При движении тела высоко над землей, силы сопротивления зависят от плотности воздуха, скорости перемещения тела. При небольшой скорости движения силу трения определяют по формуле:
\(F=va\),
где \(v\) – скорость перемещения тела;
\(a\) – коэффициент сопротивления воздуха.
Силы сопротивления бывают разных видов:
- сила трения качения \(P_f\). Зависит от вида и структуры поверхности опоры, скорости перемещения тела, давления окружающей среды и прочих факторов. Коэффициент сопротивления качению \(f \) зависим от типа и состояние поверхности опоры, и обратно пропорционален температуре и давлению.
- сила трения воздуха (лобовое сопротивление) \(P_вл\). Появляется из-за разности давлений. Этот показатель зависит от вихреобразований вокруг предмета движения, которые в свою очередь зависят от формы перемещающегося предмета.
Более значимо на сопротивление будет влиять перемещение передней части предмета.
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.
По второму закону ньютона сила сопротивления ускорению тела, совершающего поступательные движения, определяется так:
\(P_j=m {dv\over dt},\)
где \(m\) – масса объекта;
\({dv\over dt}\) – ускорение центра масс.
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.
\(L\) – размеры тела;
\(p\) – плотность среды.
Силы сопротивления движению — Libtime
- Главная
- Физика
- Силы сопротивления движению
Елена Голец 11553
Каждый велосипедист, мотоциклист, шофер, машинист, летчик или капитан корабля знает, что у его машины есть предельная скорость; превысить которую не удается никакими усилиями. Можно сколько угодно нажимать на педаль газа, но «выжать» из машины лишний километр в час невозможно.
Вся развиваемая скорость идет на преодоление сил сопротивления движению.
Преодоление различного трения
Например, автомобиль имеет двигатель мощностью в пятьдесят лошадиных сил. Когда водитель нажимает газ до отказа, коленчатый вал двигателя начинает делать три тысячи шестьсот оборотов в минуту.
Поршни как сумасшедшие мечутся вверх и вниз, подскакивают клапаны, вертятся шестеренки, а автомобиль движется хотя и очень быстро, но совершенно равномерно, и вся сила тяги двигателя уходит на преодоление сил сопротивления движению, в частности преодоление различного трения.
Вот, например, как распределяется сила тяги двигателя между его «противниками» — разными видами сил трения при скорости автомобиля сто километров в час:
- на преодоление трения в подшипниках и между шестеренками расходуется около шестнадцати процентов силы тяги мотора,
- на преодоление трения качения колес по дороге — примерно двадцать четыре процента,
- на преодоление сопротивления воздуха расходуется шестьдесят процентов силы тяги автомобиля.
Сопротивление воздуха
При рассмотрении сил сопротивления движению, таких как:
- трение скольжения с увеличением скорости немного уменьшается,
- трение качения изменяется очень незначительно,
- сопротивление воздуха, совершенно незаметное при медленном движении, становится грозной тормозящей силой, когда скорость возрастает.
Воздух оказывается главным врагом быстрого движения. Поэтому кузовам автомобилей, тепловозам, палубным надстройкам пароходов придают округленную, обтекаемую форму, убирают все выступающие части, стараются сделать так, чтобы воздух мог их плавно обегать.
Когда строят гоночные машины и хотят добиться от них наивысшей скорости, то для кузова автомобиля заимствуют форму у рыбьего туловища, а на такую скоростную машину ставят двигатель мощностью несколько тысяч лошадиных сил. Но что бы ни делали изобретатели, как бы ни улучшали обтекаемость кузова, всегда за всяким движением, как тень, следуют силы трения и сопротивления среды.
И если они даже не увеличиваются, остаются постоянными, все равно машина будет иметь предел скорости. Объясняется это тем, что мощность машины — произведение силы тяги на ее скорость. Но раз движение равномерное — сила тяги целиком уходит на преодоление различных сил сопротивления. Если добиться уменьшения этих сил, то при данной мощности машина сможет развить большую скорость.
А так как основным врагом движения при больших скоростях является сопротивление воздуха, то для борьбы с ним конструкторам и приходится так изощряться.
Сопротивлением воздуха заинтересовались артиллеристы
Сопротивлением воздуха прежде всего заинтересовались артиллеристы.
Они старались понять, почему пушечные снаряды не так далеко летят, как им хотелось бы. Расчеты показали, что, если бы на Земле не было воздуха, снаряд семидесятишестимиллиметровой пушки пролетел бы не менее двадцати трех с половиной километров, а в действительности он падает всего лишь в семи километрах от пушки.
Из-за сопротивления воздуха теряется шестнадцать с половиной километров дальности. Обидно, но ничего не поделаешь! Артиллеристы улучшали пушки и снаряды, руководствуясь главным образом догадкой и смекалкой. Что происходит со снарядом в воздухе, сначала было неизвестно. Хотелось бы посмотреть на летящий снаряд и увидеть, как он рассекает воздух, но снаряд летит очень быстро, глаз не может уловить его движения, а воздух и подавно невидим.
Желание казалось несбыточным, но выручила фотография. При свете электрической искры удалось заснять летящую пулю. Искра сверкнула и на мгновение осветила пулю, пролетавшую перед объективом фотоаппарата. Ее блеска оказалось достаточно, чтобы получить моментальный снимок не только пули, но и воздуха, рассекаемого ею.
На фотографии были видны темные полосы, расходящиеся от пули в стороны.
Благодаря фотоснимкам стало ясно, что происходит, когда снаряд летит в воздухе. При медленном движении предмета частицы воздуха спокойно расступаются перед ним и почти не мешают ему, но при быстром — картина меняется, частицы воздуха уже не успевают разлетаться в стороны. Снаряд летит и, как поршень насоса, гонит впереди себя воздух и уплотняет его.
Чем выше скорость, тем сильнее сжатие и уплотнение. Для того чтобы снаряд двигался быстрее, лучше пробивал уплотненный воздух, его головную часть делают заостренной.
Полоса завихренного воздуха
На фотоснимке летящей пули было видно, что-у нее позади возникает полоса завихренного воздуха. На образование вихрей тоже тратится часть энергии пули или снаряда. Поэтому у снарядов и пуль стали делать донную часть скошенной, это уменьшило силу сопротивления движению в воздухе.
Благодаря скошенному дну дальность полета снаряда семидесятишестимиллиметровой пушки достигла одиннадцати — двенадцати километров.
Трение частиц воздуха
При полете в воздухе на скорости движения сказывается также трение частиц воздуха о стенки летящего предмета. Это трение невелико, но оно все же существует и нагревает поверхность. Поэтому приходится красить самолеты глянцевитой краской и покрывать их особым авиационным лаком.
Таким образом, силы сопротивления движению в воздухе всем движущимся предметам возникают вследствие трех различных явлений:
- уплотнения воздуха впереди,
- образования завихрений позади,
- небольшого трения воздуха о боковую поверхность предмета.
Сопротивление движению со стороны воды
Предметы, движущиеся в воде — рыбы, подводные лодки, самоходные мины — торпеды и проч., — встречают большое сопротивление движению со стороны воды. С увеличением скорости силы сопротивления воды растут еще быстрее, чем в воздухе.
Поэтому и значение обтекаемой формы возрастает. Достаточно взглянуть на форму тела щуки. Она должна гоняться за мелкими рыбешками, поэтому для нее важно, чтобы вода оказывала минимальное сопротивление ее движению.
Форму рыбы придают самоходным торпедам, которые должны быстро поражать неприятельские суда, не давая им возможности уклониться от удара. Когда моторная лодка мчится по водной глади или торпедные катера идут в атаку, видно, как острый нос корабля или лодки режет волны, обращая их в белоснежную пену, а за кормой кипит бурун и остается полоса вспененной воды.
Сопротивление воды напоминает сопротивление воздуха — вправо и влево от корабля бегут волны, а позади образуются завихрения — пенистые буруны; сказывается также и трение между водой и погруженной частью корабля. Разница между движением в воздухе и движением в воде состоит только в том, что вода — жидкость несжимаемая и перед кораблем не возникает уплотненной «подушки», которую приходится пробивать.
Зато плотность воды почти в тысячу раз больше плотности воздуха. Вязкость воды тоже значительна. Вода не так-то уж охотно и легко расступается перед кораблем, поэтому сопротивление движению, которое она оказывает предметам, весьма велико.
Скорости морских кораблей значительно уступают скоростям воздушных кораблей. Наиболее быстроходные из морских судов — торпедные катера развивают скорость в пятьдесят узлов, а глиссеры, скользящие по поверхности воды, — до ста двадцати узлов. (Узел — морская мера скорости; один узел составляет 1852 метра в час.)
Рейтинг: 5/5 — 2 голосов
Сила сопротивления: определение, формула и примеры
Насколько был уверен первый парашютист в том, что использование парашюта спасет его от верной смерти? Наверное, вполне уверенно, если бы знали свою физику! Их безопасность основывалась на их знании той же концепции, которая заставляет нас чувствовать ветер на наших лицах сильнее, когда мы ездим быстрее. Все дело в силах сопротивления. Силы сопротивления — это, как следует из названия, силы, препятствующие движению. На примере с парашютом мы видим, что они могут быть как полезными, так и ограничивающими.
В этой статье мы обсудим, что они из себя представляют и как действуют.
Сила сопротивления Определение
Сила сопротивления \(\vec{F}_r\) на движущийся объект — это сила, противодействующая движению этого объекта, или сила, препятствующая движению неподвижного объекта. Силы сопротивления всегда действуют в направлении, противоположном его движению.
В физике мы склонны сосредотачивать внимание на движущих силах, заставляющих объекты двигаться, а не на противодействующих силах. Сила может перемещать объект через среду или через контактную поверхность, и эта среда / поверхность часто может сопротивляться движению, применяя силу в направлении, противоположном движению тела, это сила трения, и она будет в центре внимания. сил сопротивления в этой статье. Однако есть и другие силы, которые можно считать силами сопротивления, и они будут кратко рассмотрены в следующем разделе.
Типы сил сопротивления
Трение скольжения является примером силы сопротивления и возникает, когда два тела пытаются скользить друг по другу.
Из-за этого трения возникает противодействие направлению движения тел. Сопротивление воздуха (или лобовое сопротивление) — еще один пример силы сопротивления, когда объект замедляется при движении через воздух, который является средой. Сопротивление воздуха классифицируется как тип жидкостного трения. Сила сопротивления всегда противоположна направлению движения объекта относительно среды.
Силу гравитации также можно считать силой сопротивления, если она, например, препятствует вертикальному взлету ракеты. Кроме того, нормальная сила также является силой сопротивления. Представьте себе объект, покоящийся на горизонтальной поверхности. Сила гравитации (веса) притягивает объект к центру Земли. Однако нормальная сила сопротивляется этому с равной и противоположной силой, в результате чего объект остается неподвижным на поверхности.
Сила сопротивления трения
Мы определили силу сопротивления как силу, противодействующую движению объекта из-за свойств среды, через которую он движется.
Одной из наиболее известных из этих сил сопротивления является трение. Мы сосредоточимся на статическом трении и кинетическом трении.
Сила трения
Сила трения возникает между двумя твердыми объектами, которые скользят друг по другу. Относительное движение между поверхностями двух объектов воздействует на каждый объект силой, параллельной обеим поверхностям и противодействующей каждому из их движений. Сила трения зависит от материала каждого предмета и от того, насколько сильно они прижаты друг к другу.
В качестве примера представьте, что ламинированная книга скользит по относительно гладкой поверхности стола. Книга будет довольно легко скользить по столу, прежде чем остановиться; сила трения существует, но невелика. Затем, если вы добавите тяжелый груз поверх книги и снова толкнете ее по столу, она остановится раньше, поскольку сила трения между ее поверхностью и поверхностью стола увеличится.
Мы обсудим типы сил трения позже, но общее уравнение для силы трения \(F_\mathrm{friction}\) таково:
\[F_{\mathrm{friction}}=\mu N,\]
где \(\mu\) — коэффициент трения поверхности, по которой движется объект, а \(N\) — нормальная контактная сила между поверхностью и объектом.
{max}=\mu_{s} N,\ ] где \(\mu_s\) известен как коэффициент статического трения поверхности, а \(N\) — нормальная контактная сила между объектом и поверхностью.
Кинетическая сила трения
Кинетическая сила трения \(f\) для движущегося объекта массой \(m\) определяется следующим уравнением, \[f_k=\mu_{k}N,\], где \( \mu_{k}\) известен как коэффициент кинетического трения, а \(N\) представляет собой величину нормальной силы реакции, которую поверхность прикладывает к объекту. Обратите внимание, что кинетическая сила трения может быть силой трения качения или скольжения.
Сила вязкости
Силы вязкости возникают, когда твердые тела движутся в жидкости. Твердый объект перемещает слои жидкости, проходя через него. Относительное движение между двумя слоями жидкости создает силу сопротивления движению объекта. Вязкая сила зависит от свойства жидкости, называемого вязкостью. Чем больше вязкость жидкости, тем большая сила вязкости будет действовать на движущийся сквозь нее объект.
2,\], где \(\beta\) равно коэффициент сопротивления жидкости.
Сила вязкости зависит от вязкости жидкости, через которую движется объект, из-за сопротивления жидкости деформации. Сила вязкости удерживает неподвижный объект неподвижным. В то время как сила сопротивления зависит от относительного движения между объектом и средой, через которую он проходит.
Формула силы сопротивления
Мы собираемся рассмотреть случай объекта, движущегося с малой скоростью через среду. Мы будем думать о сценарии, в котором объект движется со скоростью \(\vec{v}\) относительно некоторой среды, в которой он чувствует силу сопротивления \(\vec{F}_r.\). В этом случае сопротивление сила прямо пропорциональна скорости тела и в обратном направлении, то есть
\[\vec{F}_r \propto \vec{v}.\]
Нам нужно включить константу в это выражение, чтобы превратить его в уравнение. Уравнение для силы сопротивления в терминах скорости принимает вид \[\boxed{\vec{F}_r=-k\vec{v},}\], где \(k\) — вышеупомянутая константа, которая зависит физические свойства объекта и среды, в которой он движется.
2.\)
Конечная скорость
Рассмотрим пример медленно движущегося объекта; перо, медленно падающее с дерева на землю. Перо в какой-то момент достигнет постоянной скорости при падении на Землю. Если сила сопротивления прямо пропорциональна скорости пера, она равна нулю, когда скорость пера равна нулю; в начале своего спуска. В этот момент единственной силой, действующей на перо, является его вес \(m\vec{g}\), а величина его ускорения равна \(g.\). Когда его скорость увеличивается от нуля, оно начинает испытывать сопротивление. сила \(\vec{F}_r\) в противоположном направлении из-за сопротивления воздуха, когда он движется через эту среду. Чистая сила, действующая на перо, может быть представлена как \[\begin{align}\vec{F}_{\text{net}}&=m\vec{g}+\vec{F}_r,\\|\ vec{F}_{\text{net}} |&=mg-kv,\end{align}\]
, который можно использовать для определения чистого ускорения \(a\) пера в любое время с использованием второго закона Ньютона,
\[\begin{align}ma&=mg-kv,\\a&=g-\frac {k}{m}v.
\end{align}\]
Помните, что сила сопротивления увеличивается со скоростью, следовательно, результирующая сила постоянно уменьшается, и, согласно приведенному выше уравнению, то же самое имеет результирующее ускорение. Когда перо достигает точки, в которой его скорость постоянна, мы говорим, что оно достигло конечной скорости \(v_T\) . Перо больше не ускоряется, и мы можем найти конечную скорость из приведенного выше уравнения, установив \(a=0\), \[\begin{align}0&=g-\frac{k}{m}v_T,\\v_T& =\frac{mg}{k}.\end{align}\] Мы можем визуализировать этот сценарий с помощью изображения ниже.
График зависимости скорости от времени для объекта, испытывающего сопротивление воздуха при падении, показан на Рис. 2. ниже.
Рис. 2. График зависимости скорости от времени для падающего объекта, испытывающего сопротивление воздуха, демонстрирующий конечную скорость
Скорость изменения скорости (ускорения) максимальна в начале падения и постепенно снижается по мере увеличения величины силы сопротивления и противодействия весу.
{-kt/m} \right).\] Здесь мы предполагаем, что скорость объекта \(v=0\) в момент времени \(t=0\), что верно для пера, падающего из состояния покоя. Обратите внимание, что для жидкости вязкость жидкости обеспечивает силу сопротивления на объекте. Давайте проверим наши новые знания, рассмотрев следующий пример. 9{-1}}.\)
Работа, выполненная против сил сопротивления
Напомним, что при воздействии сил обычно происходят преобразования энергии, что, в свою очередь, означает, что над объектом будет совершена работа. Работа, совершаемая над объектом \(W\) приложенной силой \(F\), представляет собой сумму прироста кинетической энергии \(\Delta E_K \) объекта и работы, совершаемой объектом против силы сопротивления \(W_r\). То есть
\[\begin{align}W&=\Delta E_K+W_r,\\W_r&=W-\Delta E_K.\end{align}\] Работа, совершаемая над объектом приложенной силой, увеличивает его кинетическую энергия. Работа, совершаемая объектом против силы сопротивления, отнимает энергию у объекта, уменьшая его кинетическую энергию.
Сила сопротивления — ключевые выводы
- Сила сопротивления \(\vec{F}_r\) на объект, движущийся относительно некоторой среды, — это сила, противодействующая движению этого объекта, которая возникает из-за физических свойств среды и объект.
- На низких скоростях сила сопротивления прямо пропорциональна скорости объекта и направлена в противоположную сторону, то есть \[\vec{F}_r = -k\vec{v}.\]
- Конечная скорость \(v_T\) на объект, испытывающий силу сопротивления при движении через среду, равен \[v_T=\frac{mg}{k}.\] 9{-kt/m}\right).\]
- Трение является примером силы сопротивления, не зависящей от скорости объекта.
- Работа, совершаемая над объектом \(W\) приложенной силой \(F\), равна сумме прироста кинетической энергии \(\Delta E_K \) объекта и работы, совершаемой объектом против сила сопротивления \(W_r.\)
Ссылки
- Рис. 2 — Оригиналы StudySmarter
0153
Рон Куртус
Сила сопротивления — это сила, которая сдерживает или сопротивляется движению объекта.
Он действует в направлении, противоположном любому движению или приложенной силе, пытающейся сдвинуть объект. Он считается пассивным в том смысле, что он не активен и не применяется, и нет явного агента силы.
Наиболее распространенной силой сопротивления является трение, когда объект удерживается от скольжения по поверхности. Другой формой силы сопротивления является сопротивление жидкости, когда объект пытается прорваться через жидкий материал.
Если объект или материал перемещается по отношению к другому объекту, он может создавать как приложенную, так и противодействующую силу на объект.
У вас могут возникнуть следующие вопросы:
- Что такое сила сопротивления трения?
- Что такое сила сопротивления жидкости?
- Что такое приложенная сила сопротивления?
Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц
Сила сопротивления трения
Когда свободно движущийся объект скользит по поверхности, он может столкнуться с силой сопротивления трения между поверхностями, которая может замедлить или даже остановить движение объекта.
Если объект толкается или тянется приложенной силой, его ускорение будет уменьшено из-за трения. Если сила трения больше приложенной силы, объект не будет двигаться вперед.
Когда на объект действуют приложенная сила и сила сопротивления, результирующее ускорение будет разностью между этими силами при условии, что приложенная сила больше.
Движение против трения
Например, в случае толкания предмета по полу против силы трения:
Ж Р = Ж — Ж р
где
- F R результирующая сила
- F сила, толкающая объект ( F = ma )
- F r – сила сопротивления трения ( F r = мкН )
Приложенная сила меньше силы сопротивления
Если приложенная сила меньше силы сопротивления ( F < F r ), объект не будет двигаться. Например, вы можете толкнуть очень тяжелую коробку, но не сможете ее сдвинуть.
( Обратите внимание на то, что хотя ваши усилия могут быть велики, объем проделанной вами работы равен нулю, потому что коробка не двигалась.)
Ящик, толкаемый по поверхности настила, испытывает силу сопротивления трения. Если дека движется с некоторой скоростью в любом направлении, трение все равно сохраняется, потому что оно не зависит от скорости.
(Дополнительную информацию см. в разделе Сила сопротивления трения.)
Сопротивление жидкости
Сопротивление жидкости может быть сопротивлением воздуху, водостойкостью или сопротивлением другого жидкого материала — даже грязи.
Сопротивление жидкости возникает, когда твердый объект проталкивается сквозь жидкость, например воду, или газ, например воздух.
Например, когда автомобиль набрал определенную скорость и ему позволили свободно двигаться по ровной дороге, сопротивление воздуха и трение качения будут замедлять его до тех пор, пока он, наконец, не остановится.
Кроме того, вы можете использовать тормоза, чтобы замедлить и остановить автомобиль.
Однако сопротивление жидкости зависит от относительной скорости объекта, движущегося в жидкости.
Приложенная сила сопротивления
Трение и сопротивление жидкости представляют собой силы сопротивления, когда материал неподвижен. Однако оба они также могут вносить вклад в качестве приложенной силы, когда материалы или объекты движутся друг относительно друга.
Например, лодка, движущаяся по стоячей воде, испытывает силу сопротивления воды. Если вода движется в том же направлении, что и лодка, но с меньшей скоростью, сила сопротивления воды уменьшается. Однако, если вода движется в том же направлении, что и лодка, но с большей скоростью, вода действует как приложенная сила и толкает лодку вперед.
Если вода движется в направлении, противоположном движению лодки, она прикладывает силу к лодке, замедляя ее.
Резюме
Сила сопротивления тормозит или сопротивляется движению и действует в направлении, противоположном любому движению или приложенной силе.
Трение является наиболее распространенной силой сопротивления. Свободно движущийся объект может быть замедлен и даже остановлен сопротивлением. Скорость ускорения толкаемого объекта может быть уменьшена силой сопротивления. Приложенная сила может быть даже не в состоянии преодолеть большое сопротивление.
Не сопротивляйтесь изменениям
Ресурсы и ссылки
Полномочия Рона Куртуса
Веб-сайты
Сила сопротивления — Википедия
Движение в присутствии сил сопротивления — Индийская онлайн-академия
Средняя Сила сопротивления, действующая на пулю деревянного бруска — Упражнения
Сила сопротивления — Силы, действующие на драгстер
Сопротивление (физика) — Википедия
Ресурсы по физике
Книги
(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные от покупки книг)
Книги с самым высоким рейтингом по физике силы
Поделиться этой страницей
Студенты и исследователи
Веб-адрес этой страницы:
www.