Загальні відомості
Прискорення - це зміна швидкості тіла за певний відрізок часу. В системі СІ прискорення вимірюється в метрах в секунду за секунду. Також часто використовуються інші одиниці. Прискорення може бути постійним, наприклад прискорення тіла у вільному падінні, а може змінюватися, наприклад прискорення рухається автомобіля.
Інженери і дизайнери враховують прискорення при проектуванні і виготовленні автомобілів. Водії використовують знання про те як швидко прискорює або уповільнює швидкість їх автомобіль під час водіння. Також знання про прискорення допомагають будівельникам і інженерам запобігти або звести до мінімуму пошкодження, викликані різким прискоренням або уповільненням, пов'язаних з ударами або поштовхами, наприклад, при зіткненнях автомобілів або під час землетрусів.
Піраміда "Трансамерика» в Сан-Франциско, США. Це будівля стійка до силам кручення, які діють на нього під час сейсмічних явищ.
Захист від прискорень за допомогою амортизуючих і демпфуючих конструкцій
Якщо будівельники враховують можливі прискорення, будівля стає більш стійко до поштовхів, що допомагає врятувати життя людей під час землетрусів. У місцях з високою сейсмічністю, наприклад в Японії, будівлі будують на спеціальних платформах, які зменшують прискорення і пом'якшують поштовхи. Конструкція цих платформ схожа на підвіску в автомобілях. Спрощена підвіска також використовується в велосипедах. Її частіше встановлюють на гірських велосипедах, щоб зменшити неприємні відчуття, травми, а також пошкодження велосипеда через різкі ударних прискорень при русі по нерівних поверхнях. Мости також встановлюють на підвісках, щоб зменшити прискорення, яке надають мосту рухомі по ньому автомобілі. Прискорення, викликані рухом всередині і зовні будинків, заважають музикантам в музичних студіях. Для його зменшення всю студію звукозапису підвішують на демпфуючих пристроях. Якщо музикант влаштовує домашню студію звукозапису в приміщенні без достатньої звукоізоляції, то підвісити її в уже збудованому будинку дуже складно і дорого. У домашніх умовах встановлюють на підвіски тільки підлогу. Оскільки вплив прискорення зменшується зі збільшенням маси, на яку воно впливає, замість використання підвісок іноді обтяжують стіни, підлогу і стелю. Стелі теж іноді влаштовують підвісними, так як це не так складно і дорого зробити, але допомагає зменшити проникнення в приміщення зовнішніх шумів.
Прискорення в фізиці
Другий закон Ньютона
Другий закон Ньютона
Згідно з другим законом Ньютона сила, що діє на тіло, дорівнює добутку маси тіла і прискорення. Силу можна обчислити за допомогою формули F = ma, де F - сила, m - маса, і a - прискорення. Так сила, що діє на тіло, змінює його швидкість, тобто надає йому прискорення. Згідно з цим законом прискорення залежить не тільки від величини сили, яка штовхає тіло, а й пропорційно залежить від маси тіла. Тобто, якщо сила діє на два тіла, А і B, і B - важче, тоді B буде рухатися з меншим прискоренням. Ця схильність тел протистояти зміні в прискоренні називається інерцією.
Інерцію легко побачити в повсякденному житті. Наприклад, автомобілісти не носять шолом, а мотоциклісти зазвичай подорожують в шоломі, і часто - в інший захисному одязі, наприклад шкіряних куртках з потовщеннями. Одна з причин - при зіткненні з автомобілем більш легкий мотоцикл і мотоцикліст швидше змінять свою швидкість, тобто почнуть рухатися з великим прискоренням, ніж автомобіль. Якщо його не накриє мотоциклом, то мотоцикліст, ймовірно, вилетить з сидіння мотоцикла, так як він ще легше, ніж мотоцикл. У будь-якому випадку мотоцикліст отримає серйозні травми, в той час як водій - набагато менші, так як автомобіль і водій отримають при зіткненні набагато менше прискорення. У цьому прикладі не враховується сила всесвітнього тяжіння; передбачається, що вона дуже мала в порівнянні з іншими силами.
Прискорення і рух по колу
У тіла, яке рухається по колу зі швидкістю однакового розміру - змінна векторна швидкість, так як його напрямок постійно змінюється. Тобто, це тіло рухається з прискоренням. Прискорення направлено в сторону осі обертання. В цьому випадку вона в центрі кола, яка є траєкторією руху тіла. Це прискорення, а також викликає його сила, називаються доцентровими. Згідно з третім законом Ньютона, у кожної сили є протидіюча їй сила, що діє в протилежному напрямку. У нашому прикладі ця сила називається відцентровою. Саме вона утримує вагонетки на американських гірках, навіть коли ті рухаються в перевернутому стані по вертикальних круговим рейках. Відцентрова сила штовхає вагонетки від центру кола, створеної рейками, так що вони притискаються до рейок.
Прискорення і сила тяжіння
Гравітаційне тяжіння планет - одна з основних сил, яка діє на тіла і надає їм прискорення. Наприклад, ця сила притягує до поверхні Землі тіла, що знаходяться поруч із Землею. Завдяки цій силі тіло, яке відпустили поруч з поверхнею Землі, і на яке не діють ніякі інші сили, знаходиться у вільному падінні, поки не зіткнеться з поверхнею Землі. Прискорення цього тіла, зване прискоренням вільного падіння, так само 9,80665 метрів в секунду за секунду. Ця постійна величина позначається g і її часто використовують, щоб визначити вагу тіла. Так як згідно з другим законом Ньютона F = ma, то вага, тобто сила, яка діє на тіло - це добуток маси і прискорення вільного падіння g. Масу тіла легко обчислити, тому вага теж легко знайти. Варто зауважити, що слово «вага» в побуті часто позначає властивість тіла, масу, а не силу.
Прискорення вільного падіння - різний для різних планет і астрономічних об'єктів, так як воно залежить від їх маси. Прискорення вільного падіння поблизу від Сонця в 28 разів більше ніж земне, поблизу Юпітера більше в 2,6 рази, а біля Нептуна - в 1,1 рази. Прискорення поруч з іншими планетами менше земного. Наприклад, прискорення біля поверхні Місяця дорівнює 0,17 прискорення біля поверхні Землі.
Прискорення і транспортні засоби
Тести на прискорення для автомобілів
Вплив прискорення на людей
При русі автомобіля з прискоренням пасажирів тягне в бік, протилежний руху і прискорення. Тобто, тому - при прискоренні, і вперед - при гальмуванні. При різких зупинках, наприклад під час зіткнення, пасажирів так різко смикає вперед, що вони можуть вилетіти з сидінь і вдаритися об обшивку автомобіля або вікна. Ймовірно навіть, що вони розіб'ють своєю вагою скло і вилетять з машини. Саме через цю небезпеку в багатьох країнах були прийняті закони про те, щоб у всіх нових автомобілях повинні бути встановлені ремені безпеки. У багатьох країнах також було законодавчо закріплено вимогу про те, що водій, всі діти, і, по крайней мере, пасажир на передньому сидінні зобов'язані пристібатися ременями безпеки під час руху.
Космічні апарати під час виходу на орбіту Землі рухаються з великим прискоренням. Повернення на Землю, навпаки, супроводжується різким уповільненням. Це не тільки викликає у космонавтів дискомфорт, а й небезпечно, тому вони проходять інтенсивний курс тренувань перед тим, як вирушати в космос. Такі тренування допомагають космонавтам легше переносити перевантаження пов'язані з високим прискоренням. Пілоти швидкісних літаків також проходять цю тренування, так як ці літаки досягають високого прискорення. Без тренування різке прискорення викликає відтік крові від мозку і втрату кольорового зору, потім - бічного, потім - зору взагалі, а далі - втрату свідомості. Це небезпечно, так як пілоти і космонавти не можуть в такому стані керувати літаком або космічним апаратом. Поки тренування на перевантаження не стали обов'язковою вимогою в підготовці пілотів і космонавтів, перевантаження з високим прискоренням іноді закінчувалися аваріями і смертю пілотів. Тренування допомагають запобігти втраті свідомості і дозволяють пілотам і космонавтам переносити велике прискорення протягом більш тривалого часу.
Усередині кабіни космічного апарату «Аполлон» CM-011A на борту авіаносця «Хорнет» (USS Hornet CV-12)
Окрім тренувань в центрифузі, описаних нижче, космонавтів та пілотів навчають спеціальним прийому скорочення м'язів живота. При цьому кровоносні судини звужуються і менше крові потрапляє в нижню частину тіла. Запобігти відтоку крові з мозку під час прискорення допомагають також протівоперегрузочниє костюми, так як вбудовані в них спеціальні подушки наповнені повітрям або водою і тиснуть на живіт і ноги. Ці прийоми запобігають відтік крові механічно, в той час як тренування в центрифузі допомагають людині підвищити витривалість і звикання до високого прискоренню. Сама центрифуга являє собою горизонтальну трубу з кабіною на одному кінці труби. Вона обертається в горизонтальній площині і створює умови з великим прискоренням. Кабіна забезпечена карданним підвісом і може обертатися в різних напрямках, забезпечуючи додаткове навантаження. Під час тренувань на космонавтів або пілотів надіті датчики і лікарі стежать за їх показниками, наприклад за пульсом. Це необхідно для забезпечення безпеки, а також допомагає стежити за адаптацією людей. У центрифузі можна імітувати як прискорення в нормальних умовах, так і балістична входження в атмосферу при аваріях. Космонавти, які проходять підготовку на центрифузі, кажуть, що відчувають при цьому сильний дискомфорт у грудях і в горлі.