مقالات
در حال خواندن
نیرو های مکانیکی وارد بر بدن یک شناگر
0

نیرو های مکانیکی وارد بر بدن یک شناگر

توسط Milad sakaki۱۴ آبان, ۱۳۹۵

بررسی نیرو های وارد بر بدن یک شناگر در آب

مركز ثقل :‌مركز ثقل نقطه اي است كه جرم دراطراف آن به صورت كاملا مساوي توزيع شده است به بيان ديگر مركز ثقل مركز تلاقي سه صفحه ي اصلي بدن يعني صفحات سهمي ، عرضي و افقي است به طور كلي مركز ثقل يك فرد بالغ درحدود دومين مهره ي خاجي واقع شده است .

 محل مرکز ثقل بدن

برای مرکز ثقل تعریف های متعددی ارائه شده که عبارت اند از :

–         به نقطه ی معینی از بدن که بدن بتواند آزادانه حول آن نقطه در مسیر دلخواه دوران نماید.

–         نقطه مشترک برخورد سطوح مختلف بدن ( صفحات فرضی که از بدن می گذرند).

–         نقطه ای از بدن که وزن به طور مساوی حول آن نقطه در جهات مختلف تقسیم شده باشد.

مرکز ثقل در انسان در حدود معادل ۵۵ درصد قامت از کف پاها قرار گرفته استو این نقطه از فردی به فرد دیگر متفاوت است .برای مثال در زنان کمی پایین تر از مردان قرار گرفته است . بنابراین می توان گفت که زنان از تعادل بیشتر و بهتری برخوردارند. اما در ورزشهای مثل پرش ارتفاع که عبور دادن مرکز ثقل از مانع تعیین کننده است مردان وضعیت بهتری دارند. در شرایط یکسان هر چه مرکز ثقل بالاتر باشد . پایداری و تعادل کمتر است .

چون سر کودکان نسبت به بدن آنها بزرگ‌تر است، در نتیجه مرکز ثقل بدن کودک بالاتر از یک بزرگسال است که منجر به وارد شدن آسیب بیشتر به سر در حوادث رانندگی می‌شود. به همین دلیل به کودکان اجازه ندهید روی صندلی جلوی خودرو بنشینند.

در شکل زیر پائین آمدن مرکز ثقل با بزرگ شدن کودک را می بینیمو در ابتدا مرکز ثقل نزدیک سینه کودک است و با بزرگتر شدن او و سنگین تر شدن اجزای پائین تنه نسبت به سر مرکز ثقل به سمت ناف، استخوان دوم خاجی ، نزدیک تر می شود.

 

در افراد معلول با قطع شدن یک یا دو پا چون میزان سنگینی پایین تنه کاهش می یابد مرکز ثقل کمی به سمت بالاتر حرکت می کند

 از سوی دیگر با پیرشدن سن فرد، به دلیل آب شدن عضلات و پوک تر شدن استخوان ، میزان جرم پائین تنه کاهش می یابد و در نتیجه دوباره مرکز ثقل به سمت بالا حرکت می کند. هر چه مرکز ثقل پائین تر باشد تعادل بیشتر است و امکان سقوط و افتادن کمتر می شود. به همین دلیل ماشین های تیونینگ را شبیه ماشین های مسابقه به زمین نزدیک تر می کنند تا سرپیچ ها هنگام سرعت چپ نکنند. از سوی دیگر بالا رفتن مرکز ثقل بدن باعث می شود فرد تعادل و پایداری کمتری داشته باشد. به همین دلیل است که بچه ها و افراد مسن زودتر سقوط می کنند و زمین می خورند. اما از طرف دیگر وقتی داخل آب هستند چون مرکز شناوری بدن آنها داخل ریه هایشان است و هر چه مرکز ثقل بدن به مرکز شناوری نزدیک شود میزان شناور شدن و روی آب ماندن فرد بهتر و راحت تر صورت می گیرد بچه ها و افراد مسن بهتر روی آب شناور می مانند.

 Image result for ‫شناوری بدن رو اب‬‎

 از سوی دیگر به دلیل تفاوت توزیع جرم بدن زن و مرد، مرکز جرم بدن زنان پائین تر از مردان قرار دارد.دلیل آن هم این است که لگن خاصره زنان بزرگتر از مردان است و تا بتوانند وظیفه بارداری و حمل بچه را بهتر انجام دهند. در نتیجه توده بیشتری در قسمت پائین تنه زنان جمع است و مرکز ثقل آنها از مردان پائین تر می باشد.این باعث می شود زن ها روی زمین پایدار تر از مردها باشند و به همین دلیل است که در انجام حرکات موزون زن ها استعداد بهتری دارند. ولی از سوی دیگر مرکز شناوری بدن خانم ها بالاتر از مردان می باشد.و در مجموع شناور ماندن زن ها روی آب بهتر صورت می گیرد. در شکل زیر مقایسه ای بین مرکز ثقل بدن زن و مرد و کودک صورت گرفته است.

 با تغییر دادن مکان اجزای بدن می توان مرکز ثقل بدن را جابجا کرد. مثلا وقتی دست ها را بالای سر می بریم مرکز ثقل بدن به سمت بالا حرکت می کند. همین طور وقتی روی سطح آب شناوریم و  سر خود را بالا می آوریم به دلیل سنگین بودن سر مرکز ثقل بدن  به سمت پائین کشیده شده و بلافاصله پاها به داخل آب فرو می روند به همین دلیل توصیه می شود که موقع شنا حتی الامکان سروصورت داخل آب باشند و برای نفس گرفتن بدن بچرخد اما سر بالا نیاید. بدیهی است تلاشی که فرد با بالا آوردن سر خود برای نفس گرفتن و یا دیدن روبروی خود به خرج می دهد سبب کاهش سرعت او می گردد چرا که با پائین آمدن پاها و پایین تنه در مقابل حرکت او به سمت جلو مقاومت بیشتری ایجاد می شود و از سرعت او به شدت کاسته می شود و او برای جبران باید انرژی بیشتری مصرف کند.

با سفت کردن عضلات دو سر ران و عضلات باسن و همزمان کشیدن عضلات دو سر کمر می توان مرکز ثقل بدن را به سمت بالا هدایت کرد. به همین خاطر است که برای افقی ماندن روی سطح آب اصرار می شود که بدن به صورت کاملا کشیده و مستقیم قرار گیرد.

البته هر چه فرد چربی بیشتری داشته باشد ، تراکم یا چگالی بدن او کمتر و حجم او بیشتر است و می تواند میزان آب بیشتری را جابجا کند. چون مقدار نیروی بالابرنده شناوری وارده از سوی آب دقیقا به اندازه وزن آبی است که بدن شخص جابجا می کند در نتیجه هر چه حجم فرد بیشتر باشد با فرض تراکم کمتر بدن، نیروی شناوری بیشتری به او اعمال می گردد. به همین خاطر همیشه می گویند که افراد چاق راحت تر روی آب می مانند.

میزان شناوری فرد روی آب به ساختمان بدن و چگالی بخش های مختلف بدن او نیز مرتبط است. هر چه تراکم بخشی از بدن فرد بیشتر باشد آن قسمت سنگین تر است و بیشتر در آب فرو می رود. برعکس هر چه تراکم یا چگالی اجزای بدن فرد نسبت به مایعی که در آن شناور است کمتر باشد(که این کاهش تراکم می تواند به خاطر افزایش چربی باشد) فرد به طور خود به خود و بدون هیچ انرژی اضافی ای می تواند روی آب شناور بماند. این مساله در مورد تمام حیوانات پرچربی و بزرگ نیز صادق است.

 از سوی دیگر هر چه عضلات کشیده تر و سفت تر شوند تراکم و چگالی آنها بیشتر می شود و در نتیجه سنگین تر می شوند.به همین دلیل هرعاملی که باعث سفت شدن عضلات کل بدن به صورت ناهماهنگ شود مثل اختلال در تنفس و استرس ناشی از آن ویا ترسیدن و وحشت از آب در مبتدیان ، پاهای آن ها سفت تر و مرکز ثقل آنها پائین تر می رود و بیشتر در آب فرو می روند. به همین دلیل باید به طور مرتب و منظم تنفس کرد و در عین حال با آرامش و حالت ریلکس سعی کرد به صورت افقی روی آب دراز کشید.

افقی روی آب دراز کشیدن با نزدیک کردن مرکز جرم بدن به مرکز شناوری بدن

در این قسمت روش جابجا کردن مرکز جرم بدن از زیر شکم به سمت بالای قفسه سینه از طریق منقبض کردن عضلات دو سر ران و عضلات باسن و همزمان با آن کشیدن عضلات دوسمت ستون فقرات توضیح داده می شود.

شناگران همزمان در دو محيط سيال متفاوت مسابقه مي دهند (آب و هوا ) و لذا حركت او تحت تاثير هر دو محيط و در رابطه با اندامهايي كه در هر يك از اين دو محيط در حركت هستند واقع مي شوند.

در پاره اي موارد اثر مقاومت محيط سيال ممكن است در واقع بارز باشد.از جمله مي توان شنا، قايقراني با پارو، قايقراني بادي و اسكي روي آب كه در آنها حركت سريع در داخل آب مطرح است و با ورزشهايي كه با سرعت زياد در هوا انجام مي شود.

حركات پرتابي مانند شيرجه فضايي، پرش اسكي، تير و كمان

حركات غيرپرتابي مانند ورزشهايي از قبيل اسكي و موتور سواري

هنگامیکه یک جسم یا یک ورزشکار در سطح آب قرار می‌گیرد،نیرویی از طرف آب بر آن وارد می‌شود که مقدار این نیرو برابر وزن آب جابجا شده است. این نیروی وارده از طرف آب نیروی شناوری نامیده می‌شود. بيشينه حجم آب كه شناگر مي تواند آن را جابه جا كند ،  مساوي با حجم بدن او مي باشد

اين بيشينه جابجايي موقعي رخ مي دهد كه شناگر بطور كامل در آب فرو رود.

محدوديت در حجم آبي كه مي توان جابجا نمود مرز حد نهايي مقدار نيروي شناور وارد بر بدن را  مشخص مي كند.

 

در صورتیکه نیروی شناوری وارد بر یک جسم برابر و بزرگتر از وزن جسم باشد، آن جسم در سطح آب بصورت شناور می‌ماند. به عبارت دیگر، هر گاه وزن مخصوص یک جسم کوچکتر و مساوی یک باشد آن جسم در سطح آب غوطه‌ور می‌ماند.

تفاوت مرکز جرم در مرد و زن و کودک

همان طوری که مشخص است مرکز جرم کودک به قفسه سینه یعنی مرکز شناوری او نزدیک است به همین دلیل است که بچه ها خیلی راحت در آب شناور می مانند.

با تغییر مکان مرکز جرم نسبت به مرکز شناوری کشتی به یک سمت کج می شود.

نقطه اثر نیروی شناوری بر یک جسم دقیقاً منطبق بر نقطه‌ای از جسم است که این نقطه مرکز ثقل آب جابجا شده استاین نقطه را مرکز شناوری می‌نامند.

هرگاه مرکز شناوری و مرکز ثقل جسم یا شناگر بر هم منطبق و یا بطور عمودی در یک خط و یکی در بالای دیگری قرار گیرد، جسم یا شناگر وضعیت افقی خود را در آب حفظ می‌کند.

کشتی به شرطی روی آب افقی باقی می ماند که نیروی شناوری و نیرو ثقل هر دو به نقطه یکسانی وارد شوند. این قانون برای تمام اجسام شناور در آب از جمله بدن شناگر نیز صادق است.

اگر این دو نیرو در راستای هم نباشند، عموماً به حالت جفت نیرو عمل کرده و باعث چرخش جسم می‌شوند.

در این حالت معمولاً پایین تنه و پاهای شناگر به سمت پایین رفته و در نقطه‌ای که نیروهای شناوری و مرکز ثقل دوباره در راستای هم قرار گیرند، شناگر مجدداً به حالت شناور باقی می‌ماند.

*********

در تصوير زير (A2) آبى که به‌وسيلهٔ شناگر جابجا مى‌شود تحت اثر عملکرد دو نيروى عمودى (وزن شناگر و نيروى شناوري) به حالت تعادل در مى‌آيد. واقعيت اين است که وقتى اين آب متعادل مى‌باشد در معنا اين دو نيز نه تنها از نظر مقدار مساوى هستند بلکه بايد در جهت خط مستقيم و مخالف يکديگر عمل کنند و لذا نيروى شناورى مانند وزن بايد از داخل مرکز گرانش آبى که در شرف جابجايى است عمل کند. موقعى که شناگر حالت و وضعيت شکل زير (A3) را به‌دست مى‌آورد مقدار و جهت عملکرد نيروى شناورى دقيقاً مانند قبل مى‌باشد و نقطه‌اى که نيروى شناورى از آن گذشته و عمل مى‌کند به نام مرکز شناورى خوانده مى‌شود. (اين نقطه قبلاً مرکز گرانش آب جابجا شده بوده است).

محل مرکز شناوري، در پيش‌بينى و تعيين اتفاقاتى که پس از به‌دست آوردن وضعيت خوابيده به پشت در سطح آب روى مى‌دهد از اهميت ويژه‌اى برخوردار است. هرگاه مرکز ثقل بدن شناگر و مرکز شناورى برهم منطبق باشند و يا به‌طور عمودى در يک خط و يکى در بالاى ديگرى قرار گيرد، بدن وضعيت افقى خود را در آب حفظ مى‌کند، گرچه اين وضعيت به‌طور نسبى براى مردان معمولى نمى‌باشد (در آزمون‌هايى که براى اندازه‌گيرى قابليت شناورى به‌وسيلهٔ آقاى وايتينگ انجام شده است تنها يکى از زنان از بين شش نفر مورد آزمايش توانسته است وضعيت افقى بدن خود را در آب حفظ نمايد و مردان مورد آزمايش به‌مراتب خود را ضعيف‌تر از زنان در اين آزمون نشان داده‌اند. در واقع، در بين ۳۹۱ مرد مورد آزمايش که سن آنها ۱۵ سال و به بالا بود، حتى يک نفر هم نتوانست وضعيت افقى بدن خود را در آب حفظ نمايد).

در صورتى که مرکز شناورى منطبق بر مرکز ثقل نباشد و يا در يک خط و عمود بر يکديگر قرار نگيرند، مرکز شناورى همواره نسبت به مرکز ثقل بدن به سر شناگر نزديک‌تر خواهد بود. اين بدين معنى است که وزن بدن و نيروى شناورى به شکل جفت نيرو عمل کرده و سعى مى‌کنند پائين‌تنه و پاها را به پائين فشار دهند (شکل A1). در چنين مواردي، پاها به‌تدريج در آب فرو رفته و به نقطه‌اى مى‌رسند که در آن وضعيت مرکز شناورى و مرکز ثقل بدن در امتداد يک خط عمودى قرار گيرند و سپس بدن شناگر در آن وضعيت به حالت شناور باقى مى‌ماند. (شکل A2).

موقعى که ديسکى در داخل تونل هوا قرار مى‌گيرد دو اثر به‌طور هم‌زمان به‌وجود مى‌آيد. يکى جهت حرکت هوا به‌خصوص نزديک‌ترين هوا نسبت به ديسک که بايد براى عبور از مانع (ديسک) تغيير جهت دهد و دوم هوايى که با سطح ديسک مواجه شده و از سرعت آن در اثر برخورد با ديسک کاسته مى‌شود. اين تغييرات در سرعت و جهت جريان هوا از اين لحاظ به‌وجود مى‌آيد که ديسک به‌نوبهٔ خود بر هوا فشار وارد مى‌کند و البته که در واکنش مربوط هوا نيز نيرويى مساوى و در جهات مختلف بر ديسک وارد مى‌سازد که آن را مقاومت سيالات مى‌نامند.

مؤلفهٔ نيروهاى اخير که در جهت اصلى جريان هوا عمل (يعنى قبل از اينکه هوا راه عبور خود را از اطراف ديسک پيدا کند) تحت عنوان ‘نيروى کشش’ (Drag Force) شناخته مى‌شود (شکل A). موقعى که جسمى در محيط سيال در حالت حرکت است اين نيروى کششى و يا مؤلفهٔ نيروى وارده توسط محيط سيال است که باعث کاهش سرعت جسم در مسير خود مى‌گردد. وقتى شناگرى در يک برگشت به ديوارهٔ استخر فشار وارد مى‌کند اين نيروى کششى است که از حرکت بيشتر آن و سُرخوردن او در آب مى‌کاهد و ضرورت دست‌وپازدن شناگر را براى پيشروى فراهم مى‌کند. همين نيروى کششى است که به‌طور مؤثر از سرعت توپ بدمينتون پس از اينکه ضربه به آن وارد شد مى‌کاهد و باعث مى‌شود تا توپ مسيرى را که حتى نزديک به قوس کامل مى‌باشد طى نکند.

مؤلفهٔ ديگر نيرو که در جهت قائم نسبت به نيروى کشش عمل مى‌کند تحت عنوان نيروى بالابرنده شناخته مى‌شود (شکل A). اهميت مؤلفهٔ بالابرنده در مثال‌هايى مانند اسکى روى آب به‌خوبى آشکار مى‌شود زيرا اسکى‌باز قبل از اينکه حرکت سُر خوردن روى آب را به‌دست آورد در وضعيتى قرار مى‌گيرد که اسکى‌هاى او به‌طور مايل به جلو و به بالا در آب بوده و تنها نوک آنها از آب خارج مى‌باشند سپس موقعى که با طناب قايق به جلو کشيده مى‌شود نيروى مؤلفهٔ بالابرنده که به‌وسيلهٔ آب بر اسکى‌هاى او وارد مى‌گردد باعث خواهد شد تا او را بالا برده، بر روى سطح آب قرار دهد. لذا وضعيت قرار گرفتن اسکى‌هاى او در آب تعيين‌کنندهٔ مقدار نيروى لازم براى توفيق در بالابردن و در سطح آب قرار دادن اسکى‌باز مى‌باشد. هرگاه اسکى‌ها نزديک به وضعيت عمود در آب قرار گيرند بديهى است که نيروى کششى بسيار زياد خواهد شد و عملاً مؤلفهٔ بالابرنده ناچيز بوده و يا اصولاً وجود نخواهد داشت و هرگاه اسکى‌ها نزديک به وضعيت افقى در آب قرار گيرند باز در اين حالت نيز مؤلفهٔ بالابرنده ناچيز بوده و يا اصولاً وجود نخواهد داشت لذا در اين وضعيت اسکى‌باز موفق نخواهد شد که بدن خود را از آب بالا کشيده و در سطح آب قرار گيرد.

واکنش شما چیست؟
I like it
80%
interested
0%
Hate it
0%
What
20%
درباره نویسنده
Milad sakaki
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید