем, как он заснул в 11-й день, он, фактически представляя собой растение с открытыми глазами.
Но через какое время он бы умер?
В июне этого года 26-летнй китаец умер через 11 дней, проведенных без сна в попытке просмотреть все игры Европейского Чемпионата. При этом он потреблял алкоголь и курил, что затрудняет точно установить причину смерти. Но только по причине недостатка сна, определенно, не умер ни один человек. И по очевидным этическим причинам ученые не могут определить этот срок в лабораторных условиях.
Но они смогли сделать это на крысах. В 1999 году исследователи сна из Университета Чикаго поместили крыс на вращающийся диск, расположенный над бассейном с водой. Они непрерывно записывали поведение крыс при помощи компьютерной программы, способной распознать наступление сна. Когда крыса начинала засыпать, диск неожиданно поворачивался, пробуждая ее, отбрасывая ее к стенке и угрожая сбросить ее в воду. Крысы, как правило, умирали через две недели такого обращения. Перед смертью грызуны демонстрировали симптомы гиперметаболизма, состояния, в котором скорость метаболизма организма в состоянии покоя увеличивается настолько, что сжигаются все излишние калории, даже при полной неподвижности тела. Гиперметаболизм ассоциируется с недостатком сна.
Как много радиации мы способны выдержать?
Радиация представляет собой долговременную опасность, так как она вызывает мутации ДНК, меняя генетический код таким образом, что это приводит к раковому росту клеток. Но какая доза радиации убьет вас немедленно? По словам Питера Каракаппа, инженера-ядерщика и специалиста по радиационной безопасности в Политехническом Институте Ренслера, доза в 5-6 зивертов (Sv) в течение нескольких минут разрушит слишком много клеток, чтобы организм смог с этим справиться. "Чем дольше период накопления дозы, тем выше шансы на выживание, так как организм в это время пытается провести самовосстановление", - пояснил Каракаппа.
Для сравнения, некоторые рабочие на японской атомной электростанции Фукусима получили от 0.4 до 1 Sv радиации в течение часа, во время противостояния аварии в марте прошлого года. Хотя они и выжили, риск заболевания раком у них значительно повышен, говорят ученые.
Даже если удастся избежать аварий на АЭС и взрывов сверхновых, естественный радиационный фон на Земле (от таких источников, как уран в почве, космические лучи и медицинские устройства) увеличивают наши шансы заболеть раком в любой год на 0.025 процента, говорит Каракаппа. Это устанавливает несколько странный предел продолжительности жизни человека.
"Средний человек... получая среднюю дозу фоновой радиации каждый год в течение 4000 лет, в отсутствии других факторов, неизбежно получит рак, вызванный радиацией", - говорит Каракаппа. Другими словами, даже если мы сможем победить все болезни, и отключить генетические команды, которые управляют процессом старения, мы все равно не будем жить более 4000 лет.
Какое ускорение мы можем выдержать?
Грудная клетка защищает наше сердце от сильных ударов, но она не является надежной защитой от рывков, которые стали сегодня возможны благодаря развитию технологии. Какое ускорение способен выдержать этот наш орган?
НАСА и военные исследователи проведи ряд испытаний в попытке ответить на этот вопрос. Целью этих испытаний была безопасность конструкций космических и воздушных летательных аппаратов. (Мы же не хотим, чтобы астронавты теряли сознание при взлете ракеты.) Горизонтальное ускорение - рывок в бок - оказывает отрицательное влияние на наши внутренности, из-за асимметричности воздействующих сил. Согласно недавно опубликованной в журнале "Popular Science" статье, горизонтальное ускорение величиной в 14 g способно оторвать наши органы друг от друга. Ускорение вдоль тела в направлении головы может сместить всю кровь к ногам. Такое вертикальное ускорение величиной от 4 до 8 g лишит вас сознания. (1 g - это та сила тяжести, которую мы ощущаем на земной поверхности, в 14 g - эта сила тяжести на планете, в 14 раз массивнее нашей.)
Ускорение, направленное вперед или назад, является наиболее благоприятным для тела, так как при этом и голова и сердце ускоряются одинаково. Проведенные военными в 1940-х и в 1950-х годах эксперименты по "торможению человека" (в которые, в сущности, использовались ракетные салазки, двигающиеся по всей базе ВВС "Edwards" в Калифорнии), показали, что мы можем тормозить с ускорением 45 g, и при этом остаться в живых, чтобы рассказать об этом. При таком торможении, двигаясь со скоростью выше 1000 км в час, вы можете остановиться за доли секунды, проехав несколько сотен футов. При торможении в 50 g, мы, по оценкам специалистов, мы, вероятно, превратимся в мешок с отдельными органами.
Какие изменения окружающей среды мы способны выдержать?
Разные люди способны выдержать различные изменения привычных атмосферных условий, независимо от того, будь то изменение температуры, давления, или содержания кислорода в воздухе. Пределы выживания также связаны с тем, насколько медленно происходят изменения окружающей среды, поскольку наш организм способен постепенно настраивать потребление кислорода, и изменять метаболизм в ответ на экстремальные условия. Но, тем не менее, можно приблизительно оценить, что мы способны выдержать.
Большинство людей начинает страдать от перегрева через 10 минут нахождения в крайне влажной и жаркой среде (60 градусов по Цельсию). Установить границы смерти от охлаждения сложнее. Человек обычно умирает, когда температура его тела падает до 21 градуса по Цельсию. Но сколько времени для этого требуется, зависит от того, насколько человек "привычен к холоду", и проявился ли загадочная, латентная форма "зимней спячки", которая, как известно, иногда имеет место.
Границы выживания гораздо лучше установлены для долговременного комфорта. По данным отчета НАСА за 1958 год, люди могут неопределенного долго жить в окружающей среде, температура которой находится в пределах от 4 до 35 градусов по Цельсию, при условии, что последняя температура приходится на относительную влажность не более 50 процентов. При меньшей влажности максимальная температура увеличивается, так как меньшее количество влаги в воздухе облегчает процесс потения, и тем самым, охлаждения тела.
Как можно судить из научно-фантастических фильмов, в которых шлем астронавта открывается вне космического корабля, мы не способны долго продержаться при очень низких уровнях давления или кислорода. При нормальном атмосферном давлении, воздух содержит 21 процент кислорода. Мы умрем от удушья, если концентрация кислорода опустится ниже 11 процентов. Слишком большая концентрация кислорода также убивает, постепенно вызывая воспаление легких в течение нескольких дней.
Мы теряем сознание, когда давление падает ниже 57 процентов атмосферного давления, что соответствует подъему на высоту 4500 метра. Альпинисты способны подниматься на более высокие горы, поскольку их организм постепенно приспосабливается к снижению количества кислорода, но никто не сможет прожить достаточно долго без кислородных баллонов на высоте более 7900 метров.
Это около 8 километров вверх. А до границы известной вселенной остается еще почти 46 миллиардов световых лет.
Наталия Волховер (Natalie Wolchover)
"Маленьките загадки жизни" (Life"s Little Mysteries)
август 2012
Перевод: Гусев Александр Владимирович