Что называют пределом выносливости

Предел выносливости

Преде́л выно́сливости (также преде́л уста́лости) — в науках о прочности: одна из прочностных характеристик материала, характеризующих его выносливость, то есть способность воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения в материале.

Предел выносливости определяется, как наибольшее (предельное) максимальное напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклических нагружений.

Предел выносливости обозначают как , где коэффициент R принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Таким образом, предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как , а в случае пульсационных как .

Для железистых и титановых сплавов можно установить предельную величину максимальных напряжений цикла, при которых материал не разрушится при произвольно большом числе нагружений. Однако другие металлы, такие как медь или алюминий, подвержены усталостному разрушению под действием сколь угодно малых нагрузок. В таких случаях принято говорить об ограниченном пределе выносливости , где коэффициент N соответствует заданному числу циклов нагружения, и обычно принимается за или циклов.

Содержание

Определение предела выносливости

Предел выносливости материала определяют с помощью испытаний серий одинаковых образцов (не менее 10 шт.): на изгиб, кручение, растяжение-сжатие или в условиях комбинированного нагружения (последние два режима для имитации работы материала при асимметричных циклах нагружения или в условиях сложного нагружения).

Испытание начинают проводить при высоких напряжениях (0,7 — 0,5 от предела прочности), при которых образец выдерживает наименьшее число циклов. Постепенно уменьшая напряжения можно обнаружить, что стальные образцы не проявляют склонности к разрушению независимо от длительности испытания. Опыт их испытания показывает, что если образец не разрушился до циклов, то и при более длительном испытании он не разрушится. Поэтому это число циклов обычно принимают за базу испытаний и устанавливают то наибольшее значение максимального напряжения цикла, при котором образец не разрушается до базы испытаний. Это значение и принимают за предел выносливости.

Результаты испытаний можно представить в виде кривой усталости (также кривая Веллера, S-N диаграмма), которая строится для симметричных циклов нагружения. По оси абсцисс на логарифмической шкале откладывают количество циклов, по оси ординат напряжения:

Кривая усталости (выносливости) показывает, что с увеличением числа циклов уменьшается максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала.

Связь предела выносливости с другими прочностными характеристиками материала

Испытания на усталость очень трудоёмки, связаны с получением и обработкой значительного массива данных, полученных экспериментальным путём и для которых характерен большой разброс значений. Поэтому были предприняты попытки связать эмпирическими формулами предел выносливости с известными прочностными характеристиками материала. Более всего для этой цели подходит такая характеристика материала как предел прочности.

Установлено, что, как правило, для сталей предел выносливости при изгибе составляет половину от предела прочности:

Для углепластиков можно принять:

Аналогично можно провести испытания на кручение в условиях циклически изменяющихся напряжений. Для обычных сталей в этом случае можно принять:

Для хрупких материалов (высоколегированная сталь, чугун) в этом случае можно принять:

Данными соотношениями следует пользоваться с осторожностью, так как они получены при определенных режимах нагружения (изгибе и кручении). При испытаниях на растяжение-сжатие предел выносливости оказывается приблизительно на 10-20 % ниже, чем при изгибе, а при кручении полых образцов он оказывается отличным от полученного при кручении образцов сплошных.

В случае несимметричных циклов образцы испытывают не на изгиб, а на растяжение-сжатие или на кручение с использованием гидропульсаторов. Для несимметричных циклов строят так называемую диаграмму предельных амплитуд. Для этого находят пределы выносливости для выбранного значения постоянного напряжения при соответствующей амплитуде . Точка А при этом очевидно будет являться пределом выносливости при симметричном цикле, а точка В, которая не имеет амплитудной составляющей и по сути является постоянно действующим напряжением, будет являть собой фактически предел прочности :

Практическое применение диаграммы предельных амплитуд заключается в том, что после построения диаграммы, проводятся испытания на только конкретные значения и . Если рабочая точка располагается под кривой, то образец способен выдержать неограниченное количество циклов, если над кривой — ограниченное.

См. также

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Предел выносливости» в других словарях:

предел выносливости — предел выносливости: Максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение при базе испытания. Примечание Пределы выносливости выражают в номинальных напряжениях. [ГОСТ 23207 78, статья 47]… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

предел выносливости — Наибольшее напряжение, при котором материал в состоянии выдержать заданное большое число циклов нагружения [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] EN endurance limitfatigue strength DE… … Справочник технического переводчика

Предел выносливости — Fatigue limit Предел выносливости. Максимальное напряжение, которое может привести к образованию усталостной трещины при точно установленном числе циклов напряжения. Должно быть установлено значение максимального напряжения и коэффициента роста… … Словарь металлургических терминов

ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ — предел уста л о с т и. мехинич. хар ка материалов; наибольшее напряжение цикла, к рое материал может выдержать повторно N раз без разрушения, где N заданное технич. условиями большое число (напр., 106, 107, 108). Обозначается бr, где r коэфф.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

предел выносливости — [endurance limit, ultimate fatigue strength] максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостного разрушения до базы испытания (предварительно задаваемое наибольшая длительность испытаний на усталость … Энциклопедический словарь по металлургии

ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ — наибольшее напряжение, при котором материал в состоянии выдержать заданное большое число циклов нагружения (Болгарский язык; Български) граница на издръжливост (Чешский язык; Čeština) mez únavy (Немецкий язык; Deutsch) Dauerfestigkeitsgrenze… … Строительный словарь

ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ — [endurance limit, ultimate fatigue strength] максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытания (предварительно задаваемая наибольшая длительность испытаний на усталость,… … Металлургический словарь

Источник

Биология. 10 класс

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

*Пределы выносливости (толерантности) и зоны воздействия экологического фактора

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.

Источник

Понятие о пределе выносливости.

Предел выносливости (также пределусталости) — в науках о прочности: одна из прочностных характеристик материала, характеризующих его выносливость, то есть способность воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения в материале.

Предел выносливости определяется, как наибольшее (предельное) максимальное напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклических нагружений.

Предел выносливости обозначают как σ_R, где коэффициент R принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Таким образом, предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ_-1, а в случае пульсационных как σ₀.

Для железистых и титановых сплавов можно установить предельную величину максимальных напряжений цикла, при которых материал не разрушится при произвольно большом числе нагружений. Однако другие металлы, такие как медь или алюминий, подвержены усталостному разрушению под действием сколь угодно малых нагрузок. В таких случаях принято говорить об ограниченном пределе выносливости σ_RN, где коэффициент N соответствует заданному числу циклов нагружения, и обычно принимается за 10 7 или 10 8 циклов.

Диаграмма предельных амплитуд.

Для определения предела выносливости при действии напряжений с асимметричным циклом строятся диаграммы различных типов. Наиболее часто встречается диаграмма предельных амплитуд цикла в координатах .

Для построения диаграммы предельных амплитуд цикла по вертикальной оси откладывают амплитуду предельных напряжений цикла , по горизонтальной оси – среднее напряжение цикла (рис. 2.12.7).

Точка А диаграммы соответствует пределу выносливости при симметричном цикле .

Точка В соответствует пределу прочности при постоянном напряжении, при этом .

Точка С соответствует пределу выносливости при отнулевом цикле .

35 Факторы, влияющие на предел выносливости.

1.Концентрация напряжений. В местах, где имеются резкие изменения размеров, отверстия, резьба, острые углы, возникают большие местные напряжения (концентрация напряжений). В этих местах возникают усталостные трещины, трещины разрастаются, и это приводит к разрушению детали. Местные напряжения значительно выше номинальных напряжений, возникающих в гладких деталях.
Влияние концентрации напряжений учитывается коэффициентом . — эффективный коэффициент концентрации напряжений, зависит от формы поверхности.
2. Размеры детали. В деталях больших размеров возможны внутренняя неоднородность, инородные включения, незаметные микротрещины. Влияние размеров учитывается масштабным фактором ..
3. Характер обработки поверхности. Поверхность может быть шероховатой, покрытой следами от резца, т. е. ослабленной, а может быть усиленной специальными методами упрочнения: азотированием, поверхностной закалкой, цементацией. При отсутствии специального упрочнения поверхностный коэффициент меняется от 0,6 до 1.
— коэффициент влияния шероховатости;
— коэффициент влияния упрочнения, = l,l…2,8.
Одновременный учет действия всех факторов, понижающих предел выносливости, можно провести с помощью коэффициента (1.1.3) Предел выносливости в расчетном сечении будет равен (1.1.4).

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 936 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Установлен предел физической выносливости человека

Последние научные исследования показали, что уровень выносливости человека во время физической нагрузки зависит вовсе не от силы и накаченности мышц, а от… кишечника. Но на этом революционные открытия не заканчиваются. Ученые также смогли установить, где та самая грань физической выносливости человека.

При чем здесь кишечник

Наверное, многим знакомо то чувство, когда наблюдаешь за некоторыми спортсменами (например, во время того же марафонского забега) и кажется, что это сверхлюди с неисчерпаемым запасом сил и энергии. На самом деле, как показали недавние исследования, результаты которых были опубликованы в журнале Science Advances, даже самые лучшие спортсмены не всесильны. Порог выносливости есть у всех. К тому же он определяется не мышцами или силой воли, как может показаться, а пищеварительной системой.

Группа американских и шотландских исследователей изучила, что происходит с человеческим организмом в разных состояниях: начиная с бега нескольких марафонов подряд и заканчивая беременностью. Исследования показали, что предел калорий, которые организм может потратить за день, а значит и порог физических возможностей человека весьма ограничен. Это связано с тем, что, как оказалось, возможности кишечника поглощать калории из пищи (и следовательно, формировать запасы энергии, которую затем можно будет потратить) также не беспредельны. То есть порог физической выносливости человека напрямую зависит от функционирования кишечника.

Ученые пошли в своих исследованиях дальше и определили тот самый максимум калорий, который человеческий организм способен потратить за день. Им оказалась вполне реальная цифра. Специалисты обнаружили, что скорость метаболизма на пределе физических возможностей примерно в 2,5 раза превышает этот показатель в состоянии покоя (известного также как основной обмен веществ или базальный метаболизм).

Чтобы было легче воспринять эту информацию, придется немного отойти от темы и вспомнить, что такое базальный метаболизм. Говоря простым языком, основной обмен веществ – это то количество калорий, которое организм в любом случае потратит за сутки, даже если человек весь день проспит. То есть это та энергия, которую наши тела израсходуют на поддержание своей функциональности (дыхание, терморегуляция, циркуляция крови и т. п.). Для каждого человека эта цифра уникальна и рассчитывается с учетом множества индивидуальных характеристик.

Так вот, если за норму скорости обмена веществ в состоянии покоя брать среднестатистический показатель в 1600 ккал, то предел возможностей человека составит примерно 4000 ккал. Проще говоря, за сутки без ущерба своему организму человек с базальным метаболизмом в 1600 ккал не сможет тратить энергии больше чем на 4000 ккал. За пределами этого порога организм начнет «поедать» сам себя: расщеплять жировые, мышечные и соединительные ткани.

Как проводилось исследование

Предел физической выносливости ученые рассчитывали на примере людей, занимающихся наиболее энергозатратными видами активности. Чтобы проверить теорию, команда исследователей взяла под наблюдение спортсменов, участвующих в 5-месячном марафоне, во время которого им предстояло пробежать 3000 миль.

Ученые исследовали образцы мочи бегунов на начальном и последующих этапах марафона и обнаружили удивительную закономерность. Оказалось, что на начальном этапе энергетические затраты спортсменов достигали довольно высокого уровня (бегуны сжигали калории примерно в 15,6 раза быстрее, чем в состоянии покоя), но затем показатели резко упали до 2,5-кратного порога. На финальном этапе гонки ученые еще раз исследовали образцы мочи спортсменов и выявили, что за день марафонцы сжигают примерно на 600 калорий меньше, чем было спрогнозировано, исходя из начальных показателей. Но в то же время исследователи согласились: если бы во время марафона спортсмены продолжали сжигать то же количество калорий, что и в начале бега, то они не смогли бы преодолеть даже половины дистанции.

Влияет ли температура воздуха на выносливость

Полученные данные ученые сравнили с результатами анализов людей, принимавших участие в других марафонах, плавании, арктических турпоходах, велогонке Тур де Франс и т.п. Во всех случаях исследователи получили идентичные результаты: чем дольше длится изнурительное испытание, тем медленнее организм сжигает калории.

Например, метаболизм велосипедистов «Тур де Франс» на 23-й день езды снизился до показателей, в 4,9 раза превышающих метаболизм в состоянии покоя. Еще больше ученых удивили результаты, полученные после обследования туристов, принявших участие в 93-дневном походе по Антарктиде. Они сжигали калории примерно в 3,5 раза быстрее, чем в расслабленном состоянии. То есть в каждом случае ученые получили аналогичный результат: сначала калории расходовались в очень высоких количествах, но затем метаболизм людей постепенно снижался до уже знакомого нам 2,5-кратного показателя.

Исследователи признались, что полученные результаты для них стали неожиданностью. Дело в том, что раньше предполагалось, что расход энергии зависит от температурного фактора. То есть считалось, что максимальное потребление энергии организмом определяется его способностью рассеивать тепло. Но результаты проведенного исследования подтвердили: независимо от того, в каких условиях соревнуется спортсмен – в жаре или арктическом холоде, максимально возможные энергопотери у всех одинаковые.

Предел выносливости и беременность

Данное исследование позволило ученым открыть еще одну закономерность. Оказалось, что количество калорий, сжигаемых организмом беременной женщины, также приближается к показателю, который в 2,5 раза превышает основной обмен веществ. Если быть совсем точными, то эта цифра – 2,2.

Вышеизложенное позволило ученым сделать вывод, что порог выносливости остается неизменным независимо от того, какие мышцы или органы задействованы в расходе энергии.

Благодаря проведенному исследованию стало понятно, что независимо от активности (будь то марафонский бег, езда на велосипеде или даже вынашивание малыша) человеческий организм обладает весьма ограниченным количеством энергии, которую может израсходовать в долгосрочной перспективе. Проще говоря, наши тела не могут сжигать калории с одинаковой скоростью до бесконечности. Организм даже при самых высоких физических нагрузках расходует энергию сначала довольно быстро, но затем как будто бы включает команду «Стоп» и начинает замедлять метаболизм.

По мнению ученых, причиной такого жесткого ограничения является пищеварительная система и количество калорий, которые кишечник способен поглотить за день. А эта цифра также имеет свои пределы. В этом, по крайней мере, уверен один из руководителей исследования Герман Понтцер, доцент кафедры эволюционной антропологии Университета Дьюка.

Тратим сейчас – восстанавливаемся позже

Профессор Брент Руби и его коллеги из центра физиологии труда и обмена веществ при университете Монтаны проанализировали, какой уровень физических нагрузок в течение продолжительного времени может выдерживать человек без потери массы тела.

До начала исследования было известно, что атлеты на краткосрочных соревнованиях на выносливость обычно теряют больше калорий, нежели потребляют, создавая тем самым дефицит. Теперь специалистов заинтересовало, как происходит похудение на фоне долгосрочных физических нагрузок. Как оказалось, участники триатлон Ironman и 100-мильного ультрамарафона за время соревнования потеряли в среднем 2,5 кг и 1,5 кг соответственно. И по мнению ученых, это довольно хороший результат, если учесть, что за время гонки они сожгли примерно 9000 и 16000 калорий, которые, понятное дело, во время соревнований полностью восстановить нельзя. Но оказалось, что накопившийся дефицит энергии человеческий организм быстро восстанавливает сразу после завершения соревнований такого плана. В течение нескольких дней после марафона организм требует соблюдать покой и употреблять много пищи, а затем, восстановив силы, возвращается к привычному режиму работы.

Кроме того, ученые поняли, что человек не погибнет, если выйдет за пределы 2,5-кратного порога расходования энергии. Он продолжит двигаться дальше, но в результате этого нарушится баланс между потребляемыми и расходуемыми калориями. В итоге организм начинает «съедать» сам себя, поддерживать свою функциональность за счет своих же ресурсов. Но понятное дело, такое не сможет продолжаться вечно. Более того, пока что ученым не удалось зафиксировать случаи, когда бы человек мог в течение продолжительного времени сжигать калории выше 2,5-кратного порога.

Факты, подтверждающие открытие

В том, что предел физических возможностей человека на самом деле существует, легко убедиться, проанализировав рекорды, которые спортсмены устанавливали в разные годы. На самом деле, когда кто-то повышает установленный ранее рекорд, обычно речь идет о разнице от нескольких секунд до нескольких десятых или даже сотых секунды. То есть максимальный уровень физических возможностей (при условии определенных тренировок) у спортсменов примерно одинаковый.

Взять хотя бы мировые рекорды, установленные в коротком спринте. На сегодня лучший мировой показатель среди мужчин составляет 9,58 секунды. И он удерживается уже на протяжении 10 лет. Если проанализировать, как менялся этот рекорд, то за последние 30 лет он вырос всего лишь на 3,5 сотых секунды. Первый же рекорд в коротком спринте среди мужчин был установлен в 1896 году, и тогда он составлял 12 секунд. То есть более чем за сто лет рекорд повысился всего лишь на 2,5 секунды.

Примерно такая же картина наблюдается и в беге на длинные дистанции – марафоне. Если заглянуть в историю, можно найти информацию, что в 1896 году на Олимпийских играх в Афинах был установлен рекорд в марафонском беге. Спортсмен сумел преодолеть примерно 42 км за 2 часа 58 минут 50 секунд. Современный мировой рекорд в марафоне составляет 2 часа 1 минуту 39 секунд. То есть за столетие этот показатель, как и в случае с коротким спринтом, существенно не увеличился.

Вывод из этого напрашивается сам по себе: сколько бы ни тренировался человек, сделать больше, чем позволяет его физическая выносливость, он не сможет. И теперь мы знаем, на каком уровне располагается тот самый предел выносливости.

Источник