Скорость спуска парашютиста после раскрытия парашюта. Скорость падения парашютиста. Снижение парашютиста на одном и на двух куполах
Допустим, что парашютист совершает затяжной прыжок (рис. 3.28). Пусть масса парашютиста коэффициент сопротивления воздуха при движении парашютиста с нераскрытым парашютом а с раскрытым
Движение парашютиста до раскрытия парашюта будет неравномерным. Во время движения на него действуют две силы (рис. 3.29): сила тяжести и сила сопротивления воздуха Будем считать положительным направление вниз. Запишем для этого случая уравнение второго закона Ньютона:
В этом уравнении два неизвестных: . Необходимым дополнительным уравнением будет уравнение, связывающее силу сопротивления воздуха со скоростью:
Подставляя значение из этого уравнения в уравнение второго закона Ньютона, получим:
Воспользуемся этим уравнением и проследим за изменением ускорения. По условию в начальный момент скорость следовательно, и сила сопротивления воздуха равна нулю. Поэтому ускорение . В первые моменты движения скорость быстро нарастает. Вместе с ней растет сила сопротивления воздуха, разность сил убывает и ускорение начинает уменьшаться. График изменения ускорения во времени представлен на рис. 3.30, а.
Так как ускорение а становится все меньше, то в последующие промежутки времени рост скорости и изменение силы сопротивления все более замедляются.
Как видно из уравнения, можно указать такую предельную скорость упр, при которой сила сопротивления воздуха станет равной силе тяжести, а ускорение обратится в нуль. Значение этой скорости определится из уравнения
Используя график (рис. 3.30, б), можно проследить за изменением скорости. Вначале скорость быстро возрастает. Затем рост ее замедляется, и она постепенно приближается к значению упр, равному скорости установившегося равномерного движения.
Подводя итоги, можно сказать, что сначала движение парашютиста было ускоренным, а потом равномерным. При этом ускорение его уменьшилось от значения до нуля, а скорость увеличивалась от нуля до значения соответствующего установившемуся движению.
С какой бы достаточно большой высоты ни начал падение парашютист, он с нераскрытым парашютом подходил бы к Земле с постоянной скоростью, равной примерно
Таким образом, действие сил сопротивления воздуха совершенно меняет всю картину свободного падения тел: при падении в воздухе все тела движутся ускоренно только в начальный, не очень большой промежуток времени, а затем их движение становится равномерным. Такую картину возникновения стационарного равномерного движения можно увидеть, наблюдая за падением шарика в сосуде с какой-либо вязкой жидкостью (рис. 3.31).
А теперь рассмотрим, что же происходит при раскрытии парашюта.
Во время раскрытия парашюта резко возрастает сила сопротивления воздуха, и коэффициент сопротивления становится равным Сила сопротивления становится больше силы тяжести (рис. 3.32). Возникают ускорения, направленные вверх. Движение становится замедленным, начиная с момента полного раскрытия парашюта.
Скорость падения тела в газе или жидкости стабилизируется по достижении телом скорости, при которой сила гравитационного притяжения уравновешивается силой сопротивления среды.
При движении в вязкой среде более крупных объектов, однако, начинают преобладать иные эффекты и закономерности. При достижении дождевыми каплями диаметра всего лишь в десятые доли миллиметра вокруг них начинают образовываться так называемые завихрения в результате срыва потока. Вы их, возможно, наблюдали весьма наглядно: когда машина осенью едет по дороге, засыпанной опавшей листвой, сухие листья не просто разметаются по сторонам от машины, но начинают кружиться в подобии вальса. Описываемые ими круги в точности повторяют линии вихрей фон Кармана , получивших свое название в честь инженера-физика венгерского происхождения Теодора фон Кармана (Theodore von Kármán, 1881-1963), который, эмигрировав в США и работая в Калифорнийском технологическом институте, стал одним из основоположников современной прикладной аэродинамики. Этими турбулентными вихрями обычно и обусловлено торможение — именно они вносят основной вклад в то, что машина или самолет, разогнавшись до определенной скорости, сталкиваются с резко возросшим сопротивлением воздуха и дальше ускоряться не в состоянии. Если вам доводилось на большой скорости разъезжаться на своем легковом автомобиле с тяжелым и быстрым встречным фургоном и машину начинало «водить» из стороны в сторону, знайте: вы попали в вихрь фон Кармана и познакомились с ним не понаслышке.
При свободном падении крупных тел в атмосфере завихрения начинаются практически сразу, и предельная скорость падения достигается очень быстро. Для парашютистов, например, предельная скорость составляет от 190 км/ч при максимальном сопротивлении воздуха, когда они падают плашмя, раскинув руки, до 240 км/ч при нырянии «рыбкой» или «солдатиком».
Скорость падения парашютиста зависит от времени падения, плотности воздушной среды, площади падающего тела и коэффициента лобового сопротивления. На скорость падения масса падающего тела влияет незначительно.
На падающее в воздушной среде тело действуют две силы: сила тяжести, всегда направленная вниз, и сила сопротивления воздуха, направленная против силы тяжести. Скорость падения будет возрастать до того момента, пока сила тяжести и сила сопротивления воздуха не уравновесятся. В начале движения тела в воздухе скорость нарастает, затем становится всё медленнее, и, наконец, на 11-12 секунде скорость становится почти постоянной. Это состояние называется установившимся падением , а соответствующая ему скорость - предельной скоростью.
Помимо продолжительности падения, на скорость тела большое влияние оказывает высота прыжка, вес, размеры и положение тела.
Поскольку плотность воздуха с высотой меняется, то и скорость падения будет так же меняться. Чем дальше от земли, тем скорость падения будет больше, т.к. плотность воздуха уменьшается. Скорость Вашего падения не будет превышать 35 м/сек., т.к. Вы после отделения от самолёта будете снижаться под стабилизирующим куполом.
Нагрузки, возникающие при раскрытии парашюта.
В отношении восприятия нагрузки при раскрытии парашюта большое значение имеет подгонка подвесной системы. Чем равномернее и плотнее лежат лямки, тем равномернее по телу распределяется. Для перенесения нагрузок существенное значение имеет состояние тела - напряжено оно или расслаблено. В ожидании рывка парашютист должен сгруппироваться и напрячь мышцы. В этом случае "удар" перенесется гораздо легче. Голову нельзя поворачивать в сторону или наклонять, т.к. лямки могут нанести ушибы.
Управление парашютом в воздухе и его физическая сущность.
Под управлением парашютом понимается возможность изменения его положения в пространстве маневрированием по направлению и скорости. Горизонтального перемещения можно достигнуть и на круглом куполе.
Чтобы создать горизонтальное перемещение вперед необходимо подтянуть передние лямки , создав скольжение куполу, и удерживать его в таком положении необходимое для перемещения время. При этом горизонтальная скорость будет приблизительно = 1,5 - 2м/с.
Для того, чтобы получить горизонтальное перемещение назад, влево, вправо, необходимо соответственно тянуть задние, левые или правые лямки.
При подтягивании строп опускается кромка, создается перекос купола, при этом основная часть воздуха начинает выходить с противоположной стороны, создается реактивная сила и парашютист начинает перемещаться.
Снижение парашютиста на одном и на двух куполах.
Скорость парашютиста относительно земли при приземлении зависит от: скорости снижения; скорости ветра; управления парашютом; наличия раскачивания.
Вертикальная скорость парашютной системы зависит от: веса человека с парашютом; коэффициента сопротивления купола парашюта, который зависит от площади, формы купола и воздухопроницаемости материала; плотности воздуха.
Приближенно считается, что если вес тела увеличен на 10%, то это вызывает увеличение скорости снижения на 5%.
Например: вес парашютиста с парашютом Д-6 равен 100 кг - скорость снижения = 5,0м/с, а при весе 110кг вертикальная скорость = 5,25м/с.
В зависимости от высоты местности над уровнем моря, скорость снижения измеряется примерно так: с повышением на 200м скорость увеличивается на 1%. Зимой в морозную погоду, когда плотность воздуха несколько повышается, скорость снижения можно считать на 5% меньше, чем летом в жаркую погоду.
Снижение парашютиста на двух куполах по сравнению со скоростью снижения на одном куполе уменьшается незначительно. Причиной незначительного уменьшения вертикальной скорости является развал двух куполов во время снижения, что влечет за собой уменьшение площади куполов, работающей относительно земли.
После отделения от самолета парашютист некоторое время летит в горизонтальном направлении со скоростью, равной скорости самолета. Но в результате сопротивления воздуха горизонтальная скорость постепенно уменьшается. Вместе с этим под действием силы земного тяготения парашютист с каждой секундой приобретает все большую вертикальную скорость и совершает ускоренное движение вниз. Однако по мере увеличения вертикальной скорости возрастает и сопротивление воздуха и в конце концов наступает такой момента когда скорость падения парашютиста достигает определенного предела и больше не увеличивается. Эта скорость называется критической (предельной) скоростью.
Следовательно, критическая скорость (V, м/сек) зависит от веса парашютиста (W, кг), средней площади сопротивления парашютиста (S, м2), массовой плотности воздуха (р) и коэффициента лобового сопротивления (Сх).
Если бы земной шар не был окружен воздушной оболочкой, скорость падения парашютиста с каждой секундой возрастала бы на 9,81 м (ускорение силы тяжести. g). Нетрудно себе представить, что случилось бы с ним в момент приземления. Однако, к счастью, земной шар окружен атмосферой и ее воздушные слои оказывают сопротивление движущемуся в ней телу. Поэтому через определенное время скорость свободно падающего тела стабилизируется. Через сколько же времени при свободном падении парашютиста наступит этот момент и какой величины достигнет скорость? Мне не приходилось совершать затяжных прыжков, и поэтому для ответа на этот вопрос я воспользуюсь данными, содержащимися в литературе. При прыжке с высоты 2000 м указанный момент наступит через 12 сек. свободного падения, а скорость достигнет 53 м/сек. Если прыжок совершается с высот 4000, 10000 и 16000 м, этот момент будет соответственно наступать через 14, 18 и 23 сек. свободного падения, а скорость составит 59 (свыше 200 км/час), 80 (около 300 км/час) и 115 м/сек (свыше 400 км/час).
Как я уже упоминал выше, в Советском Союзе и других странах совершались высотные затяжные прыжки. Парашютисты при таких прыжках отделялись от самолета на большой высоте и раскрывали парашют в 200-300 м от земли. Ниже я привожу, правда, довольно устаревшие данные относительно рекордов, которые были установлены в свое время.
Обычный парашют рассчитан на раскрытие через 40-50 м свободного падения парашютиста, то есть спустя примерно 4 сек. после отделения от самолета. Другими словами, раскрытие происходит тогда, когда уже почти пропадает инерционная скорость. Так, при совершении нами прыжков парашют раскрывался примерно после
55 м свободного падения, или через 4 сек. с момента отделения от самолета.
В заключение приведу формулы, по которым определяется критическая скорость V и сила сопротивления воздуха R:
где S-средняя площадь сопротивления (парашютиста- 05-0,9 м2, парашюта-50 м2); р - массовая плотность воздуха (у земли-0,125, на высоте 6700 м- вдвое меньше, на высоте 500 м и ниже-в среднем 012)- Сх - коэффициент лобового сопротивления (парашютиста - 0,04, парашюта - 0.6-0,8, хорошо обтекаемого физического тела (при падении) - 0,025-0.03).
Читайте также:
|
Скорость падения парашютиста зависит от времени падения, плотности воздушной среды, площади падающего тела и коэффициента его лобового сопротивления.
На скорость падения масса падающего тела влияет незначительно.
Ввиду того что спортивные и тренировочные прыжки с. парашютом выполняются из самолетов, летящих на небольших скоростях, влияние начальной горизонтальной скорости на вертикальную скорость падения при расчетах не учитывается.
Если начальная вертикальная скорость равна нулю, то расстояние, пройденное телом до тех пор пока скорость невелика, будет зависеть только от одной величины - ускорения силы тяжести g и пройденный путь можно определить по формуле
где t- время падения, с.
С нарастанием скорости вступает в силу целый ряд других факторов.
На падающее в воздушной среде тело действуют две силы:-сила тяжести G, всегда направленная вниз, и сила сопротивления воздуха Q, направленная в сторону, противоположную направлению перемещения тела. Если отсутствует горизонтальная составляющая скорости, то сила сопротивления воздуха направлена против силы тяжести (рис. 1).
Скорость падения будет возрастать до того момента, пока силы G и Q не уравновесятся:
Это состояние называется установившимся падением, а соответствующая ему скорость - предельной (критической) скоростью.
Критическая скорость определяется по формуле
Эта скорость при Сх парашютиста 0,3 будет равна 42 м/с, а при Сх парашютиста 0,15-58 м/с.
Поскольку плотность воздуха с высотой меняется, то и скорость падения будет постоянно меняться.
Рис. 1. Противодействие сил при падении парашютиста
Расстояние, проходимое парашютистом за время падения с высоты 1500-2000 м в зависимости от положения тела, показано в табл. 1.
С увеличением массы парашютиста увеличивается и скорость его падения. При этом, однако, надо учитывать, что увеличение массы парашютиста всегда связано с увеличением миделя тела, а следовательно, и с увеличением сопротивления воздуха, что в среднем приводит к незначительному увеличению скорости. Ориентировочно можно считать, что изменение массы парашютиста на 10 кг вызывает изменение скорости при установившемся падении на 2%, что у поверхности земли составит разницу в 1 м/с.
Нагрузки при раскрытии парашюта. При введении парашюта в действие происходит снижение приобретенной при падении скорости. Из механики известно, что всякое изменение скорости в единицу времени по величине или направлению называется ускорением.
Если, например, скорость в начале движения была , а через время t стала , то среднее ускорение определяют по формуле
где а - ускорение;
Скорость в начале движения;
- скорость в конце движения;
t- время, за которое произошло изменение скорости.
Зная скорость в начале и конце движения, например при раскрытии парашюта, а также время, за которое происходит его полное раскрытие, можно определить величину среднего ускорения.
Если принять скорость падения равной 50 м/с, скорость после раскрытия парашюта , равной 5 м/с, и время t, за которое произошло полное раскрытие парашюта, равным 2 с, то получим
= 
Знак минус указывает на замедление (торможение) скорости падения.
Зная, что ускорение при свободном падении равно 9,81 м/с 2 , определим, во сколько раз увеличилось ускорение, т. е. какова величина перегрузки:
Имея данные о перегрузке, легко определить и нагрузку F, действующую на тело в момент раскрытия парашюта. Ее вычисляют по формуле
F == mgn.
При массе парашютиста 70 кг получим
F =70.9,81.2,3= 1579,4 Н (161 кгс).
Это значит, что парашютист в момент раскрытия парашюта как бы «прибавляет» в массе на величину, пропорциональную перегрузке. Такие перегрузки человек переносит легко, тем более что они возникают не мгновенно, а достигают максимальной величины через 2 с, за которые происходит изменение скорости
Таблица 1
| Время падения, | Положение тела | ||
| устойчивое вниз головой | неустойчивое | устойчивое плашмя | |
| расстояние, пройденное телом, м | |||
| 4.9 | 4,9 | 4.9 | |
| 19.5 | 19.5 | 19,5 | |
| 44,0 | 43,8 | 43.5 | |
| 76,0 | 75,0 | 73,5 | |
Скорость снижения с раскрытым парашютом. При установившейся скорости снижения с парашютом, не имеющим собственной горизонтальной скорости, сила сопротивления купола Q находится в равновесии с силой тяжести G. Силы. в этом случае располагаются, как это указано на рис. 1.
Когда равновесие достигнуто, т. е. G==Q, тогда
Отсюда скорость снижения у земли для парашютнойсистемы будет
Если принять силу тяжести системы G==90 кгс, коэффициент лобового сопротивления =0,9, а площадь купола парашюта S=55 м 2 , то получим
= 
что соответствует снижению с куполом парашюта УТ-15
Современные спортивные парашюты имеют собственную горизонтальную скорость. Это дает им возможность перемещаться при снижении не только вместе с воздушной массой по отношению к земле, но и относительно воздушной массы в том или ином направлении. Собственная горизонтальная скорость возникает у купола за счет реактивного эффекта, получаемого при выходе воздуха через отверстия в куполе.
Из аэродинамики известно, что в результате перемещения тела в воздушной среде, силе, действующей на тело по оси перемещения, противодействует сила сопротивления воздуха. При условии равенства этих сил движение по оси перемещения будет равномерным. При увеличении одной из сил возникает дополнительная сила, направленная перпендикулярно линии движения. В аэродинамике эта сила называется подъемной и обозначается буквой Y.
Рис. 2. Схема разложения сил при парашютировании с "планирующим "куполом:
G - общий полетный вес системы «парашютист + парашют»; Q - сила лобового сопротивления; Y - подъемная сила; W - скорость парашютирования: R - результирующая сила
Сила эта невелика и поднять купол вверх, как например при полете самолета, она не может, но оказывает существенное влияние на скорость снижения при прыжках с парашютом, имеющим собственную горизонтальную скорость перемещения, и с ней необходимо считаться.