Кількісна оцінка перевантажень при автомобільних аваріях

 

Загальновідомо, що другий закон Ньютона встановлює зв'язок між силою, що діє на тіло, і прискоренням, якого воно набуває під дією цієї сили: . Прискорення, набуте тілом унаслідок притягання його Землею (згідно із законом всесвітнього тяжіння), називається прискоренням вільного падіння і позначається буквою (читається — "же"). Середнє значення цього прискорення, яке береться для практичних розрахунків, становить g = 9,80 м/с².

Сила, з якою Земля притягує до себе тіло масою m, у звичайних умовах може бути розрахована за формулою . Людина відчуває наявність цієї сили (як свою вагу) лише тоді, коли вона спирається на опору (наприклад, на підлогу) або тягне підвіс (наприклад, висячи на "тарзанці"). За багато тисяч років еволюції людина пристосувалася до дії земного тяжіння і до обов'язкової наявності опори, яка заважає нам рухатися вниз (аж до центра Землі). Якщо опора чомусь зникає, людина відчуває значний дискомфорт. Стан, при якому тіло людини (тимчасово) не діє ані на опору, ані на підвіс, називається невагомістю.

Фізіологічне відчуття невагомості полягає у зникненні звичних напруг і навантажень, зумовлених протидією (з боку опори) силі тяжіння. При невагомості зникає деформація внутрішніх органів, знімається звичне навантаження з більшості скелетних м'язів, порушується діяльність вестибулярного апарату, який забезпечує нам відчуття рівноваги.

 

Явищем, протилежним до невагомості, є перевантаження. Кожного разу, підстрибуючи, ми обов'язково надаємо своєму тілу прискорення, натомість на короткий час відчуваємо дію сили з боку опори, від якої відштовхуємося. Чим більшим є прискорення, тим більша сила діє (з боку опори) на прискорюване тіло. Якщо тіло здобуває прискорення, що за числовим значенням дорівнює прискоренню вільного падіння g, це можна розглядати як збільшення ваги тіла вдвічі: . Коли стрибає блоха, вона набуває прискорення понад 200g (двісті же). Це означає, що на комаху діє сила, яка у 200 разів перевищує її власну вагу! Будь-який ссавець був би такою силою розчавлений, а блоха — ні. Своїм життям блоха так само, як багато інших дрібних тварин, має завдячувати особливостям будови скелету і внутрішніх органів. Людина блошиним захистом не оснащена, і тому перевантаження для неї є серйозною загрозою для здоров’я. Значних прискорень, наприклад, набуває під час підйому і спуску космічний корабель: його прискорення сягають (6…7)g, отже і вага космонавта зростає у таку саму кількість разів. В повсякденному житті значних перевантажень людина може зазнати лише в аварійних ситуаціях, наприклад, при екстреному гальмуванні автомобіля.

Усередині організму найпомітнішу дію перевантаження чинить на кров, оскільки вона легко рухається і не пов'язана механічно з іншими частинами організму. Якщо прискорення направлене від ніг до голови людини, кров під час прискореного руху відтікає із судин голови і припливає до ніг та органів нижньої частини тіла. Це викликає кисневе голодування мозку. Наприклад, при прискоренні на рівні голови людини повний тиск крові взагалі стає від'ємним і дорівнює -4 кПа: у людини виникають розлади зору, вона може навіть знепритомніти. Водночас у нижніх частинах тіла тиск крові зростає. При тому ж прискоренні на рівні ніг людини повний тиск крові збільшується до 100 кПа і більше. Під таким тиском вода із крові починає просочуватися через стінки судин — виникають набряки ніг і навіть спостерігаються розриви кровоносних судин.

Якщо ж прискорення направлене від голови до ніг, то тиск крові збільшується не в нижній, а у верхній частині організму. Найбільш уразливими в такому випадку виявляються кровоносні судини очей і мозку, які можуть розриватися: виникають крововиливи, гематоми, синці тощо.

 

Цікаво знати! 1) Для зменшення негативних наслідків перевантаження космонавти одягають спеціально розроблені гідрокостюми, виготовлені так, що між двома шарами тканини знаходиться вода;

2) перевантаження легше переноситься космонавтом, якщо той знаходиться в лежачому положенні у кріслі, яке повторює форму його тіла.

 

Зверніть увагу! І гідрокостюми, і лежаче положення космонавтів в індивідуальному кріслі-ложементі під час старту й посадки були винайдені полтавцем Юрієм Кондратюком на початку ХХ століття. Нині ім'я Юрія Кондратюка носить Полтавський національний технічний університет.

 

Під час аварійного гальмування транспортних засобів інколи виникають значні перевантаження, проте людина (водій, пасажир) може залишитися живою якщо:

1) отримане нею прискорення не перевищує 30g;

2) людина була міцно і правильно пристебнута ременем безпеки.

 

Прискорення , набуте при рівноприскореному русі, може бути розраховане за відомими гальмівним шляхом , початковою швидкістю та кінцевою швидкістю рухомого тіла:

.

 

ЗАДАЧА-ЗРАЗОК. Водій, міцно і правильно пристебнутий ременем безпеки, їхав в автомобілі зі швидкістю v₀= 75 км/год. Через несприятливі погодні умови він не впорався з керуванням — автомобіль врізався у дерево, внаслідок чого його передня частина деформувалася. При аварійному гальмуванні тіло водія перемістилося на відстань s= 0,8 метра (разом із кріслом водія) і зупинилося (v = 0). Яким було прискорення, набуте тілом водія при такому екстреному гальмуванні? Чи залишився водій живим?

РОЗВ’ЯЗАННЯ:

1) Щоб здійснити розрахунок у Міжнародній системі одиниць фізичних величин СІ, запишемо швидкість, із якою рухався автомобіль (разом із водієм), у метрах на секунду:

.

2) Розрахуємо прискорення, набуте тілом водія при аварійному гальмуванні:

.

 

Знак "мінус" означає тут лише те, що прискорення тіла відбувалося у напрямку, протилежному початковому напрямкові руху.

4) Оцінимо, у скільки разів отримане прискорення перевищує прискорення вільного падіння g= 9,80 м/с²:

 

.

 

ВИСНОВОК. Прискорення, набуте тілом водія під час аварійного гальмування автомобіля (a ≈ 28g), не перевищує гранично допустимого значення 30g, яке викликає неминучу загибель людини: водій залишиться живим, хоча й отримає значні ушкодження.

 

Таблиця 6.10

 

Варіанти завдань для самостійної роботи

 

№ варіанта   (остання цифра номера залікової книжки)
Початкова швидкість автомобіля v0, км/год
Відстань s, на яку перемістилося тіло водія, м	0,70	0,70	0,70	0,70	0,70	0,70	0,70	0,50	0,50	0,50