аэродинамическое сопротивление воздуха
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.
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:
где N2 – требуемая мощность, кВт; N1 – 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.
Сила сопротивления
Что такое сила сопротивления
При совершенно любом движении будет фиксироваться появление между поверхностями тел или в среде, где оно осуществляется, сил сопротивления. Второе свойственное им название — силы трения.
Сила трения — сила, которая появляется в момент передвижения одного тела вдоль другого либо в какой-то среде, ведущая к замедлению действия.
Препятствие движению объясняется тем, что силы трения имеют противоположное направление, и в момент, когда движущая сила и силы сопротивления уравновесятся, скорость станет равна 0.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Схематически действие силы трения можно представить на рисунке:
Изображенное здесь тело массой m лежит на ровной поверхности, и на него действуют сила тяжести и уравновешивающая ее сила опоры (N). Направления этих двух сил противоположные, однако, обе — перпендикулярны поверхности.
Сила опоры по своей величине определяется по формуле:
С позиций механики понятно, что для того, чтобы сдвинуть это тело с места, необходимо приложить усилие (P), превосходящее силу трения (F).
Основателем закона трения считается француз Гийом Амонтон. Согласно его постулатам, Fтр пропорциональна давлению, которое тело оказывает на опору либо на другое тело. Кроме этого, она определяется физическими свойствами контактирующих материалов, но не зависит от величины поверхности соприкосновения.
Как любая другая, сила трения измеряется в Ньютонах (Н).
Разновидности сил сопротивления
Причинами возникновения силы трения являются:
В зависимости от этих факторов, а также с учетом характера движения силы сопротивления бывают:
Передняя часть движущегося тела будет всегда испытывать большее сопротивление воздуха. При закруглениях спереди и сзади плоскостенного тела сопротивление уменьшается на 72%.
Существует понятие электрического сопротивления, под которым понимается свойство проводника препятствовать прохождению тока. Величина, с которой это происходит, равняется частному от деления напряжения на концах к силе тока, протекающему в последовательной цепи.
Как определить силу сопротивление воздуха
При движении тела на него действует лобовое сопротивление воздуха (обозначение — Рвл). Для его измерения существует формула:
\(P_<вл>=С_х\times p\times F_в\times V^2\div2\)
где Cx — коэффициент обтекаемости (при лобовом сопротивлении воздуха), p — плотность среды (в данной ситуации — воздуха), Fв — площадь миделевого сечения.
Наибольшая концентрация силы сопротивления наблюдается в точке, которая не совпадает с центром массы тела. Это — центр парусности.
\(P_j=m\times dV\div dt\)
В этой формуле m обозначает массу автомобиля, а частное изменения скорости по истечению времени — ускорение центра инерции (или центра масс).
Изменение силы в зависимости от скоростей
На малых скоростях движения сила сопротивления всегда определяется вязкостью жидкости, физическими характеристиками движения (в частности — скоростью), размерами самого тела.
Движение при больших скоростях имеет свои особенности. Например, в случае жидкой либо воздушной среды закономерности трения вязкости не работают. Даже при скоростях в 1 см/с их можно применить только для тел, размеры которых измеряются в мм.
Медленно движущееся тело по всей своей длине постепенно обтекается жидкостью, а сила сопротивления, действующая на него, называется силой вязкого трения.
При высокоскоростном движении сзади тела в жидкости возникают струйки, вихреобразные потоки различной мощности, кольца. Картинка этих течений постоянно меняется. Развивается турбулентная система, сопротивление внутри которой зависит от вязкости среды и размеров тела совсем по-другому, чем при вязком.
Такое сопротивление находится в пропорциональной зависимости от квадрата скорости и размеров тела. Кроме того, более значимым, чем вязкость, становится плотность среды.
Такое торможение называется силой турбулентного сопротивления. Она определяется по формуле:
\(F=p\times V^2\times L^2\)
где p — плотность среды, L — размеры тела, V — скорость движения.
Как зависит сила сопротивления воздуха от формы предмета и его массы
Одним из проявлений силы взаимного тяготения является сила тяжести, т.е. сила притяжения тел к Земле. Если на тело действует только сила тяжести, то оно совершает свободное падение. Следовательно, свободное падение – это падение тел в безвоздушном пространстве под действием притяжения к Земле, начинающееся из состояния покоя.
Впервые это явление изучил Галилей, но из-за отсутствия воздушных насосов он не мог провести опыт в безвоздушном пространстве, поэтому Галилей производил опыты в воздухе. Отбрасывая все второстепенные явления, встречающиеся при движении тел в воздухе, Галилей открыл законы свободного падения тел. (1590г.)
Практически воздух всегда оказывает сопротивление движению падающего тела, причем для данного тела сопротивление воздуха тем больше, чем больше скорость падения. Следовательно, по мере увеличения скорости падения сопротивление воздуха увеличивается, ускорение тела уменьшается и, когда сопротивление воздуха сделается равным силе тяжести, ускорение свободно падающего тела станет равным нулю. В дальнейшем движение тела будет равномерным движением.
Реальное движение тел в земной атмосфере происходит по баллистической траектории, существенно отличающейся от параболической из-за сопротивления воздуха. Например, если выпустить из винтовки пулю со скоростью 830 м/с под углом α = 45о к горизонту и зафиксировать с помощью кинокамеры фактическую траекторию трассирующей пули и место ее падения, то дальность полета окажется равной примерно 3,5 км. А если рассчитать по формуле, то оно окажется 68, 9 км. Разница огромная!
Сопротивление воздуха зависит от четырех факторов: 1) РАЗМЕР движущегося предмета. Большой объект, очевидно, получит большее сопротивление, чем маленький. 2) ФОРМА движущегося тела. Плоская пластина определенной площади будет оказывать гораздо большее сопротивление ветру, чем обтекаемое тело (форма капли), имеющее ту же площадь сечения для такого же ветра, реально в 25 раз большее! Круглый предмет находится где-то посередине. (Это и есть причина, по которой корпуса всех автомобилей, самолетов и парапланов имеют по возможности скругленную или каплевидную форму: она уменьшает сопротивление воздуха и позволяет двигаться быстрее при меньших усилиях на двигатель, а значит, при меньших затратах топлива). 3) ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА. Нам уже известно, что один кубический метр весит около 1,3 кг на уровне моря, и, чем выше вы поднимаетесь, тем менее плотным становится воздух. Эта разница может играть некоторую практическую роль при взлете только очень с большой высоты. 4) СКОРОСТЬ. Каждый из трех рассмотренных до сих пор факторов дает пропорциональный вклад в воздушное сопротивление: если вы увеличиваете один из них вдвое, сопротивление также удваивается; если вы уменьшаете любой из них в два раза, сопротивление падает наполовину.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЗДУХА равно ПОЛОВИНЕ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА, умноженной на КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ, умноженной на ПЛОЩАДЬ СЕЧЕНИЯ и умноженной на КВАДРАТ СКОРОСТИ.
Введем следующие символы: D — сопротивление воздуха; р — плотность воздуха; А — площадь сечения; cd — коэффициент сопротивления; υ — скорость воздуха.
Теперь имеем: D = 1/2 х р х cd x A x υ 2
При падении тела в реальных условиях ускорение тела не будет равно ускорению свободного падения. В этом случае 2 закон Ньютона примет вид ma = mg – Fсопр –Fарх
А чтобы подчеркнуть, что эта сила направлена против вектора скорости.
При наличии атмосферы падающие тела помимо силы тяжести испытывают воздействие сил вязкого трения о воздух. В грубом приближении при малых скоростях силу вязкого трения можно считать пропорциональной скорости движения. В этом случае уравнение движения тела (второй закон Ньютона) имеет вид ma = mg – η υ
Масса же сферического тела постоянной плотности пропорциональна его объему, т.е. кубу радиуса m = ρ V = ρ 4/3π R3
Рассмотрим для примера падение шариков из разного материала. Возьмем два шарика одинакового диаметра, пластмассовый и железный. Примем для наглядности, что плотность железа в 10 раз больше плотности пластмассы, поэтому железный шар будет иметь массу в 10 раз больше, соответственно его инертность будет в 10 раз выше, т.е. под воздействием той же силы он будет ускоряться в 10 раз медленнее.
В вакууме на шарики действует только сила тяжести, на железный в 10 раз больше чем на пластмассовый, соответственно разгоняться они будут с одним и тем же ускорением (в 10 раз большая сила тяжести компенсирует в 10 раз большую инертность железного шарика). При одинаковом ускорении одно и то же расстояние оба шарика пройдут за одно и то же время, т.е. другими словами упадут одновременно.
В воздухе: к действию силы тяжести добавляются сила аэродинамического сопротивления и Архимедова сила. Обе эти силы направлены вверх, против действия силы тяжести, и обе зависят только от размера и скорости движения шариков ( не зависят от их массы) и при равных скоростях движения равны для обоих шариков.
T.о. результирующая трех сил действующих на железный шарик будет уже не в 10 раз превышать аналогичную результирующую деревянного, а в больше чем 10, инертность же железного шарика остается больше инертности деревянного все в те же 10 раз.. Соответственно ускорение железного шарика будет больше, чем пластмассового, и упадет он раньше.
Силы сопротивления
При перемещении любого тела в любой среде между поверхностями появляется сопротивление, именуемое силой трения.
Определение силы трения
Силы трения определяются при помощи третьего закона Ньютона, в соответствии с которым сила сопротивления приравнивается силе, с которой необходимо воздействовать на тело, чтобы перемещать его равномерно по горизонтальной поверхности. Ее измеряют, используя динамометр.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Разновидности силы трения
Силы сопротивления бывают разных видов:
Более значимо на сопротивление будет влиять перемещение передней части предмета. Таким образом, при формировании закругления в передней и задней части предмета можно снизить показатель сопротивления до 72%. Сила лобового сопротивления рассчитывается следующим образом:
где \(c_x\) – коэффициент обтекаемости или лобового сопротивления;
\(p\) – плотность среды;
\(F_в\) – площадь лобового сопротивления (миделевого сечения).
Сила трения воздуха направлена противоположно вектору скорости перемещения тела. Ее рассматривают как сконцентрированную силу, приложенную к центру парусности тела, которая может не совпадать с центром его тяжести.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
По второму закону ньютона сила сопротивления ускорению тела, совершающего поступательные движения, определяется так:
где \(m\) – масса объекта;
\(
Силы трения при высоких скоростях перемещения тел
При небольших скоростях перемещения тел силы сопротивления зависят от скорости такого перемещения, вязкости среды и размеров тела. А вот при высоких скоростях все обстоит немного по-другому.
В воздухе и воде законы вязкости в данном случае не дают полную картину. Даже при скорости в \(1 см/с\) эти законы действуют только для небольших тел.
Если движение тела медленное, то жидкость плавно обтекает тело, и в данном случае силу сопротивления можно приравнять к силе вязкого трения.
При высокой скорости движения тела за ним возникает сложное движение среды. Здесь появляются и исчезают различные струи, потоки, формирующие необычные фигуры завихрений. Данное движение называется турбулентным.
Сила турбулентного сопротивления зависит немного по-другому от скорости и размеров объекта, нежели при вязком трении. Данная величина будет пропорциональна квадратам скорости и размеров тела. Вязкостью среды пренебрегают, а вот ее плотность имеет значение. Силу турбулентного сопротивления определяют так:
\(F=pv^2 L^2,\) где \(v\) – скорость перемещения тела;
\(L\) – размеры тела;
\(p\) – плотность среды.
Воздушное сопротивление
Первоклассный бегун, состязающийся на скорость, вовсе не стремится в начале бега быть впереди соперников. Напротив, он старается держаться позади них; только приблизившись к финишу, он проскальзывает мимо других бегунов и приходит к конечному пункту первым. Для чего избирает он такой маневр? Почему ему выгоднее бежать позади других?
Причина та, что при быстром беге приходится затрачивать немало работы для преодоления сопротивления воздуха. Обыкновенно мы не думаем о том, что воздух может служить помехой нашему движению: расхаживая по комнате или прогуливаясь по улице, мы не замечаем, чтобы воздух стеснял наши движения. Но это только потому, что скорость нашей ходьбы невелика. При быстром движении воздух уже заметно мешает нам двигаться. Кто ездит на велосипеде, тот хорошо знает, что воздух мешает быстрой езде. Недаром гонщик пригибается к рулю своей машины: он этим уменьшает величину той поверхности, на которую напирает воздух. Вычислено, что при скорости 10 км в час велосипедист тратит седьмую часть своих усилий на то, чтобы бороться с воздухом; при скорости 20 км на борьбу с воздухом уходит уже четвертая доля усилий ездока. При еще большей скорости приходится расходовать на преодоление воздушного сопротивления третью долю работы и т. д.
Теперь вам станет понятно загадочное поведение искусного бегуна. Помещаясь позади других, менее опытных бегунов, он освобождает себя от работы по преодолению воздушного сопротивления, так как эту работу выполняет за него бегущий впереди. Он сберегает свои силы, пока не приблизится к цели настолько, что станет наконец выгодно обогнать соперников.
Маленький опыт разъяснит вам сказанное. Вырежьте из бумаги кружок величиной с пятикопеечную монету. Уроните монету и кружок порознь с одинаковой высоты. Вы уже знаете, что в пустоте все тела должны падать одинаково быстро. В нашем случае правило не оправдается: бумажный кружок упадет на пол заметно позднее монеты. Причина та, что монета лучше одолевает сопротивление воздуха, чем бумажка. Повторите опыт на иной лад: положите бумажный кружок поверх монеты и тогда уроните их. Вы увидите, что и кружок и монета достигнут пола в одно время. Почему? Потому что на этот раз бумажному кружку не приходится бороться с воздухом: эту работу выполняет за него монета, движущаяся впереди. Точно так же и бегуну, движущемуся позади другого, легче бежать: он освобожден от борьбы с воздухом.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Сопротивление воздуха
Сопротивление воздуха И это еще не все, что ожидает пассажиров в течение того краткого мига, который они проведут в канале пушки. Если бы каким-нибудь чудом они остались живы в момент взрыва, гибель ожидала бы их у выхода из орудия. Вспомним о сопротивлении воздуха! При
ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Связь между прикладными задачами и теоретическими обобщениями в русской механике второй половины XIX — начала XX в. получила также яркое выражение в работах по теории упругости и сопротивлению материалов.Задачи теории
41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии
41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии Ткани организма проводят не только постоянный, но и пе ременный ток. В организме нет таких систем, которые бы ли бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индук тивность его близка к
