Iedereen is intuïtief bekend met het concept van sleepkracht. Als je door het water waadt of fietst, merk je dat hoe meer werk je uitoefent en hoe sneller je beweegt, hoe meer weerstand je krijgt van het omringende water of de lucht, die beide als vloeistoffen worden beschouwd door natuurkundigen. Als er geen weerstandskrachten zijn, kan de wereld worden getrakteerd op 1.000 voet homeruns in honkbal, veel snellere wereldrecords op de baan en in het veld en auto's met bovennatuurlijke niveaus van brandstofverbruik.
Slepende krachten, die eerder beperkend dan voortstuwend zijn, zijn niet zo dramatisch als andere natuurlijke krachten, maar ze zijn van cruciaal belang in de machinebouw en aanverwante disciplines. Dankzij de inspanningen van wiskundig ingestelde wetenschappers is het niet alleen mogelijk om weerstandskrachten in de natuur te identificeren, maar ook om hun numerieke waarden in verschillende alledaagse situaties te berekenen.
De sleepkrachtvergelijking
Druk wordt in de natuurkunde gedefinieerd als kracht per oppervlakte-eenheid:
P=\frac{F}{A}
Door "D" te gebruiken om specifiek de sleepkracht weer te geven, kan deze vergelijking worden herschikt om
D=CPA
waarbij C een evenredigheidsconstante is die van object tot object varieert. De druk op een object dat door een vloeistof beweegt, kan worden uitgedrukt als (1/2) ρv, waarbij ρ (de Griekse letter rho) de dichtheid van de vloeistof is en v de snelheid van het object.
daarom,
D=\frac{1}{2}C\rho v^2A
Let op verschillende gevolgen van deze vergelijking: de weerstandskracht stijgt in directe verhouding tot de dichtheid en het oppervlak, en neemt toe met het kwadraat van de snelheid. Als je met 10 mijl per uur rent, ervaar je vier keer de aerodynamische weerstand als bij 5 mijl per uur, terwijl al het andere constant wordt gehouden.
Sleepkracht op een vallend voorwerp
Een van de bewegingsvergelijkingen voor een object in vrije val uit de klassieke mechanica is
v=v_0+at
Daarin, v = snelheid op tijdstip t, v0 is beginsnelheid (meestal nul), a is versnelling door zwaartekracht (9,8 m/s2 op aarde), en t is de verstreken tijd in seconden. Het is in één oogopslag duidelijk dat een object dat van grote hoogte valt, met steeds grotere snelheid zou vallen als deze vergelijking strikt waar zou zijn, maar dat is niet omdat het de weerstandskracht verwaarloost.
Wanneer de som van de krachten die op een object inwerken nul is, versnelt het niet meer, hoewel het met een hoge, constante snelheid kan bewegen. Een skydiver bereikt dus haar eindsnelheid wanneer de weerstandskracht gelijk is aan de zwaartekracht. Ze kan dit manipuleren door haar lichaamshouding, wat A beïnvloedt in de weerstandsvergelijking. De eindsnelheid is ongeveer 120 mijl per uur.
Sleepkracht op een zwemmer
Competitieve zwemmers hebben te maken met vier verschillende krachten: zwaartekracht en drijfvermogen, die elkaar tegenwerken in een verticaal vlak, en weerstand en voortstuwing, die in tegengestelde richtingen werken in een horizontaal vlak. In feite is de voortstuwingskracht niets meer dan een sleepkracht die wordt uitgeoefend door de voeten en handen van de zwemmer om overwin de weerstandskracht van het water, die, zoals je waarschijnlijk al vermoedde, aanzienlijk groter is dan die van lucht.
Tot 2010 mochten Olympische zwemmers speciale aerodynamische pakken dragen die nog maar een paar jaar bestonden. Het bestuursorgaan van Swimming verbood de pakken omdat hun effect zo uitgesproken was dat wereldrecords werden gebroken door atleten die anders onopvallend waren (maar nog steeds van wereldklasse) zonder de pakken.