Все интуитивно знакомы с концепцией силы сопротивления. Когда вы пробираетесь вброд или едете на велосипеде, вы замечаете, что чем больше вы работаете и тем быстрее двигаетесь, тем большее сопротивление вы получаете от окружающей воды или воздуха, которые считаются жидкостями физики. В отсутствие сил сопротивления мир мог бы быть угощен 1000-футовыми хоум-ранами в бейсболе, гораздо более быстрыми мировыми рекордами в легкой атлетике и автомобилями со сверхъестественным уровнем экономии топлива.
Силы сопротивления, будучи скорее ограничивающими, чем движущими силами, не так драматичны, как другие природные силы, но они имеют решающее значение в машиностроении и смежных дисциплинах. Благодаря усилиям математически мыслящих ученых стало возможным не только идентифицировать силы сопротивления в природе, но и вычислять их числовые значения в различных повседневных ситуациях.
Уравнение силы сопротивления
Давление в физике определяется как сила на единицу площади:
P = \ frac {F} {A}
Используя букву "D" для конкретного представления силы сопротивления, это уравнение можно преобразовать в
D = цена за конверсию
где C - постоянная пропорциональности, которая меняется от объекта к объекту. Давление на объект, движущийся в жидкости, можно выразить как (1/2) ρv, где ρ (греческая буква ро) - плотность жидкости, а v - скорость объекта.
Следовательно,
D = \ frac {1} {2} C \ rho v ^ 2A
Обратите внимание на несколько следствий этого уравнения: сила сопротивления возрастает прямо пропорционально плотности и площади поверхности, а также пропорционально квадрату скорости. Если вы бежите со скоростью 10 миль в час, вы испытываете в четыре раза большее аэродинамическое сопротивление, чем при скорости 5 миль в час, при прочих равных условиях.
Сила сопротивления падающему объекту
Одно из уравнений движения объекта в свободном падении из классической механики имеет вид
v = v_0 + при
В нем v = скорость в момент времени t, v0 - начальная скорость (обычно нулевая), a - ускорение свободного падения (9,8 м / с2 на Земле), а t - прошедшее время в секундах. С первого взгляда становится ясно, что объект, падающий с большой высоты, падал бы со все возрастающей скоростью, если бы это уравнение было строго верно, но это не потому, что оно не учитывает силу сопротивления.
Когда сумма сил, действующих на объект, равна нулю, он больше не ускоряется, хотя может двигаться с высокой постоянной скоростью. Таким образом, парашютист достигает своей предельной скорости, когда сила сопротивления равна силе тяжести. Она может управлять этим посредством своего положения тела, которое влияет на A в уравнении сопротивления. Конечная скорость составляет около 120 миль в час.
Сила перетаскивания на пловца
Пловцы-спортсмены сталкиваются с четырьмя различными силами: гравитацией и плавучестью, которые противодействуют друг другу в вертикальной плоскости, и сопротивлением и движением, которые действуют в противоположных направлениях в горизонтальной плоскости. Фактически, движущая сила - это не что иное, как сила сопротивления, прикладываемая ступнями и руками пловца к преодолеть силу сопротивления воды, которая, как вы, вероятно, догадались, значительно больше, чем у воды. воздуха.
До 2010 года пловцам-олимпийцам разрешалось использовать специальные аэродинамические костюмы, которые существовали всего несколько лет. Руководящий орган по плаванию запретил костюмы, потому что их действие было настолько явным, что мировые рекорды были сломлены спортсменами, которые в остальном ничем не примечательны (но все же мирового класса) без костюмы.