Всім інтуїтивно відомо поняття сили тяги. Коли ви пробираєтесь через воду або їдете на велосипеді, ви помічаєте, що чим більше праці ви докладаєте і тим швидше рухаєтесь, тим більший опір ви отримуєте від навколишньої води або повітря, які обидва вважаються рідинами фізики. За відсутності опорних сил, світ може бути оброблений 1000-футовими домашніми пробіжками в бейсболі, набагато швидшими світовими рекордами у легкій атлетиці та автомобілями з надприродним рівнем економії палива.
Сили перетягування, будучи обмежувальними, а не рушійними, не є такими драматичними, як інші природні сили, але вони мають вирішальне значення в машинобудуванні та суміжних дисциплінах. Завдяки зусиллям математично налаштованих вчених можна не тільки визначити сили опору в природі, але й обчислити їх числові значення в різних повсякденних ситуаціях.
Рівняння сили перетягування
Тиск у фізиці визначається як сила на одиницю площі:
P = \ frac {F} {A}
Використовуючи "D" для спеціального представлення сили опору, це рівняння можна переставити
D = CPA
де С - константа пропорційності, яка змінюється в залежності від об’єкта. Тиск на об'єкт, що рухається через рідину, може бути виражений як (1/2) ρv, де ρ (грецька буква rho) - щільність рідини, v - швидкість руху об'єкта.
Отже,
D = \ frac {1} {2} C \ rho v ^ 2A
Зверніть увагу на кілька наслідків цього рівняння: Сила опору зростає прямо пропорційно щільності та площі поверхні, і вона зростає разом із квадратом швидкості. Якщо ви біжите зі швидкістю 10 миль на годину, ви відчуваєте в чотири рази аеродинамічний опір, як на швидкості 5 миль на годину, при цьому все інше залишається постійним.
Перетягніть силу на предмет, що падає
Одне з рівнянь руху об'єкта при вільному падінні від класичної механіки є
v = v_0 + at
У ній v = швидкість у момент часу t, v0 - початкова швидкість (зазвичай нульова), a - прискорення за рахунок сили тяжіння (9,8 м / с2 на Землі), а t - час, що минув у секундах. З одного погляду очевидно, що об’єкт, що впав з великої висоти, впав би з постійно зростаючою швидкістю, якби це рівняння було строго істинним, але це не тому, що воно нехтує силою опору.
Коли сума сил, що діють на об’єкт, дорівнює нулю, воно вже не прискорюється, хоча може рухатися з великою постійною швидкістю. Таким чином, парашутист досягає своєї кінцевої швидкості, коли сила опору дорівнює силі тяжіння. Вона може маніпулювати цим за допомогою постави тіла, що впливає на А у рівнянні опору. Термінальна швидкість становить близько 120 миль на годину.
Перетягніть силу на плавця
Плавці, які змагаються, стикаються з чотирма різними силами: гравітацією та плавучістю, які протидіють одне одному у вертикальній площині, та опором та рушієм, які діють у протилежних напрямках у горизонтальній площині. Насправді рушійна сила - це не що інше, як сила опору, до якої прикладають ноги та руки плавця подолати силу опору води, яка, як ви вже припустили, значно більша, ніж сила повітря.
До 2010 року олімпійським плавцям дозволялося використовувати спеціальні аеродинамічні костюми, які існували лише кілька років. Керівний орган плавання заборонив костюми, оскільки їх ефект був настільки вираженим, що світові рекорди були розбиті спортсменами, які в іншому випадку були нічим не примітними (але все-таки світового класу) без костюми.