Что такое выносливость и есть ли у нее предел

Чем дольше продолжалась нагрузка, тем меньше становился метаболический объем.

Специалисты из Хантерского колледжа, относящегося к Городскому университету Нью-Йорка, проследили за метаболическим объемом марафонцев, а затем сравнили его с объемом других спортсменов, участвующих в испытаниях на выносливость. В результате они нашли его предел, который стагнирует после длительных нагрузок. Работа опубликована в журнале Science Advances.

В 2015 году в Соединенных Штатах проходил марафон под названием Race Across USA. Его участники начинали бежать в Лос-Анджелесе, а заканчивали в Вашингтоне, округ Колумбия.

Они бежали с перерывами на сон каждый день в течение четырех месяцев.

Команда исследователей из Хантерского колледжа и Университета Дьюка решила, что это отличный шанс, чтобы провести исследование, посвященное выносливости человека.

Они сосредоточились на таком показателе, как метаболический объем (metabolic scope). Он представляет собой отношение количества сожженных калорий за день к уровню метаболизма в покое (количеству калорий, которое организм сжигает в состоянии физиологического гомеостаза).

Чтобы подсчитать количество сожженных калорий за день, авторы воспользовались методом двойной маркировки воды. В молекуле воды они заменили атомы изотопами — кислородом-18 и дейтерием.

Таким образом они могли отслеживать перемещение изотопов в организме, измеряя метаболические отходы в виде диоксида углерода.

Что такое выносливость и есть ли у нее предел

График зависимости изменения веса от метаболического объема (красные — спортсмены, зеленый — беременная женщина, синие — переедающие люди) / ©Science Advances

В эксперименте участвовали шесть спортсменов. Измерения проводились в течение первой и последней недель. В результате авторы заметили, что с увеличением продолжительности нагрузки уровень метаболического объема падал. Его средний показатель за весь марафон составил 3,24.

Они также сравнили свои наблюдения с другими исследованиями, посвященными велогонке Тур-де-Франс, трехмесячным походам через Антарктиду и беременности. В первом случае средний показатель метаболического объема равнялся 4,9, во втором — 3,5, в третьем — 2,2. К этим данным авторы добавили результаты исследований переедания.

Они составили график зависимости изменения веса от метаболического объема и определили, что плато метаболической выносливости человека останавливается на отметке примерно 2,5.

Ранее австралийские ученые из Мельбурнского университета провели исследование с участием взрослых людей, в котором показали зависимость когнитивных способностей человека от утренней физической нагрузки. При выполнении утренних упражнений когнитивные способности участников улучшились.

Предел биомеханических возможностей человека можно отодвинуть

Наука » Экология » Человек

С какой максимальной скоростью может перемещаться человек на своих двоих? Рекорд в беге на 100 метров сейчас составляет 9,58 секунды. Он практически не изменился с 2009 года. Есть мнение, что это практически предел биомеханических возможностей человека в его сегодняшней анатомии. Однако расчеты показывают, что предел этот можно отодвинуть.

Нынешний мировой рекорд поставил бегун из Ямайки Усейн Болт, который отличается уникальными физическими данными. Конкурентов у него на сегодняшний день нет, но ученые готовы работать в этом направлении.

Еще в 2008 году в Journal of Experimental Biology (Журнал экспериментальной биологии), появился материал биолога из Стэнфорда Марка Денни (Mark Denny), который изучал рекорды бега на 100 метров, которые устанавливались с 1900 года.

После составления графика ученый написал уравнение, которое моделирует свойства полученной им кривой. Ближе к концу кривая становилась пологой, что отражает приближение к пределу нынешних человеческих возможностей. График показал, что пределом скорости для человека на стометровке станет 9,48 секунды.

Этот вывод близок к результатам исследования норвежских физиков мирового рекорда в беге на 100 метров, который Усейн Болт установил на пекинской Олимпиаде в 2008-м.

Норвежцы рассчитали, что он мог бы составлять не 9,69 секунд, а примерно 9,5 секунды. Создав подобные графики для других бегунов, Денни выяснил, что лошади и собаки уже достигли максимумов своей скорости.

Причем у скакунов это произошло еще в 50-х годах, а борзые «добежали» до предела в 70-е.

Работа «Биологический предел скорости бега обусловлен типом поверхности» Питера Уэйнда из Южного Методического Университета констатирует, что скорость бегуна ограничена силой, с которой спортсмен отталкивается от поверхности.

Раскрыт секрет скорости гепардов

Согласно проведенным расчетам, выдающиеся спринтеры вкладывают в каждый беговой шаг силу от 360 до 450 килограммов на каждую ногу.

Но Уэйнд уверен, что конечности способны на гораздо большие толкающие усилия, чем те, которые мы наблюдаем при прямолинейном высокоскоростном беге. И, кроме того, мы используем не самую эффективную технику бега.

Связано это и с тем, что колени у нас смотрят «не в ту сторону», что напрямую связано с прямохождением.

Что такое выносливость и есть ли у нее предел

Проведенные экспериментаторами опыты показали, что во время прыжков сила удара ногами о землю на треть превышает беговую. Это позволило Уэйнду сделать теоретическое допущение: применив такую же силу во время бега, человек может перемещаться со скоростью 19,3 метра в секунду, а значит, на стометровке можно уложиться в 5,18 секунды.

Однако во время бега 90 процентов прилагаемого усилия направлено вертикально. И только 5 процентов силы продвигают человека в горизонтальном направлении. Выходит, что во время бега человек подпрыгивает как мячик, что снижает его скорость.

Кстати, самые быстрые наземные животные на земле, гепарды, свой мощный толчок задними конечностями преобразуют в длинный стелящийся над землей полет, что и позволяет им развивать невероятную скорость. И пробегают стометровку за 6 секунд.

Именно стелящийся почти «шаркающий» бег используют стайеры, так как он представляет собой способ наиболее эргономичного и экономичного перемещения, сберегающего силы на сверхдлинных дистанциях. Но стайеров не очень интересует максимальная скорость.

Проведенные исследования и наблюдения за техникой бега гепардов показывают, что у человека имеется немалый резерв по ускорению перемещения за счет использования приспособлений, помогающих преобразовать вектор силы при толчках ногой во время передвижения.

Можно предположить, что использование дополнительных «пристроек» к ногам человека или неких аналогов спойлеров резко ускорит его перемещение в пространстве. Это могут быть и анатомические трансформеры для ног, похожие на получающие все большую популярность рессорные тренажеры Jollyjumper.

Пример не очень корректный, так как эти приспособления в основном усиливают толчок ноги человека за счет пружин, лишь незначительно меняя вектор силы после отталкивания.

Еще одним биомеханическим фактором, влияющим на скорость человеческого бега, является соотношение силы толчков ног с их частотой. У каждого человека эти особенности индивидуальны. В своей новой работе Уэйнд попытается определить оптимальное соотношение этих параметров.

В современном спорте магистральным направлением ускорения человека является работа над скоростью мышечных сокращений за счет применения химических препаратов. Это и есть пресловутый допинг, который действительно позволяет ускориться человеку, однако способен привести к негативным последствиям для его здоровья.

Эксперты уже давно говорят о том, что спорт превратился в соревнования фармацевтов. К процессу уже подключились и генетики, которые сейчас заняты выращиванием особей с отдельными параметрами, далеко превосходящими среднечеловеческие. Однако и перед теми и перед другими в полный рост встанет именно проблема биомеханических ограничений опорно-двигательного аппарата человека.

Поэтому новых прорывных открытий следует ждать, как это ни странно звучит, от инвалидов. Параолимпийские игры кроме гуманитарной выполняют важнейшую научно-техническую функцию, стимулируя разработку эффективной альтернативной и дополнительной анатомической инфраструктуры человека.

Секрет эволюции вытрясли из обезьян на тренажере

Сейчас спринтеры-инвалиды выступают с протезами и постепенно приближаются к максимальным скоростным показателям людей с обычными конечностями. Не за горами исторический день, когда люди с искусственными конечностями превзойдут в скорости обладателей обычных ног.

Куратор: Владимир Губарев

Есть ли у человеческого тела предел возможностей? Часть вторая

Что такое выносливость и есть ли у нее пределЧасть первая

Многие верят в то, что с развитием технологий однажды мы сможем превысить человеческие возможности. Но возможно ли то, что некоторым людям уже удалось достичь сверхъестественного состояния?

Для Дина Карназеса, известного как «Сверхмарафонец», нет ничего необычного в том, чтобы проснувшись ночью обнаружить, что его ноги по-прежнему бегут.

Физические ограничения, которые не позволяют обычному человеку бегать часами, не уставая, похоже, не относятся к нему.

Фактически, Карназес доказал, что он способен быть бегущей машиной — есть, мочиться и даже спать одновременно преодолевая сотни миль.

Также обладающий удивительной выносливостью «Ледяной человек» Вим Хоф может переносить крайне низкие температуры, далеко превышающие те, которые для большинства людей чреваты серьезным переохлаждением.

Одетый лишь в лёгкие шорты, Хоф пробежал босиком свыше 12 миль при температуре -15°С. Он также взобрался на французский Монблан и отправился покорять Эверест, будучи одетым в ту же самую лёгкую одежду.

Подобно Карназесу, Вим побил многие мировые рекорды и намеревается продолжать в том же духе.

Но всё же даже для этих людей существуют пределы. Не знающим на первый взгляд усталости ногам Карназеса — также нужен отдых, а «Ледяной человек» сталкивался с морозами, которые он не мог выносить.

Итак, каковы же пределы выживания для человеческого тела? Что определяет эти границы? Почему одни люди выносливее других? Эти необычайно выносливые люди такими родились или стали в процессе жизни?

Пища, еда, сон и дыхание — необходимые факторы для выживания любого человеческого организма. Однако существуют примеры, когда некоторым лицам удавалось выйти за грани, известные науке.

Когда телу удается преодолевать пределы обычной человеческой выносливости, начинает казаться, что отдельные личности смогли достичь состояния, превышающего уровень простого смертного.

Однако в чем скрыт их секрет?

Беспредельность разума

У людей подобным Хофу или Карназесу физические особенности не были достигнуты лишь благодаря более сильной конституции.

Хоф описывал методику тренировки, которая, про всей видимости, сохранилась только среди йогов или других подобных адептов.

Обладающий способностью сидеть в ёмкости, наполненной льдом на протяжении часа и 12 минут, Хоф утверждает, что сумел достичь этого благодаря силе разума.

Вне зависимости от того, идет ли речь о Хофе, йогах или, возможно, «морских котиках», они часто делятся подобными мыслями. Все эти люди говорят о развитии ментальных возможностей, которые играют роль в их невероятной способности преодолевать крайне низкие температуры. Карназес точно также объясняет, что состояние его сознания — это ключевой элемент в его марафонских достижениях.

То же самое касается мастеров боевых искусств, которые через многолетнюю практику развивают удивительную сопротивляемость к боли.

Мастера кунг-фу знамениты за свою захватывающую способность переносить самые жестокие удары, от которых у них не остается ни малейшей царапины. Они не только не ощущают боли, но плоть остается неповрежденной.

Читайте также:  Почему болит живот: 3 неочевидных причины

И снова, сила и выносливость мастера боевых искусств — способности, которые невозможно достичь лишь путем физической тренировки, а достигаются благодаря тренировке сознания.

За пределами физических возможностей

Итак, что такое сверхчеловеческое состояние? Усейн Болт или Майкл Фелпс могут служить примерами пределов возможностей человеческого тела. Наша анатомия предписывает, что мы способны достичь лишь этого.

Несмотря на самые усердные тренировки, мышцы тяжелоатлета могут поднять только определенный груз. И точно также, из-за физических ограничений, человек не может преодолеть 9-секундный барьер за стометровку.

Физическим телом, в конце концов, управляют те же самые законы, что и любым другим телом во Вселенной. Хотя некоторые люди смогли добиться концентрации ума, которая позволяет им преодолеть видимые пределы человеческого тела, они в конечном итоге не могут прорвать ограничения физического мира.

Но как же быть с теми, кто смогли превысить это — отдельных лиц, которые достигли ментальных техник, фактически превышающих физические ограничения? Как можно понять эти примеры?

Физически невероятные вещи, такие как: 8-месячное воздержание от еды и воды монаха Рама Бахадура Бомжона или истории о китайских монахах, летающих по воздуху; никогда не будут постигнуты современной наукой из-за её собственных ограничений. Для того чтобы эти случаи были по-настоящему изучены, может потребоваться наука другого рода — та, что сама по себе будет свободна от подобных препятствий.

§ 3. Закономерности воздействия факторов среды на организм. Пределы выносливости (толерантности)

  • Вспомните,на какие группы классифицируют экологические факторы среды обитания по значимости для жизни организма и по природе происхождения.
  • Как вы думаете? Почему одна и та же сила воздействия экологического фактора для одних организмов благоприятна, для других — неблагоприятна, а для третьих — губительна?
  • Вы узнаете об общих закономерностях воздействия экологических факторов среды обитания на жизнедеятельность организмов, о пределах выносливости организмов.

Человек, наблюдая за жизнью организмов в природе, долгое время не мог получить ответы на ряд интересующих его вопросов. Почему переселение из одной среды обитания в другую для одних видов завершается успешно, а для других — нет? Почему одни виды могут жить в сильно изменяющихся условиях среды, а другим для жизни требуется относительное постоянство этих условий?

Объяснить эти особенности взаимодействия организмов со средой обитания стало возможно после появления науки экологии. Экологические знания позволили установить зависимость жизнедеятельности организмов от силы воздействия экологических факторов.

Любая ответная реакция организма на действие фактора среды в конечном итоге отражается на его жизнедеятельности. Она зависит не только от природы фактора, но и от силы и продолжительности его воздействия на организм, то есть от дозы фактора.

Несмотря на разнообразие экологических факторов, был выявлен ряд общих закономерностей в ответных реакциях живых организмов. Теоретически зависимость жизнедеятельности организма (его ответной реакции) от силы воздействия фактора в общем виде можно выразить куполообразной кривой.

В реальной ситуации эта кривая, как правило, не бывает идеально симметричной. Как видно из графика, организм проявляет жизнедеятельность не при любой силе воздействия фактора, а в определенном ее диапазоне. Этот диапазон ограничен минимальным и максимальным значениями силы воздействия фактора, переносимыми организмом.

Минимальное значение силы воздействия фактора, при котором начинается проявление жизнедеятельности организма, называется экологическим минимумом или нижним пределом выносливости.

А максимальное значение, при котором жизнедеятельность организма прекращается, — экологическим максимумом или верхним пределом выносливости. Разные виды могут существенно различаться по этим значениям.

В зоне умеренного климата экологический минимум по температуре для древесных растений лежит в области отрицательных температур. Для травянистых растений он немного выше 0 °C (пырей ползучий, тимофеевка луговая, пастушья сумка), а для некоторых культурных растений (огурцы, томаты) он не ниже +10 °C. Следовательно, для каждого вида характерны свои пределы выносливости.

Пределы выносливости, или толерантности (от лат. tolerantia — терпение, выносливость), — диапазон силы воздействия фактора, в котором возможна жизнедеятельность организма.

Если сила воздействия фактора выходит за эти пределы, то жизнь организма в данной среде становится невозможной, и он погибает. В пределах выносливости жизнедеятельность организма сильно варьирует в зависимости от степени выраженности фактора. Но можно выделить три зоны воздействия фактора, в которых организм проявляет характерную ответную реакцию:

1) зона пессимума (от лат. pessimum — причинять вред), или зона угнетения, — диапазоны (их два) силы воздействия фактора, в пределах которых жизнедеятельность организма снижена. При такой силе воздействия фактора невозможны его рост и развитие, но сохраняется возможность для существования.

2) зона нормальной жизнедеятельности, или зона нормы, — диапазоны (их два) силы воздействия фактора, в пределах которых наблюдаются рост и развитие организма. Однако данная сила воздействия фактора неблагоприятна для его размножения.

3) зона оптимума (от лат. optimum — наилучший) — диапазон силы воздействия фактора, в пределах которого организм проявляет максимальную жизнедеятельность. При такой силе воздействия фактора наблюдаются его рост, развитие и размножение.

Для некоторых видов организмов в зоне оптимума можно выделить конкретное значение силы фактора, наиболее благоприятное для жизнедеятельности. Его называют экологическим оптимумом. Однако чаще всего наилучшие показатели жизнедеятельности наблюдаются в определенном диапазоне силы воздействия фактора, то есть в зоне оптимума.

Таким образом, закономерностями воздействия факторов среды на организм являются: экологический минимум, экологический максимум, пределы выносливости. В пределах выносливости можно выделить зоны пессимума, нормальной жизнедеятельности и оптимума.

У всех видов организмов в процессе эволюции выработалась способность воспринимать силу воздействия факторов среды в тех пределах, которые благоприятно влияют на их жизнедеятельность.

Виды, долго жившие в относительно стабильных условиях среды, утратили способность выдерживать значительные отклонения факторов от их оптимальных значений.

В то же время виды, которые были подвержены существенным колебаниям факторов, стали выносливыми по отношению к сильно изменяющимся условиям среды.

Врожденное свойство видов приспосабливаться к тому или иному диапазону изменения факторов среды называется экологической пластичностью или экологической валентностью.Экологическая валентность вида шире экологической валентности отдельной особи. У взрослого организма она шире, чем у молодого.

В зависимости от экологической пластичности у организмов имеются разные пределы выносливости к различным экологическим факторам.

Именно поэтому одни виды обитают в сильно изменяющихся условиях среды, а другим для жизни требуется относительное постоянство этих условий.

В связи с этим переселение из одной среды обитания в другую для одних видов завершается успешно, а для других заканчивается гибелью.

В зависимости от пределов выносливости виды разделяют на две группы: стенобионты и эврибионты. Стенобионты (от греч. stenós — узкий) — виды организмов, имеющие узкие пределы выносливости.

Они способны существовать на ограниченных территориях с относительно постоянными условиями среды. Таким образом, стенобионты маловыносливые в отношении изменяющихся условий среды. Их представителями являются типичные обитатели морей и пресных водоемов.

Например, камбала живет только в соленой, а карась — только в пресной воде.

К стенобионтам также относятся многие животные океанических глубин (скаты), обитатели влажных тропических лесов (колибри), высокогорных районов, пещер изолированного континента Австралия (коала, ехидна, утконос). Стенобионтность ограничивает возможность расселения и обусловливает локальное распространение видов.

Что такое выносливость и есть ли у нее предел

Эврибионты (от греч. eurýs — широкий) — виды организмов, имеющие широкие пределы выносливости. Они могут заселять обширные территории и выдерживать значительные колебания факторов внешней среды.

Эврибионты характеризуются способностью легко приспосабливаться к сильно изменяющимся условиям среды, поэтому широко распространены по всей планете. Типичным представителем эврибионтов является колюшка, которая может жить как в пресных, так и в соленых водах.

Среди растений к эврибионтам относятся ель, сосна, береза, многие сорные травянистые растения (пырей, одуванчик). Из животного царства — собаки, крысы, мыши, воробьи, синицы, голуби.

!  Это интересно

Рыбы, живущие в стоячих водоемах пустынь, переносят перепады температуры от +10 до +40 °C. Они являются эврибионтами по отношению к температуре по сравнению с антарктическими рыбами, диапазон переносимых температур у которых составляет всего 4 °C (от –2 до +2 °C).

Элодея канадская и золотарник канадский являются эврибионтами по температурному фактору, вследствие чего они широко распространились по территории Беларуси. В то же время ручьевая форель — стенобионт по отношению к температуре и концентрации кислорода.

Она не выдерживает заметного колебания значений этих факторов, поэтому может жить только в определенных водоемах.

С разнообразием стенобионтов и эврибионтов по отношению к отдельным экологическим факторам (свет, влажность, температура) вы познакомитесь в последующих параграфах данной главы, где рассматриваются приспособления организмов к этим факторам. 

Повторим главное. Все виды живых организмов по отношению к различным экологическим факторам имеют определенные пределы выносливости (толерантности). Эти пределы ограничены экологическим минимумом и экологическим максимумом.

В пределах толерантности выделяют зоны оптимума, нормальной жизнедеятельности и пессимума.

В зависимости от пределов толерантности организмы делят на стенобионтов, имеющих узкие пределы выносливости, и эврибионтов — с широкими пределами выносливости.

    Ключевые вопросы

1. Дайте определение понятий «экологический минимум», «экологический максимум», «экологический оптимум», «пределы выносливости». 2. Укажите различия между стенобионтами и эврибионтами. Подтвердите их на конкретных примерах. 3.

Что такое «экологическая пластичность», как она влияет на пределы выносливости организмов? *4. У организма пределы выносливости по отношению к температуре составляют –8…+40 °C.

Какое из значений температуры для него будет оптимальным?

    Сложные вопросы

*1. Выберите из предложенных вариантов: 1) 25—60 %; 2) 35—75 %; 3) 45—85 %; 4) 60—95 % — диапазон колебания влажности, при котором организм с экологическим оптимумом 55 % будет чувствовать себя наиболее комфортно. 2.

Читайте также:  Создан домашний тест для выявления вич

У организма пределы выносливости по отношению к температуре составляют 4—30 °C. Постройте симметричный график зависимости жизнедеятельности организма от температуры, приняв максимальную жизнедеятельность за 100 %. Масштаб произвольный.

С помощью графика определите экологический оптимум по отношению к температуре. В какое время года будет наблюдаться размножение данного организма в климатических условиях Беларуси?  3. Фермер решил выращивать капусту на продажу.

Какие экологические знания о капусте и условиях среды ему понадобятся для получения максимального урожая и процветания бизнеса? *4.

Рассчитайте экологический оптимум по отношению к температуре для разных видов культурных растений, имеющих следующие пределы толерантности: 1) 15—45 °C; 2) –3…+29 °C; 3) 12—38 °C; 4) –10…+20 °C; 5) 6—24 °C. Расположите эти виды в порядке увеличения холодостойкости. Какие из этих видов можно выращивать в вашей климатической зоне? 

*Индивидуальное домашнее задание.Проведитедома эксперимент: в несколько небольших емкостей поместите почву, посейте семена двух видов культурных растений, резко отличающихся по потребности к влаге (огурец, томат, редис, пшеница и др.).

Разделите проростки на группы и поливайте их разным количеством воды по возрастающей — от минимального до максимального.

Определите для этих растений пределы выносливости и экологические оптимумы, сравните их и сделайте вывод об экологической пластичности изучаемых растений.

2. Определение предела выносливости

Многие детали машин и механизмов в
процессе эксплуатации подвергаются
повторно-переменным (циклическим)
напряжениям, что может вызвать образование
трещин и разрушение даже при напряжениях
ниже 0,2.

Разрушение металлов и сплавов в результате
многократного повторно-переменного
напряжения носит название усталости,а свойство металлов сопротивляться
усталости называетсявыносливостью
(ГОСТ 23207-78).

Природа усталостного разрушения
заключается в следующем. Металлы, как
известно, состоят из большого числа
различно ориентированных зерен, которые
вследствие анизотропии оказывают
неодинаковое сопротивление действию
внешних сил.

Зерна, неблагоприятно
расположенные по отношению к направлению
действия внешних сил, оказываются
слабыми, и пластичная деформация в них
произойдет при напряжениях ниже предела
текучести, в других же зернах приложенная
нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.

Многократная пластическая деформация
при действии повторно-переменных
нагрузок приводит к образованию
микротрещины, которая, увеличиваясь,
превращается в зону усталостного
разрушения.

Исследования на усталость проводят для
определения предела выносливости,
под которым понимают максимальное
напряжение цикла, которое выдерживает
материал, не разрушаясь при достаточно
большом числе повторно-переменных
нагружений (циклов).

Предел выносливости при симметричном
цикле обозначается -1.
Предел выносливости чаще определяют
на вращающемся образце (гладком или с
надрезом) с приложением изгибающей
нагрузки по симметричному циклу.

Для этого используют не менее десяти
образцов, каждый из которых испытывается
до разрушения только на одном уровне
напряжений.

По результатам испытаний отдельных
образцов в координатах «напряжение-число
циклов» строят кривую, по которой и
определяют предел выносливости -1
(рис. 21).

Для тех металлов и сплавов, у которых
нет горизонтального участка выносливости,
испытания, ограничивают определением
«ограниченного предела выносливости»,
который для сталей равен 10 млн., а для
цветных сплавов 100 млн. циклов.

Рис. 21.Схема испытания
и кривая выносливости

Порядок выполнения работы

  1. Установить длину рабочей части и площадь поперечного сечения образца до испытания.

  2. Провести испытания образца на растяжение с записью диаграммы.

  3. По диаграмме растяжения определить предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности.

  4. Определить относительное удлинение и сужение образца.

  5. Провести испытания на ударную вязкость и определить ее значение.

Контрольные вопросы

  1. Виды механических испытаний металлов.

  2. Какие характеристики определяют при испытании на растяжении?

  3. Что такое ударная вязкость?

  4. Как проводятся испытания на ударную вязкость?

  5. Что такое усталость, выносливость и предел выносливости металлов?

  6. Как определяется предел выносливости?

  • ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
  • Влияние холодной
    пластической деформации на структуру
    и свойства стали
  • Цель работы:изучить влияние холодной
    пластической деформации на структуру
    и свойства (твердость) малоуглеродистой
    стали; изучить влияние температуры
    нагрева на структуру и свойства
    (твердость) холоднодеформированной
    малоуглеродистой стали.
  • Приборы
    и оборудование:
    набор
    готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7,
    твердомеры, штангенциркуль.
  • Пластическая
    деформация и рекристаллизация
  • Холодная пластическая
    деформация вызывает в металле структурные
    изменения, а, следовательно, и изменение
    свойств металла.
  • Явления, возникающие
    в металле при пластической деформации,
    многообразны. Условно их можно разделить
    на три группы:
  • а) изменение формы
    и размеров кристаллов (зерен);
  • б)изменение
    их кристаллографической пространственной
    ориентировки;
  • в) изменение тонкого
    внутреннего строения каждого кристалла.

Пластическая
деформация осуществляется путем
скольжения (сдвига) или двойникования.
Скольжение (сдвиг) состоит в перемещении
одной части кристалла относительно
другой по определенным плоскостям и
направлениям. Двойникование осуществляется
путем поворота некоторого объема
кристалла на определенный угол.

Многочисленные
исследования показывают, что скольжение
и поворот осуществляются по плоскостям
и направлениям с наиболее плотной
упаковкой атомов. Чем больше в металле
таких плоскостей, тем выше его способность
к пластической деформации. Металлы и
сплавы с кубическими решетками К12 и К8
имеют большую пластичность, чем металлы
и сплавы с гексагональными решетками
Г12 и Г6.

Вдоль
плоскостей, по которым произошел сдвиг,
и в прилегающих к ним объемах происходит
искажение кристаллической решетки,
которое вызывает упрочнение сплава.
Поэтому последующее скольжение возникает
уже в другой параллельной плоскости и
при большем напряжении.

Процесс
скольжения нельзя представлять себе
как одновременное перемещение всех
атомов, находящихся в плоскости
скольжения, так как для группового
перемещения атомов требуются напряжения
в сотни раз большие, чем напряжения
скольжения.

Например, для монокристаллов
железа наименьшая теоретическая
прочность скольжения равна 23000 МПа, а
реальная прочность скольжения составляет
290 МПа, что почти в 100 раз меньше
теоретической; для алюминия реальная
прочность почти в 500 раз меньше
теоретической, для меди в 1540 раз.

Такое большое
расхождение между теоретической и
реальной прочностью металлов вызвано
наличием в реальных кристаллах
многочисленных дефектов кристаллической
решетки.

Сравнительно
легкое перемещение атомов по плоскостям
скольжения объясняется наличием в этих
плоскостях линейных дефектов –
дислокаций. Дислокации бывают линейные
и винтовые. Образование линейной
дислокации можно представить как
внедрение в идеально построенный
кристалл лишней кристаллографической
полуплоскости атомов, называемой
экстраплоскостью (рис. 22).

Рис.
22. Схема образования линейных дислокаций:

АВ
– линия дислокации; CD
– плоскость скольжения линейной
дислокации

Нижний
край экстраплоскости АВ
вызывает большое искажение в кристаллической
решетке, которое называется линией
дислокации. Вокруг линии дислокации
концентрируются все упругие искажения
кристаллической решетки.

Над линией
дислокации, где имеется экстраплоскость,
кристаллическая решетка сжимается, а
под линией дислокации, где отсутствует
экстраплоскость, растягивается.

Длина
дислокации может достигать нескольких
тысяч межатомных расстояний решетки.

При
движении дислокаций происходит смещение
атомов на величину, меньшую атомного
расстояния, для чего требуются небольшие
усилия.

Происходит это потому, что атомы,
лежащие на линии дислокации, находятся
в неравновесном состоянии; смещенные
из своих нормальных положений
дислоцированные атомы перейдут в
равновесное положение даже при небольшом
напряжении, а атомы из нормального
положения в дислоцированные.

В процессе
пластической деформации происходит не
только движение имеющихся в кристалле
дислокаций, но и образуется большое
количество новых дислокаций в различных
кристаллографических плоскостях и
направлениях.

Если на пути движения
дислокации встречаются препятствия в
виде другой дислокации или дефектов
другого вида, то процесс движения
дислокации затормаживается, и для
преодоления этих препятствий требуются
большие внешние усилия.

Плотность
дислокаций в недеформированном металле
может составлять 106–108
дислокаций в 1 см2,
после деформации в этом же металле она
достигает 1010–1012
дислокаций в см2.

Таким образом,
создание дислокаций – одно из важнейших
явлений, возникающих при пластической
деформации.

При
определенной (критической) плотности
дислокаций и других дефектов и искажений
кристаллической решетки прочность
материала увеличивается, так как
создаются препятствия для свободного
движения дислокаций. Чем больше искажена
решетка на межзеренных и межблоковых
границах, тем больше затруднено скольжение
по кристаллографическим плоскостям и
направлениям.

При пластической
деформации поликристаллического тела
зерна деформируются по разному: в первую
очередь будут деформироваться те зерна,
в которых плоскости легкого скольжения
наиболее благоприятно расположены по
отношению к приложенной силе.

В процессе развития
пластической деформации изменяется
форма зерен, наблюдаются повороты зерен
относительно друг друга, дробление
зерен и образование их определенной
кристаллографической ориентации –
возникает текстура деформации.

По
отношению к действующей силе зерна
вытягиваются при растяжении и располагаются
перпендикулярно к ней при сжатии. Металл
приобретает как бы волокнистую структуру.
Линиями волокон являются всевозможные
примеси, расположенные по границам
зерен. Текстурованный материал
анизотропен, т.е.

механические и физические
свойства по разным направлениям различны.

Таким
образом, пластическая деформация, каким
бы способом она не производилась
(растяжением, сжатием, изгибом, прокаткой,
волочением и т.д.), вызывая искажения
кристаллической решетки, дробление
блоков мозаичной структуры, изменяя
форму зерен и образуя текстуру, приводит
к изменению всех свойств металлов и
сплавов.

Характеристики
прочности (твердость, предел прочности,
предел упругости, предел текучести) с
увеличением степени пластической
деформации растут; характеристики
пластичности и вязкости (относительное
удлинение, относительное сужение,
ударная вязкость) падают. В процессе
пластической деформации изменяются
физические свойства: уменьшается
плотность, сопротивляемость коррозии,
магнитная проницаемость, увеличивается
коэрцитивная сила, увеличивается
электросопротивление, изменяется
термоэлектродвижущая сила.

Деформация
со степенью более 70% увеличивает предел
прочности в полтора – два раза, а иногда
и в три раза, в зависимости от природы
металла и вида обработки давлением.
Относительное удлинение при этом
снижается в 10–20, а иногда и в 30–40 раз.

Упрочнение
металлов и сплавов, полученное в процессе
пластической деформации, называется
нагартовкой
или наклепом.

Состояние
металла, возникающее в результате
наклепа, является неустойчивым,
метастабильным, с повышенной свободной
энергией. Поэтому даже при комнатных
температурах в нагартованном металлепротекают
самопроизвольно диффузионные процессы,
приводящие деформированный металл в
более равновесное состояние. При
повышенных температурах эти процессы
протекают быстрее.

В зависимости от
степени деформации, температуры и
времени нагрева в нагартованном металле
протекают разные по своему типу
структурные изменения, которые
подразделяют на две стадии: возврат
и
рекристаллизацию.

В свою очередь стадия возврата включает
отдых и полигонизацию, а стадия
рекристаллизации – первичную
рекристаллизацию (рекристаллизация
обработки) и собирательную, или вторичную
рекристаллизацию.

Читайте также:  Новогодний чек-лист: 5 процедур для красоты, которые надо успеть сделать до боя курантов

При
отдыхе (или возврате первого рода)
происходит диффузионное перемещение
и аннигиляция (взаимное уничтожение)
точечных дефектов, уменьшение концентрации
вакансий.

За сет этого частично снимаются
упругие искажения кристаллической
решетки и, следовательно, частично
восстанавливаются механические и
физические свойства.

Микроструктура
металла и кристаллографическая ориентация
его зерен практически не изменяются.
Температура отдыха для железа соответствует
300–350ºС.

Полигонизация
(или возврат второго рода) протекает
при более высокой температуре (для
железа 450–500ºС). Она характеризуется
тем, что происходит планомерное
перемещение дислокаций и группировка
дислокаций в ряды (рис. 23).

Дислокации
выстраиваются друг над другом, образуя
вертикальные дислокационные малоугловые
границы, которые разделяют соседние
субзерна с небольшой разориентировкой
решеток. В результате происходит
дальнейшее снятие упругих искажений
решетки и более полное восстановление
физических свойств.

Механические
свойства при этом изменяются незначительно,
т.к. процессы протекают внутри зерна, а
сами зерна не изменяют свою форму.

При
более высоких температурах (tнр
– температура начала рекристаллизации,
рис. 24), определенных для каждого
материала, начинается процесс образования
новых зерен взамен волокнистой

а) б)

Рис.
23. Схема полигонизации:

а
– хаотичное распределение дислокаций
в изогнутом кристалле; б
– стенки из дислокаций после полигонизации

структуры.
При этом происходит полное разупрочнение
деформированного материала. Механические
и физические свойства приобретают
прежние значения (см. рис. 24).

Образование
и рост новых зерен с менее искаженной
решеткой за счет исходных деформированных
зерен называется рекристаллизацией
обработки
,
или первичной рекристаллизацией.

Движущей силой рекристаллизации
обработки является энергия искажений
деформированных зерен.

  1. Температура
    начала рекристаллизации (21) зависит от
    многих факторов и прежде всего от степени
    деформации материала, химического
    состава, количества примесей в нем; от
    природы материала, от величины зерна
    до деформации, от температуры
    деформирования. Определено, что
  2. Трекр
    = а
    Тпл. (21)
  3. где Трекр.– абсолютная
    температура рекристаллизации;
  4. а– коэффициент, учитывающий
    вышеперечисленные факторы;

Тпл.– абсолютная температура
плавления данного вещества.

Для железа и других металлов технической
чистоты минимальная температура
рекристаллизации определяется по
формуле Л.А. Бочвара (22):

Трекр = (0,3÷0,4)Тпл (22)

Повышение температуры (t1,
см. рис. 24) или увеличение времени выдержки
приводит к росту зерен, т.е. происходит
поглощение мелких, термодинамически
неустойчивых зерен более крупными.
Такой процесс получил названиесобирательной,или вторичной
рекристаллизации. Эта стадия
рекристаллизации нежелательна для
производства, так как она приводит к
образованию разнозернистости.

Температура рекристаллизации играет
огромное практическое значение. Чтобы
пластическая деформация создавала в
материале упрочнение (наклеп), она должна
осуществляться при температурах ниже
температуры рекристаллизации.

Такая
обработка давлением называется
холодной.
Если же обработка давлением
производится при температурах выше
температуры рекристаллизации, то
возникающее при деформации упрочнение
будет сниматься процессом рекристаллизации
и материал разупрочняется.

Такая
обработка давлением называетсягорячей.

Термическая операция, заключающаяся в
нагреве деформированного материала до
температуры выше Трекр,
выдержке и последующем медленном
охлаждении (с печью), называетсярекристаллизационным отжигом.

Практически температура рекристаллизационного
отжига выбирается выше расчетной обычно
на 200–300ºС для ускорения процесса
рекристаллизации. Для железа и
низкоуглеродистой стали эта температура
принимается 650–700ºС.

Рис. 24. Влияние
нагрева на механические свойства и
микроструктуру холоднодеформированного
металла

Установлено, что зерно растет особенно
сильно после небольшой степени деформации,
называемой критической степенью
деформации
εкр.(рис. 25).

  • Критическая степень деформации для
    железа равна 5–6%; для малоуглеродистой
    стали 7–15%.
  • При критической степени деформации
    возможно взаимное уничтожение дислокаций
    при тепловом их движении, что способствует
    постепенному уменьшению количества
    дислокаций на границах зерен и слиянию
    нескольких зерен в одно крупное.
  • Критическую степень деформации следует
    избегать, так как после рекристаллизационного
    отжига крупнозернистая структура
    обладает пониженной ударной вязкостью,
    более низкими σв, σ0,2и δ.

Рис. 25. Влияние
степени деформации на размер зерна
после рекристаллизационного отжига

Определен предел человеческой выносливости

Спортивные достижения, особенно при длительных нагрузках, таких как бег или велоспорт, во многом зависят от того, может ли спортсмен ускорить собственный метаболизм.

Для этого нужно тратить больше энергии: в экстремальных ситуациях энергозатраты могут более чем в десять раз превышать минимально необходимый для существования уровень обмена веществ.

Но долго продержаться в таком режиме организм не может.

Ученые сравнили параметры обмена веществ у разных спортсменов и обнаружили, что чем больше длится нагрузка, тем сильнее падает скорость метаболизма.

На длинных дистанциях, где люди тратят несколько месяцев, она стремится к значению в 2,5 больше минимального уровня.

Преодолеть этот предел человек не может — тогда он расходует внутренние запасы быстрее, чем восполняет их, а значит, не может долго поддерживать такую активность.

Биологи изучают спортсменов не только для того, чтобы понять, что происходит с организмом при экстремальных нагрузках, они хотят еще и определить границы физиологических возможностей человека. На этот раз группа ученых из США, Великобритании и Китая поставила своей целью определить предел энергии, которую человек может тратить при длительных нагрузках.

Соответственно, благодаря этому можно понять, насколько человек вынослив, то есть сколько энергии он может тратить в день, восполняя ее за счет пищи и воды, а не за счет внутренних ресурсов организма. Для этого исследователи работали с участниками трансконтинентального забега через США (Race Across the USA, RAUSA).

В течение 14−20 недель они практически ежедневно пробегали в среднем около 40 км, отдыхая на каждый седьмой день.

Чтобы оценить их энергозатраты, ученые использовали метод двойной меченой воды. Человеку дают воду с тяжелыми изотопами кислорода и водорода. Они не влияют на физиологические процессы, зато на выходе можно узнать, как изменилось их количество.

Организм человека теряет водород только в составе воды (то есть он, в основном, выходит с мочой), а кислород — еще и в составе углекислого газа. Поэтому можно измерить концентрацию тяжелых изотопов в моче и определить, сколько атомов организм потратил.

Из количества выделенного кислорода вычитают количество выделенного водорода, чтобы узнать сколько кислорода организм потерял вместе с углекислым газом.

А поскольку СО2 выделяется в результате клеточного дыхания, то его количество можно пересчитать на энергетическую ценность, то есть на «сожженные» калории.

Оказалось, что в течение первой недели забега спортсмены тратили почти в четыре раза больше энергии, чем нужно для их базового уровня метаболизма (Basal metabolic rate, BMR) — количества калорий, которые сжигает любой человек для поддержания жизнедеятельности (дыхания, сердцебиения и так далее). К концу забега их затраты сократились и составили уже меньше трех BMR.

Полученные данные не позволяют ничего сказать о том, какие именно механизмы позволяют спортсменам экономить энергию и почему их ежедневные затраты снижаются. Возможно, энергия как-то перераспределяется между разными системами органов.

Исследователи сопоставили результаты, полученные для бегунов, с данными по другим длительным нагрузкам: велогонкам и арктическим походам. Оказалось, что энергозатраты с течением времени падают.

Если на «коротких» дистанциях, занимающих меньше суток, человек может разогнать свой метаболизм до уровня почти 20 BMR, то в условиях длительных нагрузок эти цифры стремительно падают. И в пределе — более 250 дней — энергозатраты стремятся к значению 2,5 BMR.

Это немногим больше, чем тратит женщина во время беременности и грудного кормления — у нее на это уходит около 2,2 BMR.

В то же время непонятно, какой фактор определяет предельный обмен веществ и почему организм не может в течение долгого времени поддерживать его на уровне выше 2,5 BMR.

Судя по тому, что эти цифры одинаковы у людей в теплых и холодных условиях, с разными видами нагрузок, дело в каком-то универсальном механизме, не связанным с отдельными органами.

Исследователи предположили, что скорость обмена веществ ограничивает пищеварительная система, которая не может получать из еды больше определенного количества калорий.

Они построили зависимость того, как вес ежедневно меняется в зависимости от уровня обмена веществ.

Оказалось, что при энергозатратах больше 2,5 BMR организму человека не хватает внешних поступлений и приходится расходовать внутренние запасы, вне зависимости от того, сколько он ест.

Таким образом, исследователи обнаружили верхнюю границу обмена веществ — 2,5 BMR. Человек не переходит ее даже при сильных естественных нагрузках (при беременности) и стремится к ней в условиях экстремальных нагрузок.

Если же раскрутить маховик метаболизма сильнее, придется воспользоваться внутренними ресурсами, которые не бесконечны.

И это плохие новости для спортсменов, соревнующихся на длительных дистанциях: для их уровня обмена веществ, судя по всему, существует естественный «потолок», который не поможет преодолеть даже интенсивное питание.

Установлен предел человеческой выносливости

Ученые из частного Университета Дьюка (Дарем, Северная Каролина, США) выявили абсолютный предел человеческой выносливости.

Наблюдая спортсменов, участвующих в наиболее сложных спортивных состязаниях (как, например, велосипедная многодневка Tour de France), они вычислили максимальный показатель метаболического расхода энергии, который оказался в 2,5 раза выше, чем в состоянии покоя, или же 4 тыс. калорий в день. На повседневной основе более высокие показатели едва ли совместимы с жизнью.

Исследование началось с марафона Race Accross the USA, в котором атлеты должны пробежать 3080 миль (из Калифорнии в Вашингтон) за 140 дней.

Чтобы быть способными на такое, спортсмены годами бегают по марафону в день шесть дней в неделю.

Ученые исследовали воздействие такого режима на их организмы: показатели метаболизма атлетов в состоянии покоя, то есть калории, которые сжигаются организмом без дополнительной нагрузки, измерялись до и после соревнования.

В результате обнаружилась прямая связь между длительностью спортивного мероприятия и затратами энергии: чем длиннее соревнование, тем труднее организму сжигать калории.

Таким образом, человек может значительно превысить свой базовый показатель метаболизма, выполняя короткую серию упражнений, но в долгосрочной перспективе этот высокий показатель не будет устойчивым. Один марафон требует от атлета превысить показатель метаболизма в состоянии покоя в 15,6 раза.

Во время 23-дневного Tour de France велосипедисты сжигают в 4,9 раза больше калорий, на 95-дневном Antarctic trekker — в 3,5 раза больше, чем в состоянии покоя. Интересно, что беременность создает на организм человека схожие по интенсивности нагрузки.

Ученые также выяснили, что тело не может переварить, усвоить и выдать достаточно калорий и полезных веществ, чтобы поддерживать высокий расход энергии.

Тело может истратить собственные ресурсы, сжигая жир или мышечную массу, которые впоследствии восполнятся, во время коротких мероприятий.

Но на экстремально долгих соревнованиях, чреватых полным измождением, телу приходится, по словам ученых, балансировать трату энергии, то есть снижать ее.

Доктор Герман Понцрер, руководитель исследования, считает, что эти находки могут помочь атлетам: «На гонке Tour de France знание своего предела позволяет велосипедистам верно распределить силы.

Мы говорим о том, как энергия расходуется днями, неделями и месяцами, то есть это может быть прекрасно применимо к режимам тренировок и соображениям, как хорошо они подходят метаболическим лимитам тела в долгосрочной перспективе».

Петр Харатьян

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *