Инерционные характеристики тела человека. Инерционные характеристики судна. Динамические характеристики движений

Уравнение движения судна можно записать в следующем виде:

F дв - R общ = mΔv/t =ma

где m – масса судна, кг равная 1000 Д/g (здесь Д –водоизмещение, кН, g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2);

Δv – приращение скорости судна, м/с;

t – время, с;

F дв и R общ – имеют размерность кН.

Из уравнения движения видно, что масса судна и приращение скорости определяют его инерционные свойства.

Таким образом, под инерционными свойствами судна понимают определенную физическую зависимость между массой и быстротой приращения его скорости (ускорением).

Следовательно, под инерцией судна понимается способность его сохранять поступательное движение после остановки движителя или перевода его с переднего хода на задний или наоборот. Обычно инерционные свойства судна определяют опытным путем во время ходовых испытаний. Результаты испытаний заносят в таблицу маневренных элементов.

Для судовождения наиболее важны расстояние и время, необходимые для гашения инерции судна или для развития его максимальной скорости. Эти параметры принято называть инерционными характеристиками . К основным инерционным характеристикам судна (рис.5.4) относят разгон , свободный выбег и торможение .

Разгон – процесс достижения судном установившейся скорости при заданном режиме работы движителей.

Характеризуется расстоянием и временем, необходимым для достижения установившейся скорости. Ориентировочно величина разгона составляет 7 -8 длин судна (с V =0 до Vmax).

Рис.5.4. Инерционные характеристики судов

Свободный выбег – процесс гашения инерции под воздействием сопротивления воды и воздуха движению без активной работы движителей. Характеризуется длиной выбега – расстоянием, которое проходит судно с момента подачи команды «Стоп» до полного прекращения движения, и временем, затраченным на этот процесс. Ориентировочно величина выбега составляет 10 -15 длин судна.

Торможение – процесс гашения инерции прямолинейного движения судна путем реверсирования движителей с переднего хода на задний (или наоборот)

Торможение характеризуется длиной тормозного пути и временем торможения.

Тормозной путь – это расстояние, пройденное судном с момента подачи команды «Стоп» и реверса движителей до полной остановки судна (V=0).

Время торможения – это время, затраченное на процесс полного гашения инерции в результате работы движителей в режиме «Полный назад». Ориентировочно для одиночных судов тормозной путь составляет 5- 6 длин судна.

Тело человека представляет собой сложную биомеханическую систему, которая в повседневной жизни может испытывать значительные ускорения, а в спорте высших достижений особен­но. При этом возникают усилия, приводящие к нарушению коор­динации движений, травмам и прочим изменениям в тканях ОДА.

Исследования движений человека (спортсмена) аналитически­ми методами механики проводятся с помощью моделей различной сложности, заменяющих ОДА и воспроизводящих действительную картину движений со степенью точности, достаточной для постав­ленных в процессе исследований задач.

Все сочленения звеньев тела можно моделировать геометриче­ски идеальными вращательными шарнирами.

Чтобы воспроизвести движения тела человека, в моделях из мак­симально возможных шести измеряемых движений для каждого твер­дого звена, когда оно не присоединено к соседним звеньям (трех по­ступательных и трех вращательных относительно трех координатных осей, фиксированных на соседнем звене), при наложении кинема­тических связей исключаются все поступательные и остаются лишь вращательные движения, причем нередко допускаются только неко­торые вращательные движения из трех возможных. Все оставшиеся вращательные движения составляют степени свободы звеньев.

Формула для определения числа степеней свободы ОДА в целом:

где и - число степеней свободы; N - число подвижных звеньев в модели тела; / - число ограничений степеней свободы в соеди­нениях-суставах; Р. - число соединений с (ограничениями. При этом ЕР. = N - /.

Общее число степеней свободы тела человека составляет око­ло 6 144 - 5 81 - 4 33 - 3 29 = 240 (A. Morecki et al., 1969), но с полной достоверностью точное число неизвестно в связи с при­ближенным характером модели.

По кинематической схеме модели (см. рис. 17.43), подобно уп­рощенному скелету руки (см. рис. 17.43, г), легко подсчитать, что в этом примере подвижность руки относительно плечевого пояса оценивается 7-ю степенями свободы.

Положение о преодолении избыточных степеней свободы при работе наглядно изображается на кинематической схеме (см. рис. 17.43, а), если момент мышечных сил в каждом суставе разложить на его составляющие по степени свободы (см. 17.43, г). Очевидно, что число этих компонент момента будет равно числу степеней свободы.

Различают две задачи динамики. При решении первой задачи считается, что известны законы движения всех звеньев (обоб­щенные координаты) и определяются суставные моменты и дина­мические нагрузки в суставах. Этот расчет позволяет оценить прочность, жесткость и надежность исследуемой системы. Вторая задача динамики заключается в определении динамических оши­бок - отклонений законов движения от заданных. Известными счита­ются внешние силы и находятся законы движения.

При решении задач динамики необходимо выбрать и обосновать динамическую расчетную схему. Важную роль при их построении играет моделирование воздействий внешних факторов, в том чис­ле трения, материала и др. Затем строят математическую модель, соответствующую динамической расчетной схеме.

При построении динамических расчетных схем тела человека актуальным является определение масс-инерционных характери­стик (МИХ) сегментов тела: масс, моментов инерции, координат центров масс отдельных сегментов (частей) тела. Границы сегмен­тов набирают таким образом, чтобы внутри сегмента отсутство­вала деформация или непроизвольное изменение геометрии масс сегмента. Обычно выделяют следующие сегменты: стопу, голень, бедро, кисть, предплечье, плечо, голову, верхний, средний и ниж­ней отделы туловища. На рис. 17.45 указаны значения моментов

инерции основных сегментов (оси обозначены в соответствии с рис. 2.1); на рис. 17.45 - антропометрические точки, определяющие границы сегментов и координаты центров масс сегментов на их про­дольных осях, в табл. 17.12 - относительные массы сегментов (за 100% принята масса тела).

Оценку масс-инерционных параметров выполняют как прямыми методами (погружение в воду, внезапное освобождение, сечение трупов, компьютерная томография и др.), так и с использованием методов математического и физического моделирования. В послед­ние годы наиболее удобным методом является метод геометричес­кого моделирования.

Метод прост, для его выполнения необходимы антропометрические измерения (10 обхватов и 10 длин). Минимум ошибок прогнозируется для МИХ отдельных сегментов за счет введения индивидуальных ко­эффициентов квазиплотности. Кроме этих методов, используют метод определения МИХ по уравнению регрессии, с использованием массы (X t) и длины тела (X,): Y = В 0 + В Х Х Х + BJC r Параметры регрессии представлены в табл. 17.11.

Антропометрические характеристики определяют геомет­рические размеры тела человека и отдельных его сегментов: это величины, случайным образом измеряющиеся в зависимости от возраста, пола, национальности, рода занятий и т. д.

Основные статические, т. е. измерения при фиксированной позе, размеры тела приведены на рис. 17.46, а, и в табл. 17.8.

Динамические антропометрические характеристики исполь­зуют для оценки объема рабочих движений, зон досягаемости и в других биомеханических и эргономических задачах, в частности при создании антропометрических манекенов. Некоторые дина­мические параметры приведены в табл. 17.11; 17.12; 17.13 и на рис. 17.46,6.

Инерционная характеристика представляет собой зависимость момента инерции Jрабочей машины от времени, линейного или углового пути. Момент инерции используется для определения времени пуска и торможения, исследования переходных процессов и определения динамических усилий и моментов,.

Величина момента инерции машин определяется массами движущихся деталей и грузов и радиусами инерции.

J прив =J дв +J m 1 +J m 2 +J чер +J бар /i ред, (3.13)

где J прив -приведенный момент инерции сиcтемы;

J дв =0,0056 кгм 2 - момент инерции двигателя;

J m 1 -момент инерции 1-ой половины муфты;

J m 2 -момент инерции 2-ой половины муфты;

J чер момент инерции червячной пары;

J бар =0,11 кгм 2 - момент инерции барабана сепаратора;

Примем некоторые допущения в кинематической схеме:

зазоры в червячной паре не учитываем;

момент инерции ведущей части муфты отнесем к моменту инерции двигателя;

момент инерции ведомой части муфты и червячной пары отнесем к моменту инерции барабана сепаратора;

После допущений:

J прив =J дв +J бар /i ред (3.14)

J прив =0,0056+0,11/0,231=2,07 ,кгм 2

Приведенный момент инерции системы достаточно велик, т.к. передаточное число червячной передачи очень мало(i ред =0,231);

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика рабочей машины представляет зависимость момента сопротивления М с, или мощности Р с рабочей машины от времениt, угловогоили линейногоSпути. Они необходимы для определения режима работы двигателя, выбора его мощности и проверки на перегрузочную способность, .

Рисунок 3.4 – Характер изменения параметров электродвигателя и муфты

Сепараторы относятся к машинам, работающим с практически постоянной нагрузкой. Режим работы, в основном, продолжительный (2…2,5часа).

В процессе работы сепаратора выделяют 3 периода его работы:

1)Разгон барабана сепаратора до установившейся скорости  уст;

2)Холостой ход при  уст (жидкость в барабан не поступает);

3)Работа под нагрузкой;

Проанализировав технологическую и кинематическую характеристики сепаратора, делаем вывод что, момент сопротивления сепаратора практически постоянный, независящий от времени (нагрузка постоянная)

М снагр =2М ׀ схх Нм

P экв =P ном под нагр Вт (3.15)

Энергетическая характеристика

Энергетическая характеристика показывает распределение энергии между отдельными рабочими узлами машины и энергоемкость машины в целом. Изучение энергетической характеристики позволяет обосновать место установки приводного двигателя для привода рабочей машины, имеющей несколько рабочих органов .

Пусковая мощность привода барабана сепаратора:

Р пуск =J бар ·ω 2 бар /t·η мех, Вт,(3.16)

где t время разгона барабана до рабочей частоты вращения (120…180 сек);

η мех =0,7…0,8механический КПД.

Р пуск =2,06·680 2 /150·0,8=7938 ,Вт

Р хх =М хх ·ω дв Вт, (3.17)

где Р хх =5,07·157=796 ,Втпотребная мощность на холостом ходу;

Р нагр =М нагр ·ω дв Вт, (3.18)

Где Р нагр =9,13·157=1433 ,Втпотребная мощность двигателя под нагрузкой;

Отношение потребной мощности на холостом ходу и под нагрузкой:

Р хх ·100% / Р нагр =796·100% /1433 =55% (3.19)

При полной нагрузке потребная мощность двигателя на холостом ходу составляет 55%, она идет на вращение барабана сепаратора, а 45% мощность, потребная на сообщение кинетической энергии жидкости, поступающей в барабан, а также на гидродинамические потери и увеличение потерь в подшипниках и передаточном механизме при нагрузке.

В процессе движения любое судно, особенно крупнотоннажное, имея значительную массу и недостаточно плотное сцепление с водной средой. Обладает свойством довольно медленно прекращать движение и изменять скорость. Инерционные свойства – физическая зависимость между массой и быстротой приращения скорости. Они обычно определяются опытным путем и результаты заносят в таблицу маневренных элементов судна. Для судовождения важны расстояние и время гашения инерции и развития максимальной скорости судном, эти параметры называются инерционные характеристики судна : торможение, свободный выбег и разгон.

Торможение – процесс гашения инерции прямолинейного движения судна путем реверсирования движителей с переднего на задний ход (и наоборот). Характеризуется длиной тормозного пути L т и времени торможения t т. Это расстояние пройденное судном с момента команды «Стоп» и реверса движителей до полной остановки судна и затраченное на это время. Торможение работой движителей «Полный назад» наз. экстренным.

Выбег – процесс гашения инерции поступательного движения судна под действием сопротивления воды без активной работы движителей. Характеризуется расстоянием L в, которое проходит судно с момента команды «Стоп» до момента полной остановки судна и временем затрачиваемым на это.

Разгон – процесс достижения судном установившейся скорости при заданном режиме работы движителей. Характеризуется расстоянием L р и временем при достижении установившейся скорости на данном режиме работы движителей.

Инерционные испытания судна проводят по специальной программе в зависимости от конструктивных особенностей судна, результаты испытаний заносят в таблицу маневренных элементов судна. Наибольшее значение имеют характеристики торможения.

Знание и учет инерционных характеристик при управлении судном обязательны для судоводителя!

3. Управляемость и циркуляция судна, её периоды и элементы

Управляемость судна зависит от свойств судна: корпус, рулевое устройство, движители, скорость, а также от внешних факторов ветер, течение, волнение, глубина и ширина С.Х. Особенно следует учитывать влияние скорости, которое неоднозначно. Так при движении судна гидродинамические силы и моменты (пропорциональны квадрату скорости набегающего потока) на руле и корпусе имеют постоянное соотношение, следовательно и траектория движения стабильна. Но если уменьшить скорость вращения винта, то момент руля изменится сразу из-за ослабления потока от винта, а гидродинамический момент на корпусе останется прежним, соотношение сил и моментов нарушится и траектория движения изменится.

Управляемость судна характеризуется устойчивостью на курсе и поворотливостью.

Устойчивость на курсе способность судна сохранять направление прямолинейного движения. Различают: собственную устойчивость – свойство после прекращения внешнего воздействия, без руля, приходить в прямолинейное движение (большинство судов собственной устойчивостью не обладают), и эксплуатационную устойчивость – способность судна сохранять заданное направление движения с помощью периодических перекладок руля (в зависимости от судна, осадки и дифферента). Характеризуется количеством требуемых перекладок руля в единицу времени для удержания судна в прямолинейном движении.

Поворотливость – способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны. Зависит от средств управления судном и характеристик корпуса в т.ч. осадки.

Устойчивость и поворотливость – антиподы, однако нужны оба и стремятся иметь положительными оба эти свойства судна.

Процесс поворота судна с переложенными рулями называется циркуляцией , которая характеризуется элементами и периодами.

После перекладки руля судно некоторое время движется по инерции в прежнем направлении, после преодолении сил инерции судно начинает двигаться по криволинейной траектории – циркуляции. В это время начинает действовать центробежная сила С приложенная к Ц.Т. и пропорциональная массе судна, квадрату скорости поступательного движения и обратно пропорциональна радиусу кривизны C=mv с 2 /r.

Рис 10 (о)

Перераспределяется гидродинамическое давление на корпус судна, т.е. увеличивается давление на внешний борт.

Дальнейшее движение (циркуляция) судна вызывает рост гидродинамического давления на корпус судна в кормовой части создавая реактивную силу D с плечом до ЦТ и момент поворачивающий судно в сторону противоположную повороту наз. демпфирующим , таким образом поворачивающий момент циркуляции состоит:

Моб = Мр + Мп – Мд

Циркуляция – криволинейная траектория перемещения центра тяжести судна при перек ладке рулевого органа , характеризуется критерием поворотливости отношением тактического диаметра циркуляции к длине судна Dт/L И имеет периоды:

Маневренный – от перекладки руля до начала поворота судна, под действием переложенного руля.

Эволюционный – от начала поворота до изменения курса на 90 град.относительно первоначального. В этот период растет угловая скорость поворота, судно имеет дрейф в противоположную повороту сторону, скорость поступательного движения уменьшается.

Установившейся циркуляции – после изменения курса на 180 град. от первоначального, судно движется по замкнутой траектории с постоянным диаметром Dц, и постоянной поступательной угловой скоростью.

Элементы циркуляции:

Выдвиг – расстояние между положениями ЦТ в момент перекладки руля и измененного на 90 град. курса.

L1(0,6 – 1,5 Dц )

Прямое смещение - расстояние на которое смещается ЦТ при повороте от 0 до 90 град. L2 (0,25- 0,5Dц )

Обратное смещение – расстояние смещения ЦТ в сторону противоположную повороту (0,1Dц)

Полюс поворота – воображаемая точка на ДП или её продолжении вокруг которой происходит поворот в данный момент.

Угол дрейфа – угол между вектором линейной скорости Vц и ДП судна.

Диаметр установившейся циркуляции – расстояние между положением ЦТ при изменении курса на 90 и 270 град от первоначального.

Диаметр тактической циркуляции – расстояние между ДП при курсе 0 град. и курсе 180 град.(1,1 – 1,2 Dц )

Dт = L2 T/10Sp

Циркуляция зависит от характеристик и качеств судна L, B, T, рулей, скорости, количества и размещение груза, крена и дифферента, внешних факторов. Данные испытаний управляемости и циркуляции заносятся в таблицу маневренных элементов судна, вносятся в формуляр маневренных характеристик и в лоцманскую карточку.

В таблицу маневренных элементов судна включают:

1. элементы циркуляции таблично и кривые

2.Таблици и графики скорости и оборотов движителя

3.Размерения судна

4.Инерционные характеристики на различных режимах

5.Таблицу осадки судна и проседания

6.Эволюцию при тревоге «Человек за бортом»

1-4 в балласте и в грузу.

По тематике данной лекции проводится 4-х часовое практическое занятие №2.2

Лекция № 2.2 (2 часа) . ТЕМА: Влияние на управляемость судна рулевых устройств. По данной теме проводится 2-х часовая лабораторная работа №2.1