Wszyscy intuicyjnie znają pojęcie siły oporu. Kiedy brodzisz w wodzie lub jeździsz na rowerze, zauważasz, że im więcej ćwiczysz i tym szybciej się poruszasz, tym większy opór uzyskasz od otaczającej wody lub powietrza, które są uważane za płyny przez fizycy. W przypadku braku sił oporu świat może być traktowany jako 1000-metrowe biegi do domu w baseballu, znacznie szybsze rekordy świata w lekkoatletyce i samochody o nadprzyrodzonym poziomie zużycia paliwa.
Siły oporu, które są bardziej ograniczające niż napędzające, nie są tak dramatyczne jak inne siły naturalne, ale mają kluczowe znaczenie w inżynierii mechanicznej i pokrewnych dyscyplinach. Dzięki wysiłkom matematycznie nastawionych naukowców możliwe jest nie tylko zidentyfikowanie sił oporu występujących w przyrodzie, ale także obliczenie ich wartości liczbowych w różnych codziennych sytuacjach.
Równanie siły oporu
W fizyce ciśnienie definiuje się jako siłę na jednostkę powierzchni:
P=\frac{F}{A}
Używając „D” do przedstawienia siły oporu, równanie to można zmienić na
D=CPA
gdzie C jest stałą proporcjonalności, która zmienia się w zależności od obiektu. Nacisk na obiekt poruszający się w płynie można wyrazić jako (1/2) ρv, gdzie ρ (grecka litera rho) to gęstość płynu, a v to prędkość obiektu.
W związku z tym,
D=\frac{1}{2}C\rho v^2A
Zwróć uwagę na kilka konsekwencji tego równania: Siła oporu rośnie wprost proporcjonalnie do gęstości i pola powierzchni oraz rośnie wraz z kwadratem prędkości. Jeśli biegasz z prędkością 10 mil na godzinę, doświadczasz czterokrotnie większego oporu aerodynamicznego, niż przy prędkości 8 km na godzinę, przy czym wszystko inne pozostaje na stałym poziomie.
Przeciągnij siłę na spadający obiekt
Jednym z równań ruchu obiektu w swobodnym spadku z mechaniki klasycznej jest
v=v_0+o
W nim v = prędkość w czasie t, v0 to prędkość początkowa (zwykle zero), a to przyspieszenie ziemskie (9,8 m/s2 na Ziemi), a t to czas w sekundach, który upłynął. Na pierwszy rzut oka widać, że obiekt upuszczony z dużej wysokości spadałby z coraz większą prędkością, gdyby to równanie było całkowicie prawdziwe, ale nie dzieje się tak dlatego, że pomija siłę oporu.
Gdy suma sił działających na obiekt wynosi zero, nie przyspiesza on już, chociaż może poruszać się z dużą, stałą prędkością. W ten sposób spadochroniarz osiąga prędkość końcową, gdy siła oporu równa się sile grawitacji. Może manipulować tym poprzez swoją postawę ciała, co wpływa na A w równaniu przeciągania. Prędkość końcowa wynosi około 120 mil na godzinę.
Siła przeciągania na pływaka
Zawodni pływacy zmagają się z czterema różnymi siłami: grawitacją i wyporem, które przeciwdziałają sobie w płaszczyźnie pionowej oraz opór i napęd, które działają w przeciwnych kierunkach w płaszczyźnie poziomej. W rzeczywistości siła napędowa to nic innego jak siła oporu wywierana przez stopy i ręce pływaka na pokonać siłę oporu wody, która, jak zapewne przypuszczasz, jest znacznie większa niż greater powietrze.
Do 2010 roku pływacy olimpijscy mogli używać specjalnych kombinezonów aerodynamicznych, które istniały dopiero od kilku lat. Organ zarządzający pływaniem zakazał używania strojów, ponieważ ich efekt był tak wyraźny, że rekordy świata były łamane przez sportowców, którzy poza tym byli zwyczajni (ale wciąż światowej klasy) bez garnitury.
