Сила сопротивления в физике

Почему идти по воде труднее, чем по воздуху? Ответ - сила сопротивления. Вода способствует большей силе сопротивления, чем воздух, поэтому пройти по ней труднее, потому что против вас действует более сильная сила. Сила сопротивления замедляет движение объектов по мере их перемещения в жидкости. В этой статье будут рассмотрены определение, типы и примеры силы сопротивления, уравнение для силы сопротивления, а затем мы приведем пример того, как найти силу сопротивления.

Сила сопротивления в физике

В этой статье вы получите сразу много информации, поэтому я постараюсь не затягивать.

В физике сила сопротивления - это сила, которая противодействует относительному движению между объектом и жидкостью.

Текучая среда - это все, что течет, например, жидкость или газ. Когда жидкость представляет собой воздух, сила сопротивления называется сопротивлением воздуха.

Объект может перемещаться через жидкость, или жидкость может перемещаться вокруг объекта — в любом случае, сила сопротивления действует в направлении, противоположном относительному движению. Таким образом, сила сопротивления аналогична трению, но движение происходит между твердым телом и жидкостью, а не между двумя твердыми телами. На изображении ниже показан человек, бегущий по воздуху (жидкости). Поскольку человек движется вправо, сила сопротивления будет действовать противоположно этому движению, влево, как показано стрелками на рисунке.

Что, если человек стоит неподвижно, а воздух движется мимо него как ветер, как на изображении ниже? Как вы можете видеть по стрелкам на рисунке, сила сопротивления будет действовать в направлении ветра; это потому, что относительное движение между человеком и воздухом такое же, как на изображении выше, но вместо того, чтобы человек двигался вправо, воздух просто движется в направлении ветра.слева.

Что, если бы человек бежал в направлении ветра? На данный момент это зависит от того, бежит ли он быстрее или медленнее ветра. Это может помочь представить направление сопротивления в зависимости от того, в каком направлении вы почувствуете давление или силу со стороны жидкости. Если он чувствует дуновение ветерка спереди, сила сопротивления направлена вперед; если он чувствует дуновение ветерка на спине, сила сопротивления направлена назад.

Если он бежит с той же скоростью, что и ветер, и поэтому не чувствует дуновения, силы сопротивления не будет, поскольку между ним и воздухом вокруг него не будет относительного движения. С другой стороны, если бы он спрыгнул с балкона, он почувствовал бы ветер вверх, так что сила сопротивления была бы направлена вверх.

Сила сопротивления является важным фактором при проектировании. Понимание сопротивления и способов его уменьшения помогает людям проектировать более прочные конструкции и мосты, которые лучше выдерживают ветер, более эффективные автомобили и самолеты, а также более эффективный сбор энергии ветра и гидроэнергии.

Типы силы сопротивления

Существуют различные типы силы сопротивления, особенно при рассмотрении полета самолетов:

Паразитное сопротивление — сопротивление, вызванное формой объекта, материалом и типом конструкции.
Сопротивление формы — сопротивление, обусловленное формой объекта, движущегося в жидкости.
Сопротивление трением кожи — сопротивление из-за шероховатости поверхности объекта.
Интерференционное сопротивление — сопротивление, возникающее в результате столкновения и взаимодействия двух воздушных потоков с разной скоростью.
Вызванное сопротивление — сопротивление, возникающее в результате подъема.
Волновое сопротивление — сопротивление, вызванное ударными волнами.
Фух, это было много информации, которую нужно было изучить, если бы можно было учитывать плотность слов, в этой статье была бы огромная сила сопротивления.

Примеры силы сопротивления

Здесь мы снова идем — еще больше примеров. Это как ходить по меду.

Сопротивление присутствует, когда между объектом и жидкостью имеется относительное движение. Некоторые примеры силы сопротивления включают следующее:

Любой объект, падающий по воздуху. Например, парашютисты используют принципы силы сопротивления для перемещения и позиционирования себя в воздухе, и когда они открывают свои парашюты, создаваемая большая сила сопротивления помогает замедлить их приземление.
Сила сопротивления замедляет движение автомобилей, самолетов и кораблей. Поэтому инженеры улучшают аэродинамику этих транспортных средств, чтобы уменьшить лобовое сопротивление и повысить эффективность транспортных средств.
Пловцы борются с силой сопротивления, когда они плавают. Даже бритье может уменьшить сопротивление и увеличить скорость пловцов.
Белки-летяги используют свою похожую на крыло кожу, чтобы использовать силу сопротивления для управления своим полетом и приземлением.
Если бы вы стояли на вершине быстро движущегося поезда, стоять или бежать было бы не так просто, как кажется во многих фильмах, потому что на вас давила бы сила сопротивления.
Сила сопротивления заставляет воздушных змеев летать. Вы должны бежать вперед с воздушным змеем, чтобы сила сопротивления прижалась к нему и подняла его в воздух.

Уравнение силы сопротивления

Общее уравнение или формула для силы сопротивления приведены ниже:

D=1/2CpAv2

Это уравнение является точным только при определенных условиях: движение достаточно быстрое, чтобы жидкость за объектом была турбулентной, жидкость не плотнее воздуха, а объект не крошечный. Как и в случае с другими силами, сила сопротивления измеряется в newtons N .

Формула силы сопротивления

Выше вы, вероятно, видели кучу переменных, которые вы никогда раньше не видели. Чтобы помочь вам понять, что такое сила сопротивления, мы рассмотрим каждую из этих переменных.

C это коэффициент сопротивления, который представляет собой безразмерное число, определенное экспериментально. p представляет плотность жидкости в kg/m3; по мере увеличения плотности сила сопротивления увеличивается. В нашем первом примере вода способствует большей силе сопротивления, чем воздух, потому что она имеет более высокую плотность.

A является ли эффективная площадь поперечного сечения объекта в m2— это область объекта, которая перпендикулярна движению. Так, например, когда вы высовываете руку из окна движущегося автомобиля, если вы наклоните руку так, чтобы сторона была обращена к передней части автомобиля, вы почувствуете меньшую силу, чем если бы вы высунули руку ладонью вперед: это потому, что ваша рука имеет меньшуюпоперечное сечение в первой ориентации.

v это относительная скорость между объектом и жидкостью в m/s. Если вы опустите руку в воду и хлопнете ею вниз, вы почувствуете большую силу, борющуюся с вами, чем если бы вы медленно опускали ее. Сила сопротивления отличается от трения, потому что трение не зависит от скорости объекта.

Закон Стокса

Вам до сих пор нравились ужасные каламбуры? Я не хочу разжигать огонь, горящий в твоем сердце, еще больше от всех этих шуток об отце, но я просто должен.

Когда условия не соответствуют требованиям, перечисленным выше, мы можем использовать закон Стокса для нахождения силы трения:

Fs=6Пnrv

где это вязкость жидкости в единицах СИ паскаль-секунд , что равно килограммам на метр-секунду , это радиус объекта в метрах, и это скорость в метрах в секунду . В этом случае сила сопротивления пропорциональна скорости, а не квадрату скорости. С помощью этого уравнения сила сопротивления может называться силой вязкого сопротивления, где сила сопротивления зависит от вязкости жидкости.

Сила сопротивления при свободном падении — Конечная скорость

Если вы бросаете надувной мяч с эмпайр-стейт-билдинг, изначально сила, действующая на мяч, незначительна, поскольку скорость начинается с нуля.Вместо этого основной силой, действующей на него, является сила тяжести, которая тянет его вниз и заставляет ускоряться. По мере увеличения скорости сила сопротивления, действующая против падения мяча, будет увеличиваться. Эта противоположная сила заставляет ускорение мяча замедляться до тех пор, пока, в конце концов, сила сопротивления не сравняется с силой тяжести и мяч больше не будет ускоряться. В этот момент мяч достигнет постоянной скорости при своей конечной скорости.

Сила сопротивления - ключевые выводы

Сила сопротивления - это сила, которая противодействует относительному движению между объектом и жидкостью.
Направление силы сопротивления всегда противоположно относительному движению.
Распространенные типы силы сопротивления включают паразитное сопротивление, сопротивление формы, сопротивление трения о поверхность, сопротивление помех, индуцированное сопротивление и волновое сопротивление.
Для большинства простых сценариев (если скорость высока, вязкость жидкости низкая, а объект не крошечный), уравнение для силы сопротивления D=1/2CpAv2.
Мы можем использовать закон Стокса, чтобы найти силу сопротивления, когда ситуация не соответствует требованиям, необходимым для использования силы сопротивления.