Jeder ist intuitiv mit dem Begriff der Widerstandskraft vertraut. Wenn Sie durchs Wasser waten oder Fahrrad fahren, merken Sie, dass Sie sich umso schneller bewegen, je mehr Arbeit Sie anstrengen und desto mehr Widerstand erhalten Sie durch das umgebende Wasser oder die Luft, die beide als Flüssigkeiten gelten Physiker. Ohne Widerstandskräfte könnte die Welt 300 Meter lange Homeruns im Baseball, viel schnellere Weltrekorde in der Leichtathletik und Autos mit übernatürlichem Kraftstoffverbrauch erleben.
Widerstandskräfte, die eher restriktiv als treibend sind, sind nicht so dramatisch wie andere Naturkräfte, aber sie sind im Maschinenbau und verwandten Disziplinen von entscheidender Bedeutung. Dank der Bemühungen mathematisch versierter Wissenschaftler ist es möglich, Widerstandskräfte in der Natur nicht nur zu identifizieren, sondern auch deren Zahlenwerte in einer Vielzahl von Alltagssituationen zu berechnen.
Die Widerstandskraftgleichung
Druck wird in der Physik als Kraft pro Flächeneinheit definiert:
P=\frac{F}{A}
Wenn "D" verwendet wird, um die Widerstandskraft speziell darzustellen, kann diese Gleichung umgeordnet werden zu
D=CPA
wobei C eine Proportionalitätskonstante ist, die von Objekt zu Objekt variiert. Der Druck auf ein Objekt, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt, kann als (1/2) ρv ausgedrückt werden, wobei ρ (der griechische Buchstabe rho) die Dichte der Flüssigkeit und v die Geschwindigkeit des Objekts ist.
Deshalb,
D=\frac{1}{2}C\rho v^2A
Beachten Sie mehrere Konsequenzen dieser Gleichung: Die Widerstandskraft steigt direkt proportional zur Dichte und Oberfläche, und sie steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Wenn Sie mit 10 Meilen pro Stunde laufen, erfahren Sie den vierfachen Luftwiderstand wie bei 8 Meilen pro Stunde, wobei alles andere konstant gehalten wird.
Kraft auf ein fallendes Objekt ziehen
Eine der Bewegungsgleichungen für ein Objekt im freien Fall aus der klassischen Mechanik ist
v=v_0+at
Darin gilt v = Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t, v0 ist die Anfangsgeschwindigkeit (normalerweise Null), a ist die Erdbeschleunigung (9,8 m/s2 auf der Erde) und t ist die verstrichene Zeit in Sekunden. Es ist auf den ersten Blick klar, dass ein aus großer Höhe fallender Gegenstand mit immer höherer Geschwindigkeit fallen würde, wenn diese Gleichung strikt wahr wäre, aber das ist nicht der Fall, weil sie die Widerstandskraft vernachlässigt.
Wenn die Summe der auf ein Objekt wirkenden Kräfte null ist, beschleunigt es nicht mehr, obwohl es sich mit hoher, konstanter Geschwindigkeit bewegen kann. So erreicht ein Fallschirmspringer seine Endgeschwindigkeit, wenn die Widerstandskraft der Schwerkraft entspricht. Sie kann dies durch ihre Körperhaltung manipulieren, was A in der Widerstandsgleichung beeinflusst. Die Endgeschwindigkeit beträgt etwa 120 Meilen pro Stunde.
Drag Force auf einen Schwimmer
Wettkampfschwimmer sind vier verschiedenen Kräften ausgesetzt: Schwerkraft und Auftrieb, die sich in einer vertikalen Ebene entgegenwirken, und Widerstand und Vortrieb, die in einer horizontalen Ebene in entgegengesetzte Richtungen wirken. Tatsächlich ist die Vortriebskraft nichts anderes als eine Widerstandskraft, die von den Füßen und Händen des Schwimmers auf Überwinden Sie die Widerstandskraft des Wassers, die, wie Sie wahrscheinlich vermutet haben, deutlich größer ist als die von Luft.
Bis 2010 durften olympische Schwimmer spezielle aerodynamische Anzüge tragen, die es erst seit wenigen Jahren gab. Der Schwimmverband hat die Anzüge verboten, weil ihre Wirkung so ausgeprägt war, dass Weltrekorde wurden von Athleten gebrochen, die sonst unauffällig (aber immer noch Weltklasse) ohne die Anzüge.