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

نیرو های مکانیکی وارد بر بدن یک شناگر

توسط میلاد سکاکی۱۴ آبان, ۱۳۹۵

بررسی نیرو های وارد بر بدن یک شناگر در آب

مرکز ثقل :‌مرکز ثقل نقطه ای است که جرم دراطراف آن به صورت کاملا مساوی توزیع شده است به بیان دیگر مرکز ثقل مرکز تلاقی سه صفحه ی اصلی بدن یعنی صفحات سهمی ، عرضی و افقی است به طور کلی مرکز ثقل یک فرد بالغ درحدود دومین مهره ی خاجی 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 محیط سیال متفاوت مسابقه می دهند (آب و هوا ) و لذا حرکت او تحت تاثیر هر دو محیط و در رابطه با اندامهایی که در هر یک از این دو محیط در حرکت هستند واقع می شوند.

در پاره ای موارد اثر مقاومت محیط سیال ممکن است در واقع بارز باشد.از جمله می توان شنا، قایقرانی با پارو، قایقرانی بادی و اسکی روی آب که در آنها حرکت سریع در داخل آب مطرح است و با ورزشهایی که با سرعت زیاد در هوا انجام می شود.

حرکات پرتابی مانند شیرجه فضایی، پرش اسکی، تیر و کمان

حرکات غیرپرتابی مانند ورزشهایی از قبیل اسکی و موتور سواری

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. بیشینه حجم آب که شناگر می تواند آن را جابه جا کند ،  مساوی با حجم بدن او می باشد

این بیشینه جابجایی موقعی رخ می دهد که شناگر بطور کامل در آب فرو رود.

محدودیت در حجم آبی که می توان جابجا نمود مرز حد نهایی مقدار نیروی شناور وارد بر بدن را  مشخص می کند.

 

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 تصویر زیر (A2) آبى که به‌وسیلهٔ شناگر جابجا مى‌شود تحت اثر عملکرد دو نیروى عمودى (وزن شناگر و نیروى شناوری) به حالت تعادل در مى‌آید. واقعیت این است که وقتى این آب متعادل مى‌باشد در معنا این دو نیز نه تنها از نظر مقدار مساوى هستند بلکه باید در جهت خط مستقیم و مخالف یکدیگر عمل کنند و لذا نیروى شناورى مانند وزن باید از داخل مرکز گرانش آبى که در شرف جابجایى است عمل کند. موقعى که شناگر حالت و وضعیت شکل زیر (A3) را به‌دست مى‌آورد مقدار و جهت عملکرد نیروى شناورى دقیقاً مانند قبل مى‌باشد و نقطه‌اى که نیروى شناورى از آن گذشته و عمل مى‌کند به نام مرکز شناورى خوانده مى‌شود. (این نقطه قبلاً مرکز گرانش آب جابجا شده بوده است).

محل مرکز شناوری، در پیش‌بینى و تعیین اتفاقاتى که پس از به‌دست آوردن وضعیت خوابیده به پشت در سطح آب روى مى‌دهد از اهمیت ویژه‌اى برخوردار است. هرگاه مرکز ثقل بدن شناگر و مرکز شناورى برهم منطبق باشند و یا به‌طور عمودى در یک خط و یکى در بالاى دیگرى قرار گیرد، بدن وضعیت افقى خود را در آب حفظ مى‌کند، گرچه این وضعیت به‌طور نسبى براى مردان معمولى نمى‌باشد (در آزمون‌هایى که براى اندازه‌گیرى قابلیت شناورى به‌وسیلهٔ آقاى وایتینگ انجام شده است تنها یکى از زنان از بین شش نفر مورد آزمایش توانسته است وضعیت افقى بدن خود را در آب حفظ نماید و مردان مورد آزمایش به‌مراتب خود را ضعیف‌تر از زنان در این آزمون نشان داده‌اند. در واقع، در بین ۳۹۱ مرد مورد آزمایش که سن آنها ۱۵ سال و به بالا بود، حتى یک نفر هم نتوانست وضعیت افقى بدن خود را در آب حفظ نماید).

در صورتى که مرکز شناورى منطبق بر مرکز ثقل نباشد و یا در یک خط و عمود بر یکدیگر قرار نگیرند، مرکز شناورى همواره نسبت به مرکز ثقل بدن به سر شناگر نزدیک‌تر خواهد بود. این بدین معنى است که وزن بدن و نیروى شناورى به شکل جفت نیرو عمل کرده و سعى مى‌کنند پائین‌تنه و پاها را به پائین فشار دهند (شکل A1). در چنین مواردی، پاها به‌تدریج در آب فرو رفته و به نقطه‌اى مى‌رسند که در آن وضعیت مرکز شناورى و مرکز ثقل بدن در امتداد یک خط عمودى قرار گیرند و سپس بدن شناگر در آن وضعیت به حالت شناور باقى مى‌ماند. (شکل A2).

موقعى که دیسکى در داخل تونل هوا قرار مى‌گیرد دو اثر به‌طور هم‌زمان به‌وجود مى‌آید. یکى جهت حرکت هوا به‌خصوص نزدیک‌ترین هوا نسبت به دیسک که باید براى عبور از مانع (دیسک) تغییر جهت دهد و دوم هوایى که با سطح دیسک مواجه شده و از سرعت آن در اثر برخورد با دیسک کاسته مى‌شود. این تغییرات در سرعت و جهت جریان هوا از این لحاظ به‌وجود مى‌آید که دیسک به‌نوبهٔ خود بر هوا فشار وارد مى‌کند و البته که در واکنش مربوط هوا نیز نیرویى مساوى و در جهات مختلف بر دیسک وارد مى‌سازد که آن را مقاومت سیالات مى‌نامند.

مؤلفهٔ نیروهاى اخیر که در جهت اصلى جریان هوا عمل (یعنى قبل از اینکه هوا راه عبور خود را از اطراف دیسک پیدا کند) تحت عنوان ‘نیروى کشش’ (Drag Force) شناخته مى‌شود (شکل A). موقعى که جسمى در محیط سیال در حالت حرکت است این نیروى کششى و یا مؤلفهٔ نیروى وارده توسط محیط سیال است که باعث کاهش سرعت جسم در مسیر خود مى‌گردد. وقتى شناگرى در یک برگشت به دیوارهٔ استخر فشار وارد مى‌کند این نیروى کششى است که از حرکت بیشتر آن و سُرخوردن او در آب مى‌کاهد و ضرورت دست‌وپازدن شناگر را براى پیشروى فراهم مى‌کند. همین نیروى کششى است که به‌طور مؤثر از سرعت توپ بدمینتون پس از اینکه ضربه به آن وارد شد مى‌کاهد و باعث مى‌شود تا توپ مسیرى را که حتى نزدیک به قوس کامل مى‌باشد طى نکند.

مؤلفهٔ دیگر نیرو که در جهت قائم نسبت به نیروى کشش عمل مى‌کند تحت عنوان نیروى بالابرنده شناخته مى‌شود (شکل A). اهمیت مؤلفهٔ بالابرنده در مثال‌هایى مانند اسکى روى آب به‌خوبى آشکار مى‌شود زیرا اسکى‌باز قبل از اینکه حرکت سُر خوردن روى آب را به‌دست آورد در وضعیتى قرار مى‌گیرد که اسکى‌هاى او به‌طور مایل به جلو و به بالا در آب بوده و تنها نوک آنها از آب خارج مى‌باشند سپس موقعى که با طناب قایق به جلو کشیده مى‌شود نیروى مؤلفهٔ بالابرنده که به‌وسیلهٔ آب بر اسکى‌هاى او وارد مى‌گردد باعث خواهد شد تا او را بالا برده، بر روى سطح آب قرار دهد. لذا وضعیت قرار گرفتن اسکى‌هاى او در آب تعیین‌کنندهٔ مقدار نیروى لازم براى توفیق در بالابردن و در سطح آب قرار دادن اسکى‌باز مى‌باشد. هرگاه اسکى‌ها نزدیک به وضعیت عمود در آب قرار گیرند بدیهى است که نیروى کششى بسیار زیاد خواهد شد و عملاً مؤلفهٔ بالابرنده ناچیز بوده و یا اصولاً وجود نخواهد داشت و هرگاه اسکى‌ها نزدیک به وضعیت افقى در آب قرار گیرند باز در این حالت نیز مؤلفهٔ بالابرنده ناچیز بوده و یا اصولاً وجود نخواهد داشت لذا در این وضعیت اسکى‌باز موفق نخواهد شد که بدن خود را از آب بالا کشیده و در سطح آب قرار گیرد.

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

پاسخ بدهید