22Июн

Сопротивление воздуха это: Сопротивление воздуха (аэродинамическое)

22 Июн 2021 alexxlab Комментировать

Содержание

Сопротивление воздуха (аэродинамическое)

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
62236 5

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле

Pv = cx·S·v2·ρ/2,

где S – площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м3; cх – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля [2]. Площадь фронтальной проекции автомобиля определяется формой кузова и требованиям по обеспечению комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях.

Например, автомобиль большого класса может быть ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.

Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:

Nv = Pv·v/3600 (кВт),

где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.

Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из таблицы, представленной ниже, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.

Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей
Кузов автомобиля Коэффициент сопротивления воздуха cx Мощность, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления (кВт), при площади фронтальной проекции 2 м2 и скорости
40 км/ч 80 км/ч 120 км/ч
Открытый четырёхместный 0,7 – 0,9 1,18 – 1,47 9,6 – 11,8 31,0 – 40,5
Закрытый, с наличием углов и граней 0,6 – 0,7 0,96 – 1,18 8,0 – 9,6 26,4 – 30,8
Закрытый, с закруглением углов и граней 0,5 – 0,6 0,80 – 0,96 6,6 – 8,0 22,0 – 26,4
Закрытый понтонообразный 0,4 – 0,5 0,66 – 0,80 5,2 – 6,6 17,6 – 22,0
Закрытый, хорошо обтекаемый 0,3 – 0,4 0,52 – 0,66 3,7 – 5,2 13,2 – 17,6
Закрытый, аэродинамически совершенный 0,20 – 0,25 0,33 – 0,44 2,6 – 3,3 9,8 – 11,0
Грузовой автомобиль 0,8 – 1,5 – – –
Автобус 0,6 – 0,7 – – –
Автобус с хорошо обтекаемым кузовом 0,3 – 0,4
–		 – –
Мотоцикл 0,6 – 0,7 – – –

Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину с

х оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

На рисунке ниже показано изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv в зависимости от скорости v для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и сопротивления воздуха, равны, что характерно для данного вида автомобилей. По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важности сопротивления воздуха. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений движению
Масса автомобиля 1350 кг, площадь фронтальной проекции S автомобиля 2 м2; коэффициент сопротивления качению f равен 0,015; коэффициент аэродинамического сопротивления сх равен 0,456.

При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:

N2 = N1·(v2/v1)3,

где N2 – требуемая мощность, кВт; N

1 – достигнутая максимальная мощность, кВт; v2 – требуемая скорость, км/ч; v1 – достигнутая максимальная скорость, км/ч.

Через точку X – максимальная мощность N1 при максимальной скорости v1 – проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.

Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.

Последнее обновление 02.03.2012
Опубликовано 16.03.2011

Читайте также

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 110 — 114 (книга есть в библиотеке сайта). –
    Прим. icarbio.ru

Комментарии

Лобовое сопротивление воздуха подняло верхний конец вращающейся цепочки

Nicolas Taberlet et al. / Physical Review Letters, 2019

Французские физики объяснили, почему конец замкнутой вращающейся цепочки самопроизвольно поднимается: оказалось, что этот эффект возникает из-за лобового сопротивления воздуха. Кроме того, ученые исследовали образование волн в такой цепочке и предложили измерять с их помощью силу натяжения. По словам исследователей, полученные результаты могут пригодиться на практике — например, при расчете движения шланга дозаправки самолетов. Статья опубликована в 

Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Хотя подвешенная цепочка (или веревка, что в каком-то приближении одно и то же) кажется очень простым объектом, в действительности с ней связанно множество интересных эффектов. Вероятно, самый необычный из них — это так называемый «фонтан из цепочки»: если сложить цепочку в стакан и выдернуть свободный конец, то она изогнется дугой и будет сохранять приобретенную форму, пока полностью не «выльется» из стакана. В сущности, складывать цепочку в стакан даже не обязательно, можно просто разложить ее на плоскости. Кроме того, ученые часто исследуют, как цепочка скатывается с гладкой поверхности — оказывается, что в некоторых случаях это движение также происходит парадоксальным образом. Например, если скатывающаяся цепочка изначально была сложена пополам, то в какой-то момент ускорение сложенного участка превысит ускорение свободного падения.

Более того, некоторые современные технологии полагаются на движение тонких и гибких объектов, — фактически тех же цепочек, погруженных в жидкость или газ. В частности, такую форму имеют ультразвуковой дальномер, с помощью которого корабль контролирует глубину дна, и шланг, с помощью которого самолет можно дозаправить в воздухе. Движение такого объекта определяется соотношением между силами гравитационного притяжения, сопротивления среды, натяжения кабеля и изгибных напряжений. В общем случае теоретически рассчитать поведение цепочки, помещенной в такие условия, довольно сложно.

Поэтому группа физиков под руководством Николя Плиона (Nicolas Plihon) экспериментально исследовала движение цепочки в воздухе, и ухватила несколько общих закономерностей, которые ей управляют. Чтобы упростить задачу, ученые рассмотрели движение замкнутой цепочки, зажатой между вращающимися колесиками и разогнанной до постоянной скорости v (так как цепочка была почти нерастяжимой, модуль скорости всех ее точек совпадал). В качестве цепочки ученые выбирали тяжелые бусы или легкий хлопковый шнурок. Поскольку во время движения цепочка не покидает вертикальную плоскость, ее форму можно описать, задавая в каждой точке угол между бесконечно малым элементом цепочки и горизонталью. При этом естественно выделить точку, в которой цепочка поворачивает под углом 90 градусов к горизонтали (точка O на рисунке), и выделить в ней исходящую (кривая AO) и входящую (кривая OB) часть.

Схематическое изображение цепочки, разогнанной до скорости v

Nicolas Taberlet et al. / Physical Review Letters, 2019

Очевидно, что движением цепочки управляет три силы — вес цепочки, тянущий ее вниз, сила натяжения, направленная вдоль цепочки, и лобовое сопротивление воздуха, направленное против движения цепочки. Ученые подчеркивают, что из-за симметрии задачи подъемной силой можно пренебречь. Также авторы отмечают, что натяжение цепочки удобно разбить на кинетический вклад, связанный с движением, и дополняющий его до полного натяжения эффективный вклад. С помощью этих обозначений уравнения движения можно свести к безразмерным величинам, с которыми гораздо удобнее работать.

В зависимости от соотношения между двумя внешними силами — силой тяжести и силой сопротивления — физики выделили две принципиально разных ситуации. В первом случае, когда силой сопротивления воздуха можно было пренебречь, профиль шнурка практически не зависел от скорости и сводился к обыкновенной цепной линии. Единственное отличие этого случая от статического заключалось в том, что натяжение цепной линии сдвигалось на кинетическое натяжение.

Зависимость формы цепочки от скорости в режиме, когда сопротивление воздуха меньше веса цепочки

Nicolas Taberlet et al. / Physical Review Letters, 2019

Во втором же случае поведение шнурка было контринтуитивным: несмотря на отсутствие подъемной силы, конец цепочки начинал приподниматься, причем тем заметнее, чем выше была ее скорость. По словам ученых, это поведение можно объяснить сопротивлением воздуха, которое направлено вверх на правом участке цепочки, вертикально падающем вниз. Во-первых, это предположение согласуется с аналитическими и численными расчетами. Во-вторых, эффект полностью исчезает, когда из камеры откачивают воздух.

Зависимость формы цепочки от скорости в режиме, когда сопротивление воздуха больше веса цепочки

Nicolas Taberlet et al. / Physical Review Letters, 2019

Зависимость формы цепочки от давления воздуха при одинаковой скорости

Nicolas Taberlet et al. / Physical Review Letters, 2019

Сравнение теоретически (красный пунктир) и численно (синие точки) рассчитанной формы цепочки с формой, измеренной на практике (черная линия)

Nicolas Taberlet et al. / Physical Review Letters, 2019

Кроме того, физики обнаружили, что из-за неоднородностей цепочки (например, узла, завязанного на шнурке) в ней самопроизвольно возбуждаются волны, движущиеся с переменной скоростью c(s)≈(T(s)/λ)½, где T(s) — полное натяжение цепочки, λ — ее линейная масса, а s — координата вдоль цепочки. В случае, когда натяжение цепочки слабо отличалось от кинетического натяжения, скорость волн практически совпадала со скоростью цепочки, поэтому для внешнего наблюдателя они выглядели как «медленные» волны (движущиеся вдоль кривой со скоростью v−c) и «быстрые» волны (со скоростью v+c). Впрочем, «быстрые» волны быстро добегали до края цепочки и отражались, превращаясь в «медленные». Интересно, что по скорости волн можно однозначно восстановить натяжение цепочки во всех ее точках. Авторы предполагают, что это замечание может пригодиться при работе с реальными «цепочками» — шлангами и канатами.

Образование волн в первом (a) и втором (b) режиме

Nicolas Taberlet et al. / Physical Review Letters, 2019

Вообще говоря, аэродинамические свойства часто проявляются даже в неожиданно простых эффектах. Например, в сентябре 2015 года физики из Университета Калифорнии и Технологического университета Шарифа (Иран) обнаружили, что закрученное кольцо, лежащее на столе, стремится вернуться в исходное положение, словно бумеранг. В то же время, монетка, помещенная в те же условия, такими свойствами не обладает. Этот эффект ученые списали на то, что монетку отделяет от поверхности небольшая прослойка «запертого» воздуха, тогда как у кольца такой прослойки нет. Это увеличивает силу трения и в какой-то момент заставляет кольцо повернуть обратно.

Дмитрий Трунин

Сила трения — ЗФТШ, МФТИ

Сила трения – сила механического сопротивления, возникающая в плоскости соприкосновения двух прижатых друг к другу тел при их относительном перемещении.

Сила сопротивления, действующая на тело, направлена противоположено относительному перемещению данного тела.

Сила трения возникает по двум причинам: 1) первая и основная причина заключается в том, что в местах соприкосновения молекулы веществ притягиваются друг к другу, и для преодоления их притяжения требуется совершить работу. Соприкасающиеся поверхности касаются друг друга лишь в очень небольших по площади местах. Их суммарная площадь составляет 0,01÷0,0010,01 \div 0,001 от общей (кажущейся) площади соприкосновения. При скольжении площадь реального соприкосновения не остается неизменной. Сила трения (скольжения) будет изменяться в процессе движения. Если тело, которое скользит, прижать сильнее к телу, по которому происходит скольжение, то вследствие деформации тел площадь пятен соприкосновения (и сила трения) увеличится пропорционально прижимающей силе.

$$F_\text{тр} \sim F_\text{приж}$$

2) вторая причина возникнове ния силы трения – это наличие шероховатостей (неровностей) поверхностей, и деформация их при движении одного тела по поверхности другого. Глубина проникновения (зацепления) шероховатостей зависит от прижимающей силы, а от этого зависит и величина деформаций. Последние, в свою очередь, определяют величину силы трения: Fтр∼FприжF_\mathrm{тр} \sim F_\mathrm{приж}.

При относительном скольжении обе причины имеют место, потому характер взаимодействия имеет вид простого соотношения:

Fтр=μN -\boxed{F_\mathrm{тр} =\mu N}\ -сила трения скольжения (формула Кулона — Амонтона), где

μ -\mu\ — коэффициент трения скольжения,

N -N\ — сила реакции опоры, равная прижимающей силе.

Величина коэффициента трения различна для разных комбинаций трущихся веществ даже при одинаковой их обработке (силы притяжения и упругие свойства зависят от рода вещества).

Если между трущимися поверхностями будет находится смазка, то сила притяжения изменится заметным образом (будут притягиваться другие молекулы, и сила трения скольжения частично заменится силой вязкого трения, которую мы рассмотрим ниже).

Если на тело, лежащее на горизонтальной поверхности, действует горизонтальная сила F→\vec F, то движение будет вызвано этой силой только в том случае, когда она станет больше некоторого значения (μN)(\mu N). До начала движения внешняя сила скомпенсирована силой трения покоя.












Рис. 13

Сила трения покоя всегда равна внешней силе, параллельной поверхности, и возникает по причине притяжения между молекулами в областях пятен соприкосновения и деформации шероховатостей.

Сила трения покоя различна в разных участках поверхности по которой будет происходить движение. Если тело долго лежит на поверхности, то вследствие вибраций (они всегда присутствуют на поверхности Земли) площадь пятен соприкосновения незначительно увеличится. Поэтому для начала движения придётся преодолеть немного большую силу трения, чем сила трения скольжения. Данное явление называется явлением застоя. С этим явлением мы сталкиваемся, например передвигая мебель в комнате. (На рисунке 13 превосходство трения покоя над трением скольжения сильно преувеличено).

Силой трения покоя мы пользуемся для перемещения на лыжах или просто при ходьбе.

Рассмотренные виды силы трения относятся к сухому трению или внешнему. Но есть еще один вид силы трения – вязкое трение.

При движении тела в жидкости или газе происходят достаточно сложные процессы обмена молекулами между слоями обтекающей жидкости или газа. Эти процессы называют процессами переноса.

При небольших скоростях движения тела относительно газа или жидкости сила сопротивления будет определяться выражением:

Fтр=6πηrv -\boxed{F_\mathrm{тр} = 6\pi \eta r v}\ — закон Стокса для шара, где

η -\eta\ — вязкость вещества, в котором движется тело;

r -r\ — средний поперечный размер (радиус) тела;

v -v\ — относительная скорость тела;

6π -6\pi\ — коэффициент, соответствующей сферической форме тела.

Вывод о величине скорости (большая она или маленькая) можно сделать, определив безразмерный коэффициент, называемый числом Рейнольдса:

Re=ρrvη -\boxed{Re = \frac{\rho r v}{\eta}}\ — число Рейнольдса, где

ρ -\rho\ — плотность вещества, в которой движется тело.

Если Re<1700Re , то движение газа (жидкости) вокруг тела ламинарное (слоистое), и скорости можно считать малыми.

Если Re>1700Re > 1700, то движение газа (жидкости) вокруг тела турбулентное (с завихрениями), и скорости можно считать большими. 2.\]

Число Рейнольдса, выбранное равным 17001700, в действительности определяется конкретной задачей (условиями) и может принимать другие значения того же порядка. Объясняется это тем, что зависимость силы вязкого трения от скорости носит сложный характер: при некотором значении скорости линейная зависимость начинает нарушаться, а при некотором значении скорости эта зависимость становится квадратичной. 

Рис. 14

В промежутке от v1v_1 до v2v_2 степень принимает дробные значения (рис. 14) . Число Рейнольдса характеризует состояние динамической системы, при котором движение слоёв остаётся ламинарным, и сильно зависит от внешних условий. К примеру: стальной шар, двигаясь в воде вдали от границ жидкости (в океане, озере) сохраняет ламинарным движение слоёв при Re=1700Re = 1700, а тот же шар, движущийся в вертикальной трубе немного большего, чем шар, радиуса, заполненной водой, уже при Re=2Re=2 вызовет появление завихрений воды вокруг шара. (Отметим, что число Рейнольдса не единственное, применяемое для описания подобного движения. Например, применяют ещё числа Фруда и Маха.)

Из-за такой сложной зависимости силы сопротивления от размеров, формы тела и его скорости рассчитать с необходимой точностью силу сопротивления невозможно. Потому приходится создавать макеты летательных аппаратов и измерять силу сопротивления опытным путём, продувая воздух в аэродинамических трубах.

Пример 7. Сила сопротивления воздуха, действующая на капли тумана, пропорциональна произведению скорости на радиус капель: F=krvF = krv. Капли радиуса 0,1 мм0,1\ \text{мм}, падая с большой высоты, у земли имеют скорость около 1 м/с1\ \mathrm{м}/\mathrm{с}. Какую скорость будут иметь капли, радиус которых в два раза меньше? В десять раз меньше?

Решение: Капля падает с постоянной скоростью, т. к. сила тяжести скомпенсирована силой вязкого трения о воздух: krv=mgkrv = mg или krv=ρ43πr3gkrv = \rho \frac 43 \pi r^3 g, откуда v=4ρπg3kr2v = \frac{4\rho\pi g}{3k}r^2.

Из полученного результата следует, что скорость капли прямо пропорциональна квадрату радиуса. Если радиус капли уменьшится в два раза, то скорость её падения уменьшится в четыре раза, и составит v1≈0,25 м/сv_1 \approx 0,25\ \text{м}/\text{с}; а если радиус окажется в десять раз меньше, то скорость будет в сто раз меньше, т. е. v2≈0,01 м/сv_2 \approx 0,01\ \mathrm{м}/\mathrm{с}.

Задача любопытна тем, что может объяснить почему облака не падают. Ведь облака – это туман, который не падает из-за наличия восходящих потоков воздуха. На нижней границе облака находятся наиболее крупные капли. Поднимаясь, скорость потока уменьшается, т. к. он совершает работу над встретившимся воздухом и увеличивает свою потенциальную энергию. Раз скорость потока в верхней части облака меньше, то и размер капель там тоже меньше. Капли «висят» над поверхностью земли на постоянной высоте.

javascript — Сопротивление воздуха при движении мяча

Написал свой симулятор мячей на JavaScript. 3) и квадрату скорости V.
Cx0 — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике. (Я взял из одной статьи значение 0.47) В итоге, когда я добавил эту формулу в свой код, она не сработала, как я думал. Вот этот код:
obj — объект мяча;
obj.velocity — Вектор скорости, который добавляется к вектору позиции (obj.position) каждую итерацию игрового цикла. Свойство x — скорость по оси Оx, y — скорость по оси Oy соответственно;
obj.r — радиус мяча;

if (obj.velocity.x > 0) {
    obj.velocity.x -= 0.47*(1.2041 * obj.velocity.x ** 2) / 2 * obj.r ** 2 * Math.PI;
} 
else {
    obj.velocity.x += 0.47*(1.2041 * obj.velocity.x ** 2) / 2 * obj.r ** 2 * Math.PI;
}
if (obj.velocity.y > 0) {
    obj.velocity.y -= 0.47*(1.2041 * obj.velocity.y ** 2) / 2 * obj.r ** 2 * Math. PI;
} 
else {
    obj.velocity.y += 0.47*(1.2041 * obj.velocity.y ** 2) / 2 * obj.r ** 2 * Math.PI;
}


Данный код выполняется каждую итерацию игрового цикла, изменение скорости происходит перед добавлением скорости к вектору позиции. Но вместо замедления мячей они невероятно ускоряются, их скорость превращается в NaN. Думаю, что-то не так с формулами, но как решить, не знаю, поэтому обращаюсь к вам. Также хотелось бы узнать про силу трения и как её правильно посчитать, потому что мячи в моей симуляции могут на ней находиться и каких-то расчётов при этом я не провожу.

Доля участия — журнал За рулем

Многие ли задавали себе вопрос из нашей задачи: почему у машины, потерявшей четверть мощности, скорость не снизилась тоже на четверть? Вот что нам пишут: «А как же иначе, ведь зависимость мощности от скорости нелинейная». Хорошее начало. Что же дальше? Некоторые решили, что эта зависимость квадратичная — вычислив «максималку», получили 138,5 км/ч — то есть почти те 140, о которых толковал Горин! Отлично? Но нам остается лишь смахнуть слезу: ответ неверен! Так ловкий школьник подгоняет результат под ответ в конце задачника. А дело ведь не в цифрах скорости. Важно, как ее вычисляли, чем мотивировали. Сила аэродинамического сопротивления и мощность, которую это сопротивление «потребляет», далеко не одно и то же. Сила действительно меняется по квадрату скорости, а мощность-то по кубу!

Реальных претендентов на приз оказалось немного. Эти люди понимают, что всю мощность, полученную от двигателя, за вычетом потерь в трансмиссии, колеса тратят на преодоление мощностей сил сопротивления. (Отсюда и так называемое уравнение баланса мощностей.)

Итак, сила сопротивления воздуха F = k.v2, где v — скорость, k — коэффициент, учитывающий плотность воздуха, размеры и форму машины. А мощность аэродинамического сопротивления — это произведение силы на скорость: Nаэр = (k.v2).v = k.v3.

Сопротивление легковых шин качению (ведь они деформируются и несколько деформируют покрытие) в простых расчетах часто приравнивают к полутора процентам веса машины G. Значит, мощность этой силы: Nш = 0,015 G. v. 

Помимо сказанного, мощность мотора тратится на разгон машины, «раскрутку» вращающихся масс и преодоление подъема. Но при максимальной скорости и на горизонтальном участке дороги эти факторы отпадают.

Некоторые говорят: все решает аэродинамика. На деле — не все. Вот примеры. Аэродинамическое сопротивление ВАЗ-2107 при скорости 150 км/ч — около 100 кгс, а сопротивление шин качению — около 20 кгс. Да, первое преобладает, но и на второе закрыть глаза нельзя. Соответствующие мощности — около 55 и 11 л.с. Еще интересней ситуация с тяжелыми, но более обтекаемыми автомобилями. В шинах ВАЗ-2110 при этих условиях «вязнут» примерно те же 20 кгс, а сопротивление воздуха всего около 70 кгс.

Если вычислить «максималку» машины Горина по закону куба, не учитывая потерь в шинах, то при 75-процентной мощности получим около 145,5 км/ч. С учетом шин скорость километров на пять меньше — дотошный бухгалтер, видимо, прав.

Некоторые замечания читателей верны, но не вяжутся с условиями задачи. Например: вряд ли старая «восьмерка» вообще выдавала 160 км/ч! Ну и что? Фактическая скорость не важна — формулы будут те же. Или: в старом, изношенном моторе доля участия каждого цилиндра в общей работе разная. Или: цилиндр с немного обгоревшим клапаном выключается на низких оборотах, а на высоких кое-как работает.

Особо отметим чудаков, рассудивших еще интересней! В цилиндре, мол, два клапана — и каждый отвечает за «половину силы поршня». Значит, мощность мотора как целого упадет только на 12,5%. При чем тут все это? Мы же просто условились, что мощность упала на четверть. Рьяным спорщикам следовало лишь вспомнить, что же такое мощность, и «привязать» ее к скорости. Ответ не должен противоречить ни условиям задачи, ни теории автомобиля. Посему мы искали победителя лишь среди тех, кто не путал куб с квадратом.

Поздравляем Максима Белоусова с победой в этом туре конкурса.

ЗАДАЧА ПЯТЬДЕСЯТ СЕДЬМАЯ

Антиподы

Из редакционной почты:

«У меня и Федора разные взгляды на жизнь. Я считаю, что надо вовремя ремонтировать машину и ездить без проблем, а он гнет свое: покуда машина ездит, не надо ей мешать. И Федор не мешал, пока мотор не стал расходовать много масла, „забрасывать“ воздушный фильтр. Услыхав об этом, говорю приятелю: займись, мол, машиной, Федя! А он, торжествуя, отвечает, что и так уже все сделал — и показывает шланг вентиляции картера, опущенный под машину!

Что вы на это скажете? Конечно, масло в фильтр уже не попадет — факт! Но сосед, сдается мне, учел не все».

Ответ с пометкой «Конкурс» отправьте до 10 октября 2007 года по адресу: 107045, Москва, Селиверстов пер., 10 или по e-mail: [email protected] Тел. (495) 207-79-84. Укажите ваш контактный телефон или иной удобный для вас способ быстрой связи.

Сопротивление воздуха — это… Что такое Сопротивление воздуха?

Сопротивление воздуха

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Сопротивление аэродинамическое
  • Сопротивление емкостное

Смотреть что такое «Сопротивление воздуха» в других словарях:

  • сопротивление воздуха — orinė varža statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. air resistance vok. Luftdurchlasswiderstand, m rus. сопротивление воздуха, n pranc. résistance de… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • сопротивление воздуха — orinė varža statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. air resistance vok. Luftdurchlasswiderstand, m rus. сопротивление воздуха, n pranc. résistance de l’air, f …   Fizikos terminų žodynas

  • потери на трение и сопротивление воздуха — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г. ] Тематики электротехника, основные понятия EN friction and windage losses …   Справочник технического переводчика

  • СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОЕЗДА — одна из сил, действующих на поезд по линии его движения. С. п. направлено против движения поезда, и на преодоление его затрачивается мощность локомотива. С. п. пропорционально весу поезда, вследствие чего принято выражать его в килограммах на 1 m …   Технический железнодорожный словарь

  • сопротивление — сущ., с., употр. сравн. часто Морфология: (нет) чего? сопротивления, чему? сопротивлению, (вижу) что? сопротивление, чем? сопротивлением, о чём? о сопротивлении 1. Сопротивлением называют чей либо решительный отказ подчиняться кому либо, чему… …   Толковый словарь Дмитриева

  • Сопротивление аэродинамическое — проекция главного вектора аэродинамических сил (см. Аэродинамические силы и моменты), приложенных к обтекаемой поверхности тела, на направление его движения. Термин «сопротивление» первоначально (вплоть до начала XX в.) употреблялся для… …   Энциклопедия техники

  • СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ — (Resistance) испытывает всякое твердое тело, погруженное или полупогруженное в воду при своем движении. Для погруженных тел (подводные лодки) С. В. слагается из сопротивления трения и вихревого сопротивления, а для полупогруженных (надводные… …   Морской словарь

  • СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЫХАНИЮ — сопротивление СИЗОД потоку воздуха при вдохе (сопротивление вдоху) или выдохе (сопротивление выдоху). Является важнейшей эргономической характеристикой СИЗОД …   Российская энциклопедия по охране труда

  • Сопротивление паропроницанию — пленки герметика  величина, численно равная разности парциального давления водяного пара в паскалях у противоположных сторон изделия с плоскопараллельными сторонами, при которой через площадь изделия, равную 1 м2, за 1 ч проходит 1 мг… …   Википедия

  • СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ — свойство вещества препятствовать распространению электрического тока. Удельное С. э. (ρуд) численно равно сопротивлению 1 м3 (или 1 см3) вещества электрическому току, проходящему через вещество параллельно двум его граням; величина, обратная …   Геологическая энциклопедия


Подъемная сила и сопротивление

Аэродинамика занимается законами движения воздуха. Зная эти законы можно найти ответ на вопросы, почему самолет летает и не падает как камень на землю.

 

Принцип работы крыла

Перед взлетом, самолет мчится с возрастающей скоростью по взлетной полосе аэродрома. И только по достижению определенной скорости он отрывается от земли. Если мы хотим узнать, по какому принципу происходит этот отрыв от земли и соответственно поднятие самолета в воздух, то для этого нам нужно познакомиться с научными выводами итальянского физика Бернулли. Один из сформулированных им законов гласит: в стационарном потоке сумма давления спокойного воздуха (статическое давление) и скоростного напора (динамическое давление) всегда остается неизменной. Для того чтобы это понять, давайте сперва рассмотрим сосуд с водой. Жидкость давит на стены и дно сосуда. Это давление обозначается как статическое или динамическое. Как только вода начинает выливаться, то на сливе возникает динамическое давление, которое отбирает свою энергию у статического давления. Статическое давление при этом уменьшается на величину динамического давления.

Давайте рассмотрим следующий пример: в суживающуюся трубу вливается вода. Через каждый участок трубы, за каждый промежуток времени протекает одинаковое количество жидкости. Если за определенную единицу времени через суженный участок трубы протекает такое же количество воды, как и через широкий, то на узком отрезке скорость течения воды должна быть быстрее. Но этой более высокой скорости соответствует более низкое внутреннее (статическое) давление.

Типичные явления для аэродинамики

Экспериментально это можно было бы легко доказать. Благодаря этим научными сведениями можно легко объяснить некоторые явления из нашей окружающей среды. Воздушный поток является причиной того, что при открытой двери захлопывается окно. Статическое давление (давление спокойного воздуха) потока воздуха на одной стороне двери – меньше, чем действующее давление воздуха на другой стороне. Во время полета, движение крыла направлено против воздуха, вследствие чего возникает его обтекание воздушным потоком. Благодаря выпуклой форме профиля крыла, увеличивается скорость потока частиц воздуха на верхней поверхности профиля. Мы знаем, что более высокая скорость воздушного потока связана с малым статическим давлением, а низкая скорость создает более высокое статическое давление. Таким образом, на верхней поверхности крыла создается меньшее статическое давление, чем под ним. Как следствие эта появляющаяся сила засасывания к верху, которой способствует давление снизу и позволяет установить подъемную силу, которую можно измерить. Приблизительно можно сказать, что подъемная сила на профиле крыла на две третьих состоит из силы засасывания на верхней поверхности крыла и на одну третью из давления на нижней поверхности крыла.

Аэродинамические процессы

С помощью специально изготовленных крыльев, у которых на верхней и нижней поверхности, на разных местах были установлены манометры, появилась возможность составить точную картину о соотношении давлений омываемого потоком воздуха профиля. Рисунок 2 отображает точное распределение сил вокруг всего профиля.

Во времена после 1918 года авиаконструкторы размышляли над следующим вопросом: так как более высокая скорость обтекающего потока дает более высокую силу засасывания и тем самым интенсивнее подъемную силу, то для этого всего лишь необходимо увеличить изгиб профиля крыла. Этим нововведением они достигли того, что новые типы самолетов могут перевозить тяжелые грузы. Несмотря на улучшенные характеристики двигателя, соответствующие увеличения скорости так и не были достигнуты.

Для нас совершенно очевидно, что большее по размерам тело (здесь профиль крыла), соответственно, должно преодолевать большее сопротивление воздуха.

Вот мы и подошли ко второй параметрической величине аэродинамики – к сопротивлению. Любой пешеход скажет, что при ходьбе, резкие порывы ветра довольно ощутимы. Кроме того, каждому велосипедисту известно такое явление как сопротивление воздуха, особенно при сильном встречном ветре. Некоторые из них, пожалуй, уже сами установили тот факт, что данное сопротивление возрастает с увеличением скорости. Сопротивление воздуха – тем больше, чем выше скорость полета самолета, а именно составляет величину, равную квадрату скорости ветра.

Зависимость сопротивления от формы телаЗависимость сопротивления от формы тела

Возрастание сопротивления происходит также с увеличением удельного веса (или соответственно плотности) воздуха. Тяжелый холодный воздух или „более плотный воздух“ по близости с поверхностью земли оказывает большее сопротивление, но при этом и создает лучшую подъемную силу, чем теплый легкий или разреженный воздух на больших высотах. Для обоснования соотношения сопротивления и подъемной силы, одного только измерения скорости ветра не достаточно. Для этого необходимо знать удельный вес воздуха. При скоростном напоре – эти обе величины: скорость и удельный вес – объединены.

Кроме того, на создаваемое сопротивление значительно влияет форма тела. В этом может убедиться каждый, подержав зонт против ветра. Точные измерения величин сопротивления тел, самых различных форм, в аэродинамической трубе, можно увидеть на рисунке 3. Таким образом, можно утверждать, что сопротивление тела зависит не только от его относительной скорости к воздуху, а и в особой мере от собственной формы.

Изначально существовало мнение, что сопротивление воздуха тела состоит из трения воздуха об верхнюю поверхность и вытеснения его окружающим воздухом. Результат более точных исследований показывает, что наибольшее сопротивление появляется вследствие образования завихрений на обратной стороне тела. Не вдаваясь подробно в процесс возникновения завихрений (проблемы пограничного слоя), вкратце можно охарактеризовать его как поглощение энергии. Благодаря созданию подходящей формы, соприкасающихся с потоком воздуха, частей, конструктор создает основу для предотвращения возникновения таких завихрений. В особой мере это касается самолетостроения. Благоприятные характеристики воздушного потока обтекаемой формы имеют свое основание в потоке лишенном завихрений. Отдельные частички воздуха обтекают тело в „линиях обтекания“. Чем безпрепятственнее происходит обтекание, тем меньше, создаваемая телом, сила сопротивления.

Перед вертикальной пластиной накапливаются частицы воздуха, а за ней, перед тем как воздушный поток начнет снова протекать в спокойной и равномерной форме, образуются длинные участки завихрений. Пластина создает большую область возмущений в воздушном потоке, потому что завихрения затормаживают попутный поток воздуха. Это выражается в заметном увеличении сопротивления. Обтекаемое тело постепенно отклоняет воздушный поток и практически не имеет завихрений, а его сопротивление – при одинаковой лобовой поверхности намного меньше, чем сопротивление пластины. Величина, когда определенная форма влияет на сопротивление тела, выражается с помощью коэффициента сопротивления Cw; значение данного коэффициента можно узнать, проведя соответствующие испытания. Также, определенно, значение сопротивления зависит и от состояния поверхности. Существует значительная разница между тем, где едет велосипедист, будь то ровная дорога или ухабистая. Чем ровнее поверхность дороги, тем меньше сопротивление нужно преодолеть велосипедисту.

Коэффициент сопротивления Cw может быть уменьшен благодаря рациональной форме самолета. Все поперечные сечения должны иметь максимально удобную форму обтекаемого профиля, переходы поперечных сечений, к примеру, от фюзеляжа на крыле или управляющем устройстве должны быть закрыты обтекателем таким образом, чтобы воздушный поток проходил как можно беспрепятственней и без образования завихрений. Поверхности должны быть ровными, выпуклости, вмятины, царапины, плохое покрытие, выступающие заклепки и заграждающие выступы на поверхности ухудшают коэффициент сопротивления. Он может также меняться в зависимости от состояния поверхности. Очень шероховатая поверхность способна удвоить коэффициент сопротивления формы.

Таким образом, сопротивление воздуха самолета растет в равных пропорциях с коэффициентом сопротивления, площадью лобовой поверхности и плотности воздуха и в квадрате от развиваемой скорости. Скорость полета, при одинаковых характеристиках двигателей, может увеличиваться, благодаря уменьшению коэффициента сопротивления и площади лобовой поверхности, т.е. более рациональной форме и благодаря полету в слоя атмосферы с небольшой плотностью воздуха, следовательно, на больших высотах. Следует заметить, что хоть при увеличении изгиба верхней поверхности крыла и создается большая подъемная сила, это одновременно способствует чрезвычайному увеличению сопротивления воздуха.

Подводя итог, можно сказать, что подъемная сила и сопротивление – это два взаимосвязанных фактора. Авиаконструктор должен найти компромисс в зависимости от требуемого назначения конструируемого самолета. А именно, профили крыльев самолетов для транспортировки грузов имеют больший изгиб, что влияет на уровень достигаемой скорости. Самолеты-истребители, напротив имеют небольшой изгиб в профилях крыльев, благодаря чему сила сопротивления значительно уменьшается, способствуя тем самым, развитию огромной скорости.

Что такое сопротивление воздуха? — Вселенная сегодня

Здесь, на Земле, мы склонны воспринимать сопротивление воздуха (также известное как «сопротивление») как должное. Мы просто предполагаем, что когда мы бросаем мяч, запускаем самолет, спускаемся с орбиты космического корабля или стреляем пулей из пушки, то ее движение через нашу атмосферу естественным образом замедлит ее. Но в чем причина этого? Каким образом воздух может замедлить объект, находится ли он в свободном падении или в полете?

Из-за того, что мы полагаемся на воздушные путешествия, наш энтузиазм в освоении космоса, а также нашу любовь к спорту и переносу вещей (включая нас самих), понимание сопротивления воздуха является ключом к пониманию физики и неотъемлемой частью многих научных дисциплин.Как часть дисциплины, известной как гидродинамика, она применяется в областях аэродинамики, гидродинамики, астрофизики и ядерной физики (и это лишь некоторые из них).

Определение:

По определению, сопротивление воздуха описывает силы, которые противостоят относительному движению объекта, когда он проходит через воздух. Эти силы сопротивления действуют противоположно скорости набегающего потока, замедляя тем самым объект. В отличие от других сил сопротивления, сопротивление напрямую зависит от скорости, поскольку это составляющая чистой аэродинамической силы, действующая противоположно направлению движения.

Другими словами, сопротивление воздуха — это результат столкновений передней поверхности объекта с молекулами воздуха. Таким образом, можно сказать, что два наиболее распространенных фактора, которые имеют прямое влияние на величину сопротивления воздуха, — это скорость объекта и площадь его поперечного сечения. Следовательно, увеличение скорости и площади поперечного сечения приведет к увеличению сопротивления воздуха.

Изображение, показывающее пулю и воздух, обтекающий ее, визуальное представление сопротивления воздуха.Источники: Эндрю Дэвидхази / Рочестерский технологический институт

С точки зрения аэродинамики и полета сопротивление относится как к силам, действующим противоположно силе тяги, так и к силам, действующим перпендикулярно ей (то есть подъемной силе). В астродинамике атмосферное сопротивление является как положительной, так и отрицательной силой в зависимости от ситуации. Это одновременно и утечка топлива, и эффективность во время взлета, и экономия топлива при возвращении космического корабля на Землю с орбиты.

Расчет сопротивления воздуха:

Сопротивление воздуха обычно рассчитывается с использованием «уравнения сопротивления», которое определяет силу, испытываемую объектом, движущимся в жидкости или газе с относительно большой скоростью.Математически это можно выразить как:

В этом уравнении FD представляет силу сопротивления, p — плотность жидкости, v — скорость объекта относительно звука, A — площадь поперечного сечения и CD — коэффициент лобового сопротивления. Результатом является то, что называется «квадратичным сопротивлением». Как только это будет определено, расчет количества энергии, необходимой для преодоления сопротивления, включает аналогичный процесс, который математически можно выразить как:

Здесь Pd — мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления, Fd — сила сопротивления, v — скорость, p — плотность жидкости, v — скорость объекта относительно для звука A — это площадь поперечного сечения, а Cd — коэффициент лобового сопротивления. Как видно, потребность в мощности — это куб скорости, поэтому, если требуется 10 лошадиных сил, чтобы разогнаться до 80 км / ч, потребуется 80 лошадиных сил, чтобы разогнаться до 160 км / ч. Короче говоря, удвоение скорости требует приложения в восемь раз большей мощности.

F-22 Raptor развивает скорость, достаточную для создания звукового удара. Кредит: strangesounds.org

Типы воздушного сопротивления:

В аэродинамике есть три основных типа сопротивления — индуцированное подъемной силой, паразитное и волновое. Каждый из них влияет на способность объекта оставаться в воздухе, а также на мощность и топливо, необходимые для его удержания.Вызванное подъемной силой (или просто индуцированное) сопротивление возникает в результате создания подъемной силы на трехмерном подъемном теле (крыле или фюзеляже). Он состоит из двух основных компонентов: вихревого сопротивления и вязкого сопротивления, вызванного подъемной силой.

Вихри возникают в результате турбулентного перемешивания воздуха с переменным давлением на верхней и нижней поверхностях тела. Они нужны для создания лифта. По мере увеличения подъемной силы увеличивается и сопротивление, вызванное подъемной силой. Для самолета это означает, что по мере увеличения угла атаки и коэффициента подъемной силы до точки сваливания увеличивается и сопротивление, вызываемое подъемной силой.

Напротив, паразитное сопротивление вызывается движением твердого объекта в жидкости. Этот тип сопротивления состоит из нескольких компонентов, в том числе «перетаскивания формы» и «сопротивления поверхностного трения». В авиации индуцированное сопротивление имеет тенденцию к увеличению на более низких скоростях, потому что для поддержания подъемной силы требуется большой угол атаки, поэтому с увеличением скорости это сопротивление становится намного меньше, но паразитное сопротивление увеличивается, потому что жидкость быстрее течет вокруг выступающих объектов, увеличивая трение. Комбинированная кривая общего сопротивления минимальна на некоторых скоростях и будет близка к оптимальной эффективности.

Шаттл «Колумбия» запускается в свой первый рейс 12 апреля 1981 года. Предоставлено: NASA.

Волновое сопротивление (сопротивление сжимаемости) создается наличием тела, движущегося с высокой скоростью в сжимаемой жидкости. В аэродинамике волновое сопротивление складывается из множества составляющих в зависимости от скоростного режима полета. В трансзвуковом полете — со скоростью 0,5 Маха или больше, но все же меньше 1,0 Маха (также известной как скорость звука) — волновое сопротивление является результатом местного сверхзвукового потока.

Сверхзвуковой поток возникает на телах, движущихся значительно ниже скорости звука, поскольку местная скорость воздуха на теле увеличивается, когда оно ускоряется над телом.Короче говоря, летательные аппараты, летящие с околозвуковой скоростью, в результате часто испытывают волновое сопротивление. Это увеличивается, когда скорость самолета приближается к звуковому барьеру в 1,0 Маха, прежде чем он станет сверхзвуковым объектом.

В сверхзвуковом полете волновое сопротивление является результатом наклонных ударных волн, образующихся на передней и задней кромках тела. В сильно сверхзвуковых потоках вместо них образуются головные волны. На сверхзвуковых скоростях волновое сопротивление обычно разделяется на две составляющие: волновое сопротивление, зависящее от сверхзвуковой подъемной силы, и волновое сопротивление, зависящее от сверхзвукового объема.

Понимание роли воздушного трения в полете, знание его механики и знание видов силы, необходимой для его преодоления, — все это имеет решающее значение, когда дело доходит до аэрокосмической и космической разведки. Знание всего этого также будет иметь решающее значение, когда придет время исследовать другие планеты в нашей Солнечной системе и в других звездных системах в целом!

Мы написали много статей о сопротивлении воздуха и полете здесь, в Universe Today. Вот статья о том, что такое предельная скорость?, Как летают самолеты? Что такое коэффициент трения? И Что такое сила тяжести?

Если вам нужна дополнительная информация о программах НАСА для самолетов, ознакомьтесь с «Руководством по аэродинамике для новичков» и ссылкой на уравнение перетаскивания.

Мы также записали много связанных эпизодов Astronomy Cast. Послушайте, Эпизод 102: Гравитация.

Как это:

Нравится Загрузка …

Падающий объект с сопротивлением воздуху

Предмет, падающий сквозь атмосфера подвергается двум внешним силы. Первая сила — это сила тяжести, выражаемая как масса объекта, а вторая сила — аэродинамическая тащить объекта.В уравнение веса определяет вес W как равная по массе м объекта, умноженное на ускорение свободного падения г :

W = м * г

значение г составляет 9,8 метра в секунду в квадрате на поверхность земли. Ускорение свободного падения уменьшается с увеличением квадрат расстояния от центра Земли.Но для большинства практических задач в атмосфере мы можем предположить, что это коэффициент постоянен. Если бы объект падал в вакууме, это было бы единственным сила воздействуя на объект. Но в атмосфере движение падения объекту противостоит аэродинамический тащить. В уравнение сопротивления говорит нам, что сопротивление D равно коэффициент аэродинамического сопротивления Cd умножить на половину плотности воздуха r раз скорость В в квадрате, умноженном на ссылку площадь A на котором основан коэффициент лобового сопротивления:

На рисунке вверху плотность обозначена греческим символом «ро».2 * А

Движение любого движущегося объекта можно описать уравнением Ньютона. второй закон движения, сила F равна массе м раз ускорение a :

F = m * a

Мы можем немного заняться алгеброй и решить для ускорение объекта по чистому внешнему сила и масса объекта:

а = Ф / м

Масса и сопротивление силы , что составляет векторные величины. Чистая внешняя сила тогда равна разница веса и сил сопротивления:

F = W — D

Тогда ускорение объекта станет:

а = (W — D) / м

Сила сопротивления зависит от квадрата скорости.Так как тело ускоряется, его скорость и сопротивление возрастают. Это быстро доходит до точки где сопротивление в точности равно весу. Когда сопротивление равно весу, нет чистой внешней силы на объекте, и ускорение станет нулевым. Затем объект падает с постоянной скоростью, как описано Ньютона первый закон движения. Постоянная скорость называется предельная скорость.

Деятельность:
Экскурсии с гидом
  • Падающих предметов:

Навигация. .


Руководство для начинающих Домашняя страница

Документ без названия

Документ без названия

Сопротивление воздуха

Развивается детское понимание трения между поверхностями быстро, потому что это то, что постоянно переживается в широком диапазоне неформальных ситуаций. Трение между нетвердыми материалами труднее понять, хотя общая идея о том, что трение между поверхностями уменьшается, когда влажный — легко начать развиваться.Заставить детей проверить воздействие различных жидкостей (вода, мыльная жидкость, кулинарное масло и т. д.) от степени до которые они смазывают (т.е. уменьшают силу трения между двумя поверхностями), помогает идея развиваться.

Сопротивление воздуха обеспечивает дополнительное усложнение несущественная природа воздуха. Дети могут испытать сопротивление воздуха, попробовав бегать с открытыми зонтами в горизонтальном положении, но с точки зрения помощи им и взрослые, чтобы уточнить свои представления о силе трения между воздухом и предметами, есть явный прогресс в мышлении, который необходимо учитывать:

Если представить как силу трения с одной из поверхностей как жидкость, последовательность трения аналогична. Дополнительные соображения являются:

Сопротивление воздуха — это сила, замедляющая движущиеся объекты. по воздуху

Это потому, что воздух состоит из частиц, как и любой другой материал, и они трутся о поверхность падающего объекта, в результате чего трение замедление скорости ускорения из-за нисходящего гравитационного сила

Чем больше площадь поверхности объекта, тем больше воздуха сопротивление

Очевидно, что чем больше поверхности, тем больше число частиц, с которыми может столкнуться падающий объект, что приведет к повышенное трение.

Чем быстрее предмет падает в воздухе, тем больше сопротивление воздуха

Чем быстрее падает объект, тем выше не только частота удара, но сила удара, которая приводит к большему трению силы, действующие между объектом и воздухом.

Когда предметы, падающие на землю, больше не ускоряются но движущиеся с постоянной скоростью силы сопротивления воздуха и гравитационные сила считается сбалансированной

Физика падения
Сила трения
Сила тяготения
Уравновешенные и несбалансированные силы
Самооценка

Трение и сопротивление | TheSchoolRun

Когда один объект скользит по другому, он начинает замедляться из-за трения.Это означает, что он теряет энергию. Однако энергия не исчезает. Она изменяется от энергии движения (также называемой кинетической энергией ) до тепловой энергии . Вот почему мы потираем руки в холодную погоду. Потирая их, мы создаем трение и, следовательно, тепло. Трение — это сопротивление движению, когда один объект трется о другой. Каждый раз, когда два предмета трутся друг о друга, они вызывают трение. Трение противодействует движению и действует в противоположном направлении.

В некоторых случаях мы хотим, чтобы предотвратила трение , чтобы было легче двигаться.

  • Хорошим примером этого является шар или колесо. Они катятся, чтобы уменьшить трение .
  • Другой способ уменьшить трение — использовать смазку , такую ​​как консистентная смазка или масло . В машинах и двигателях используется смазка и масло для уменьшения трения и износа, чтобы они могли служить дольше.
  • Третий способ уменьшить трение — уменьшить на площадь поверхности . Так работают коньки.Тонкое лезвие обеспечивает небольшое трение между коньком и льдом. В коньках также используется смазка, так как лед тает под весом лезвия с использованием воды, позволяющей конькам скользить.

Трение нам тоже очень помогает . В конце концов, мы бы все просто катались повсюду, если бы не трение, которое могло бы удерживать нас в равновесии! Трение также используется в автомобильных тормозах, когда мы идем или поднимаемся на холм, в наждачной бумаге, разводим костер и т. Д.

Трение имеет множество применений в жизни .Вы зажигаете спичку с помощью трения. Когда вы чиркаете спичкой, трение создает достаточно тепла для воспламенения химического соединения в спичечной головке, которое затем сжигает остальную часть спичечной головки. Автомобильные тормоза работают из-за трения. Поскольку тормозные колодки трутся о колеса автомобиля, автомобиль замедляется. Обувь, предназначенная для некоторых видов спорта, имеет специальную подошву, чтобы использовать трение в ваших интересах. Футбольные бутсы имеют шипы, которые увеличивают трение за счет прилипания к трещинам в земле. Скрипач обмазывает свой смычок канифолью, чтобы увеличить трение между смычком и струнами скрипки, тем самым создавая звук.

Тем не менее, трение также может быть настоящей помехой . Если дверная петля скрипит, шум вызван трением. Движущиеся части двигателя автомобиля трутся друг о друга и могут слипаться, в результате чего двигатель заклинивает и перестает работать. Использование масла в двигателе автомобиля защищает детали от трения. Приготовленная пища имеет тенденцию прилипать к сковороде. Тефлон на посуде с антипригарным покрытием уменьшает трение между продуктами и сковородой, вызывая скольжение продуктов. Пловцы, которые соревнуются в плавании, носят специально разработанные гоночные костюмы, чтобы уменьшить трение между собой и водой, чтобы они могли плавать быстрее.Силиконовые аэрозоли, масла, смазка и шариковые подшипники используются для уменьшения трения.

Сопротивление воздуха Сила — это сила давления воздуха на движущийся объект. Сопротивление воздуха (также называемое сопротивлением) — это сила трения. Как и все силы трения, сила сопротивления воздуха всегда противодействует движению объекта. Обычно сила сопротивления воздуха не очень велика. Например, когда вы идете, на вас действует сила сопротивления воздуха, но она не замедляет вас.Если вы начнете бегать, сила сопротивления воздуха станет более заметной.

Слова, которые нужно знать для обозначения трения и сопротивления:

Ускорение — скорость, с которой что-то увеличивается в скорости или скорости
Атмосфера — смесь газов, которая окружает астрономический объект, такой как Земля
Столкновение — Действие двух движущихся транспортных средств, кораблей, самолетов или других объектов, ударяющихся друг о друга
Сжатое — чтобы уменьшить что-либо путем приложения давления или аналогичного процесса, или уменьшить таким образом
Энергия — источник или источник электричества , механическая или другая форма силы
Трение — трение двух предметов друг о друга при движении одного или обоих
Кинетическое — относящееся к движению, вызванное или производящее движение
Смазка — вещество, обычно масло или смазка, нанесенные на поверхность для уменьшения трения между движущимися частями
Материал — вещество, используемое для изготовления вещей
Молекулы — наименьшая единица вещества, которая может существовать
Движение — действие или процесс движения, или способ, которым кто-то или что-то движется
Скорость — скорость, с которой одна измеряемая величина происходит по отношению к другая измеряемая величина, такая как время
Сопротивление — сила, которая противодействует или замедляет другую силу.
Канифоль — твердая смола от янтарного до темно-коричневого цвета. Используется для лаков и других продуктов для увеличения трения, например между смычком и струнами некоторых струнных инструментов.
Статическое электричество — стационарный электрический заряд, который накапливается на изолированном объекте, таком как грозовое облако
Обтекаемый — для проектирования или создания чего-то гладкой формы, чтобы оно двигалось с минимальным сопротивлением через воздух или воду
Поверхность площадь — сплошная ровная поверхность

Раздражающая физика сопротивления воздуха

Одна из самых запоминающихся студенческих оценок курса, которые я получил за годы в Union, была от студента вводного курса физики для инженеров, который жаловался » Они отвлеклись от всего интересного, например, от сопротивления воздуха.»Это кажется физикам странным, потому что сопротивление воздуха раздражает — если отвлечься от этого, можно решить огромный круг задач карандашом и бумагой, получая элегантные наборы уравнений, которые можно записать и манипулировать алгебраически. Однако, когда вы включаете сопротивление воздуха, у вас в основном нет другого выбора, кроме как решить его численно, написав какое-то компьютерное моделирование, и каждый раз, когда вы хотите изменить какой-либо из параметров, вам нужно вернуться и запустить все снова симуляция.Это большая проблема.

Конечно, это в основном отражает фундаментальную разницу в мировоззрении физиков и (прото) инженеров. Физиков интересуют фундаментальные законы и изящные уравнения, инженеры интересуются конструкциями. И когда вы создаете что-то, что будет двигаться по поверхности Земли, вам нужно беспокоиться о сопротивлении воздуха. Или, если на то пошло, от Земли, поскольку сопротивление воздуха — большая часть сюжета Марсианин .Так что инженеры, как правило, немного зацикливаются на этом.

Конечно, есть крошечные точки соприкосновения, благодаря тому факту, что сила сопротивления воздуха на самом деле не такая уж и большая. Таким образом, подход физиков, заключающийся в игнорировании сопротивления воздуха, очень хорошо работает во многих случаях, связанных с повседневными объектами, особенно с большими массами.

Вы могли подумать, что сила сопротивления воздуха зависит от массы, но ошиблись — все как раз наоборот.Сопротивление воздуха для тяжелых предметов незначительно именно потому, что не зависит от массы . Это потому, что сила — это просто взаимодействие, которое пытается изменить импульс объекта, а импульс зависит от массы; чем больше масса, тем больше импульс и тем больше силы вам нужно, чтобы его изменить. Если сила также зависит от массы, изменение скорости оказывается независимым от массы — вот почему падающие объекты около поверхности Земли падают с одинаковой скоростью, независимо от массы.Более тяжелые объекты испытывают большую силу тяжести, но они также имеют больший импульс для данной скорости. Два эффекта в точности нейтрализуют друг друга, и в итоге вы получаете одинаковое ускорение силы тяжести для всего.

Сопротивление воздуха, с другой стороны, не зависит от массы, а зависит только от плотности воздуха, формы объекта и скорости объекта (или квадрата скорости, в зависимости от размера и плотности. — сопротивление воздуха грязное …). Сила одинакова для объектов с одинаковой формой и скоростью, но с разной массой, но импульс отличается, и, таким образом, изменение скорости на будет другим.В частности, изменение движения из-за сопротивления воздуха тем больше, чем меньше масса.

Это достаточно легко продемонстрировать, разбрасывая вещи, и на днях я снял видео, в котором подбрасываю детские игрушки в воздух, чтобы проиллюстрировать основную мысль:

В клипе три объекта, все в основном круглые: маленький футбольный мяч (довольно тяжелый, около 200 г), большой пляжный мяч (масса около 65 г) и воздушный шарик, оставшийся с вечеринки по случаю дня рождения SteelyKid полтора месяца назад. (масса около 7г).Вы можете довольно четко увидеть разницу между ними в ролике: футбольный мяч летит плавно, пляжный мяч немного плавает, а воздушный шар действительно кажется зависшим в воздухе.

Это станет еще более ясным, если вы отслеживаете положение объектов во времени, используя что-то вроде Tracker Video Analysis. Что я и сделал, потому что я профессор физики, и построил следующий график:

Графики полета футбольного мяча, пляжного мяча и воздушного шара из видеоклипа в формате… [+] пост. (Рисунок Чада Орзела).

Внешне они похожи в том, что они поднимаются и опускаются обратно, но вы можете видеть четкую разницу: кривая футбольного мяча выглядит так же, как спускается, как поднимается, в то время как воздушный шар явно падает не так, как поднимался. . И пляжному мячу, и воздушному шару требуется больше времени, чтобы подниматься и опускаться, что отражает тот факт, что сопротивление воздуха замедляет их в большей степени, чем футбольный мяч.

Мы можем увидеть это еще яснее, пытаясь согласовать эти точки данных с простым элегантным физическим уравнением.При отсутствии сопротивления воздуха объект, падающий у поверхности Земли, должен образовывать параболу с ускорением 9,8 м / с 2 вниз. Если мы подгоним параболу к полету футбольного мяча, мы увидим, что это действительно хорошо работает:

Парабола, соответствующая движению футбольного мяча; ускорение от этого составляет 9,76 +/- 0,04 м / с / с …. [+] (Рисунок Чада Орзела)

Линия хорошо проходит почти по всем точкам, и значение ускорения, которое вы получаете от этого, удивительно близко к ожидаемому результату: 9.76 +/- 0,04 м / с 2 . С другой стороны, проделаем то же самое с воздушным шариком …

Это явно не очень хорошее совпадение, даже несмотря на то, что параметр согласия равен 2 = 0,976 рэндов, что заставляет экономистов пускать слюни (0,9996 для футбольного мяча). Линия упускает сразу несколько точек с обеих сторон, и делает это систематическим образом. Это потому, что эта кривая на самом деле вовсе не парабола — она ​​отталкивается от элегантной параболической формы силой сопротивления воздуха, которая создает ускорение, которое для воздушного шара примерно в 30 раз больше, чем для футбольного мяча.

На самом деле, если вы посмотрите на хвостовую часть полета воздушного шара, кажется, что точки падают по прямой, а не по параболе. (Прямая подгонка отлично работает (R 2 из 0,9992), но визуально не так интересна, поэтому я не буду включать график …). Это явление «предельной скорости» — поскольку сила сопротивления воздуха увеличивается с увеличением скорости, поскольку сила тяжести тянет воздушный шар вниз, сила сопротивления воздуха увеличивается, пока не станет такой же большой, как сила тяжести. В этот момент сила тяжести, тянущая вниз, и сопротивление воздуха, поднимающее воздушный шар вверх, компенсируют друг друга, и воздушный шар падает с постоянной скоростью. Это критически важная физика для таких вещей, как прыжки с парашютом или возвращение космического корабля, спускающегося с орбиты.

Фактически, предельная скорость дает вам хорошее концептуальное объяснение того, почему инженеры космических кораблей должны так много работать, чтобы рассеять огромное тепло, выделяемое кораблем, падающим на Землю. Падающий объект, который достигает своей конечной скорости, не увеличивает свою кинетическую энергию при дальнейшем падении (кинетическая энергия зависит только от массы и скорости), но действительно продолжает терять потенциальную энергию из-за силы тяжести (которая зависит только от массы и высоты). .Эта энергия должна куда-то уходить, и она превращается в тепло.

(На самом деле, я не уверен, достигнет ли повторно входящий космический корабль предельной скорости — вероятно, это зависит от точной конфигурации … Тем не менее, это дает представление о том, почему у вас есть , чтобы выделять тепло.)

Итак, чему мы научились из всего этого? Ну, во-первых, сопротивление воздуха раздражает, но реально. Во-вторых, это не так уж важно для многих повседневных ситуаций с объектами с достаточно большими массами, поэтому подход физиков, «игнорирующий сопротивление воздуха», работает довольно хорошо.И в-третьих, видеоанализ детских игрушек может быть интересным и поучительным, по крайней мере, если вы ботаник-физик.

Галерея: Лучшие научные книги для не-ученых

13 изображений

Воздушное сопротивление для детей | Что такое сопротивление воздуха

Сопротивление воздуха детям

Сопротивление воздуха — это сила трения, которую воздух прижимает к движущемуся объекту.

Вы помните, как трудно было ходить по воде, если вы пытались ходить в бассейне, реке или море?

Это потому, что частицы воды отталкиваются от вас, сопротивляясь вашему движению.

Знаете, ходить по воздуху легче, чем по воде. Но воздух тоже сопротивляется движению. Давайте посмотрим, что такое сопротивление воздуха и как оно работает, в этом уроке «Сопротивление воздуха для детей».

Трудно удержаться за зонт в ветреную погоду


Что такое сопротивление воздуха?

Сопротивление воздуха — это сила трения, которую воздух прижимает к движущемуся объекту.

Также известен как drag .

Сопротивление воздуха всегда пытается замедлить движущийся объект.

Чем быстрее вы двигаетесь, тем больше сопротивление.

Например;

Чем быстрее движется автомобиль, тем больше становится сопротивление воздуха.

Подобно трению, сопротивление воздуха действует в направлении, противоположном движению объекта.

(Прочтите урок «Трение»)

Давайте изучим несколько примеров сопротивления воздуха в этом уроке «Сопротивление воздуха для детей».

Примеры сопротивления воздуха

  • Когда вы быстро едете на велосипеде, вы можете почувствовать, как воздух отталкивается от вашего лица и тела.

  • В день, когда дует сильный ветер, очень трудно ходить по воздуху, так как он давит на вас.

  • Когда парашют падает, воздух сопротивляется его движению, заставляя парашют медленно падать.

Воздух сопротивляется движению, заставляя парашют медленно падать

  • Перо или лист, упавшие с дерева, плавно спускаются на землю.

Лист, упавший с дерева, плавно опускается на землю

  • В ветреную погоду легкие предметы плавают по всей площади, прежде чем приземлиться на землю.

Почему опавшие листья с деревьев летают повсюду в ветреные дни?

Световые объекты плавают по всей территории в ветреные дни

Например;

Возможно, вы испытали, как трудно удержать зонтик в ветреный день

Трудно удержать зонтик в ветреный день

Силы на велосипеде во время езды

Если вы продолжаете крутить педали, велосипед не движется все быстрее и быстрее.Это потому, что он достигает постоянной максимальной скорости. Затем вы должны продолжать крутить педали только для того, чтобы поддерживать эту скорость. Вы используете силу, не изменяя скорость велосипеда.

Почему велосипед не едет все быстрее и быстрее?

Это происходит из-за «трения». Когда вы едете на велосипеде, вас сдерживают два типа трения.

  • Один тип возникает из-за трения движущихся частей, таких как колесо и ось.
  • Другой вызван воздухом.

Эти силы трения тем больше, чем быстрее вы движетесь.

Вы должны продвигаться по воздуху, чтобы ездить на велосипеде. Это устанавливает трение, сопротивление воздуха .

Силы, действующие на вас и на велосипед при езде на велосипеде

Чем быстрее вы едете, тем больше сопротивление воздуха

Например;

Когда скорость велосипеда увеличивается вдвое, сопротивление воздуха увеличивается в четыре раза.

На низкой скорости трение невелико, намного меньше силы, толкающей велосипед вперед. Таким образом, большая часть усилия, которое вы прикладываете к педали, направляется на ускорение велосипеда.

Но по мере того, как велосипед ускоряется, трение увеличивается. В конце концов, он становится настолько большим, что равен силе, толкающей велосипед вперед. Вся ваша сила направлена ​​на преодоление трения. Две силы уравновешены (равны и противоположны). Велосипед продолжает двигаться с постоянной скоростью.

Сопротивление воздуха падающим объектам

Силы на парашюте

Сопротивление воздуха используется парашютистами для замедления их падения.

Сопротивление воздуха помогает парашютисту замедлить падение

Открытый парашют имеет очень большую площадь поверхности.

Чем больше площадь поверхности, тем больше сопротивление.

Итак, открытый парашют создает большое сопротивление воздуха.Это замедляет парашют, и парашютист мягко падает на землю.

Открытый парашют создает большое сопротивление воздуха

Космический шаттл использует парашют для быстрого замедления при приземлении. Это означает, что он может приземлиться на более коротком участке пути.

Сопротивление воздуха и легкие объекты

Гравитация, действующая на легкие объекты, такие как перья, не очень сильна, чтобы быстро притягивать их к центру Земли.Кроме того, повсюду воздух. Итак, имеет большое сопротивление воздуха , и это сопротивление заставляет легкие предметы падать медленнее.

Сопротивление воздуха заставляет легкие предметы падать медленнее, заставляя их некоторое время парить

Например;

Когда перо падает, оно падает медленно, потому что ему мешает воздух.

Если вы уроните перо и мяч для гольфа одновременно в вакууме (пространство без воздуха), перо упадет со скоростью мяча для гольфа.

Светлые объекты падают медленно, потому что им мешает воздух

🍁🍁🍁 В ветреный осенний день вы видели красивые оранжевые или красные кленовые листья, плавающие повсюду, так стараясь коснуться земли ??

Лист, падающий с дерева, плавно опускается на землю. Сопротивление воздуха давит на поверхность листа. Чем больше площадь поверхности, тем больше сопротивление.Лист настолько легкий, что сила тяжести ненамного сильнее, чем сила сопротивления воздуха, направленная вверх. Так лист медленно опускается.

Лист настолько легкий, что сила тяжести не намного сильнее восходящей силы сопротивления воздуха

Уменьшение сопротивления воздуха

Силы на самолете

Действуют четыре основные силы в самолете.

  • Тяга
  • Сопротивление воздуха или сопротивление
  • Подъем
  • Гравитация (Прочтите урок «Гравитация»)

(Также прочтите «Силы и движение»)

03




сопротивление и гравитация — две встроенные силы природы, которые действуют на все, что поднимается с земли и перемещается по воздуху.

Thrust и Lift созданы искусственно для преодоления сопротивления воздуха и гравитации, чтобы самолет мог летать.

Комбинация двигателя и гребного винта предназначена для создания тяги для преодоления сопротивления воздуха (лобового сопротивления).

Крыло предназначено для создания подъемной силы для преодоления силы тяжести, также называемой массой .

Силы на самолете

Силы на бумажном самолете

Оптимизация

Для того, чтобы объекты могли эффективно перемещаться по воздуху или воде, они должны иметь как можно меньшую площадь поверхности.Это потому, что, Чем больше площадь поверхности, тем больше сопротивление. Следовательно, вещи должны быть обтекаемыми, чтобы они не соприкасались с воздухом или водой.

Например;

  • Низкое приседание на велосипедах помогает гонщикам снизить сопротивление воздуха и ускорить езду на велосипеде. Ношение обтекаемых шлемов с особой гладкой формой является для них преимуществом, поскольку они позволяют воздуху легче обтекать велосипедиста.

Низкое приседание на велосипедах помогает гонщикам снизить сопротивление воздуха

  • Конструкторы автомобилей тестируют различные обтекаемые формы в аэродинамических трубах.Они хотят видеть, какие формы лучше всего рассекают воздух.

Автомобильные дизайнеры видят, какие формы лучше всего прорезают воздух

Современные автомобили, которые лучше всего могут прорезать воздух

  • В грузовиках используются спойлеры, которые помогают воздушному потоку более плавно проходить через их громоздкие формы.

В грузовиках используются спойлеры или ветровые дефлекторы для более плавного движения воздуха

Воздушное сопротивление для детей

Сопротивление воздуха против водонепроницаемости

Водонепроницаемость сильнее сопротивления воздуха.Животных, которые быстро передвигаются по воде, нужно обойти. Вот почему все рыбы хорошо обтекаемы. Их гладкие круглые головы и длинные сужающиеся тела позволяют воде легче течь мимо них.

Длинное, сужающееся и обтекаемое тело рыбы

Например;

  • Дельфины могут быстро плыть по воде. Их обтекаемая форма позволяет им скользить по воде без особого сопротивления.

Благодаря обтекаемой форме тела дельфины могут быстро плыть по воде

  • Подводные лодки имеют такую ​​же обтекаемую форму, что помогает им быстрее перемещаться по воде.

Обтекаемая форма подводной лодки помогает подводной лодке быстрее перемещаться по воде

Нужно ли обтекать космический корабль, как подводные лодки?

В космосе нет частиц воздуха или воды. Итак, в космосе нет сопротивления. Таким образом, космическим кораблям, летящим в космосе, не обязательно иметь обтекаемую форму. Вот почему многие громоздкие предметы, такие как антенны, антенны, солнечные батареи и т. Д., Прикреплены ко многим спутникам и космическим кораблям.

Космическим аппаратам не обязательно иметь обтекаемую форму


Надеюсь, вы многое узнаете о сопротивлении воздуха из урока «Сопротивление воздуху для детей».

Автор: K8School 1:42 утра

Сопротивление воздуху: определение, формула и примеры — видео и стенограмма урока

Сопротивление воздуха в математике

Сила сопротивления воздуха зависит от нескольких факторов, как показано в этом уравнении:

Обратите внимание, что если скорость объекта удваивается, сила сопротивления увеличивается в четыре раза.Вы также должны иметь в виду, что коэффициент сопротивления — это безразмерное число, полученное в результате лабораторных испытаний, которое варьируется для разных типов жидкостей и объектов.

Теперь, если мы уроним яблоко с самолета, оно в конечном итоге достигнет максимальной скорости, которая больше не будет увеличиваться, также известной как предельная скорость . На уроке физики вы, возможно, узнали, что когда к объекту применяется сила, например, человек, толкающий тележку, это вызывает ускорение объекта в том направлении, в котором действует сила.Когда яблоко, упавшее с самолета, находится в свободном падении, на него действуют две силы. Первый — это сила тяжести , которая тянет его к земле, а вторая — сопротивление воздуха, которое замедляет его падение.

Поскольку яблоко падает с такой большой высоты, сила сопротивления в конечном итоге станет равной по величине и противоположной по направлению силе тяжести. В этот момент сумма всех сил, известная как чистая сила , действующая на яблоко, станет равной нулю.Нулевая результирующая сила подразумевает нулевое ускорение, а это означает, что яблоко будет продолжать двигаться с постоянной скоростью, пока не упадет на землю.

Краткое содержание урока

В этом уроке мы обсудили, как воздух воздействует на объекты, движущиеся через него, также известную как сопротивление воздуха или сила сопротивления.