W tym artykule omówimy różne przykłady sił oporu ze szczegółowymi spostrzeżeniami. Siły oporu to siły mechaniczne generowane w wyniku interakcji ciała stałego z otaczającym go płynem.
Przykłady siły oporu są bardzo powszechne i często postrzegane w naturze jako siła działająca przeciwnie do względnego ruchu dowolnego poruszającego się ciała. Ilekroć ciało porusza się w powietrzu, ta siła oporu nazywana jest opór aerodynamiczny, a jeśli medium podróżującym jest woda, to jest to opór hydrodynamiczny.
Przykłady siły przeciągania są wymienione poniżej
- Łódź płynąca po wodzie
- Samolot lecący na niebie
- Ptak latający na niebie
- Samochód poruszający się po drodze
- Jeździć na rowerze
- Rower
- spadochron
- Spadochroniarz spadający z nieba
- Ruch strzał i frisbee
- Biegacze
- Pływacy
- Ruch kulek
Łódź płynąca po wodzie
Siły działające na łódź wynikają z ruchu powietrza, który oddziałuje z łodzią i daje siłę napędową do żeglugi po wodzie. Siły działające na łódź zależą od prędkości i kierunku wiatru, a także od prędkości i kierunku statku.
Na łódź działają cztery siły: jej ciężar, siła wyporu (siła kontaktu z wodą, która wypycha łódź w górę), siła wiatru do przodu i opór wody do tyłu.
Siła oporu D odczuwana przez ciało podczas podróży przez płyn jest dana przez:
Gdzie:
C to współczynnik oporu, typowe wartości od 0.4 do 1.0 dla różnych płynów (takich jak powietrze i woda)
ρ to gęstość płynu, przez który porusza się ciało
v jest prędkością ciała względem płynu
A to rzutowana powierzchnia przekroju poprzecznego korpusu prostopadła do kierunku przepływu .
Samolot lecący na niebie
Połączony wynik czterech sił oporu, ciągu, udźwigu i ciężaru umożliwia latanie samolotem po niebie.
Ciężar samolotu ciągnie go w kierunku środka ziemi, aby pokonać tę siłę ciągnącą potrzebna jest wystarczająca siła nośna w kierunku do góry. Siła nośna jest wynikiem różnic ciśnienia powietrza na i nad skrzydłami samolotu. Silnik samolotu wytwarza ciąg w kierunku ruchu samolotu, który jest równoważony siłą oporu działającą przeciwnie do kierunku ruchu.
Kiedy samolot leci prosto i poziomo ze stałą prędkością, siła nośna, którą wytwarza, równoważy jego ciężar, a siła ciągu równoważy jego opór. Jednak ta równowaga sił zmienia się, gdy samolot wznosi się i schodzi, przyspiesza i zwalnia, a także skręca.
Ptak latający na niebie
Trzepotanie skrzydłami przez ptaka jest jedną z powszechnych metod napędu dostępnych w przyrodzie.
W przypadku ptaka siła nośna wytwarzana przez trzepotanie skrzydłami może być traktowana jako siła pionowa podtrzymująca ciężar ciała ptaka (tj. przyciąganie grawitacyjne w dół). Tutaj opór jest uważany za siłę poziomą, która przeciwstawia się pchnięciu. Pchnięcie to siła, która porusza przedmiot w kierunku do przodu, dla ptaka zaufanie zapewniają mu mięśnie ptaka.
Opór spowodowany jest oporem powietrza i działa w przeciwnym kierunku ruchu, wytwarzany opór zależy od kształtu obiektu, gęstości powietrza i prędkości poruszania się tego obiektu. Siła ciągu może pokonywać lub przeciwdziałać sile oporu.
Podczas lotu do przodu ciało ptaka generuje opór, który ma tendencję do zmniejszania jego prędkości. Machając skrzydłami lub przekształcając energię potencjalną w pracę podczas szybowania, ptak wytwarza zarówno siłę nośną, jak i ciąg, aby zrównoważyć siłę grawitacji i opór.
Poruszający się samochód
W przypadku jadącego samochodu siła oporu jest równa i działa w kierunku przeciwnym do siły, jaką silnik wytwarza na kołach pojazdu. Z powodu tych dwóch równych i przeciwstawnych sił działających na samochód, wypadkowa siła wypadowa wynosi zero, a samochód może utrzymać stałą prędkość.
Jeśli wyzerujemy siłę wytwarzaną przez silnik, utrzymując samochód przez chwilę w pozycji neutralnej, to na samochód działa tylko siła oporu. W tym stanie siła netto jest dostępna w samochodzie i samochód zwalnia.
Jazda na rowerze lub rowerze
Opór aerodynamiczny jest rzeczywiście główną siłą oporu w kolarstwie, każdy rowerzysta musi pokonać opór wiatru. Opór ciśnieniowy odgrywa ważną rolę w jeździe na rowerze, głównie powodowany przez cząsteczki powietrza spychane razem na powierzchniach skierowanych do przodu i bardziej rozmieszczone na powierzchniach tylnych
Każdy rowerzysta, który kiedykolwiek pedałował przy silnym wietrze do przodu, wie o odporności na wiatr. To jest wyczerpujące! Aby ruszyć do przodu, rowerzysta musi przecisnąć się przez masę powietrza przed sobą.
Rower
Rowery i motocykle są pojazdami jednośladowymi, więc ich ruchy mają wiele wspólnych cech. Jeśli weźmiemy pod uwagę rowerzystę i rower jako jeden system, działające siły zewnętrzne to: siła oporu, siła grawitacji, bezwładność, siła tarcia od podłoża i siły wewnętrzne są powodowane przez rowerzystę.
spadochron
Siła oporu działająca na spadochron zależy od wielkości spadochronu, im większy spadochron tym większa siła oporu działająca na spadochron.
Dwie siły działające na spadochron to siła oporu lub opór powietrza oraz siła grawitacji. Siła oporu działa w kierunku przeciwnym do siły grawitacji i spowalnia spadochron, gdy spada.
Spadochroniarz spadający z nieba
Kiedy skoczek spadochronowy wyskakuje z samolotu, na jego ciało działa zarówno opór powietrza, jak i opór oraz siła grawitacji. Siła grawitacji pozostaje stała, ale opór powietrza wzrasta wraz ze wzrostem prędkości ziemskiej.
Siłę cząstek powietrza uderzających w ciało można zmienić, zmieniając jego pozycję ciała (powierzchnia przekroju poprzecznego ciała). Zmienia to prędkość skoczka w kierunku ziemi.
Siłę oporu (oporu) doświadczaną przez ciało można przedstawić za pomocą następującego wzoru:
gdzie D jest współczynnikiem oporu,
p jest gęstością ośrodka, w tym przypadku powietrza,
A jest polem przekroju obiektu, a
v jest prędkością obiektu.
Ruch strzał i frisbee
Na trajektorię strzały wpływają trzy siły: a) siła przyspieszenia od dziobu do celu, b) siła przyspieszenia w kierunku ziemi od siły grawitacji, c) siła opóźnienia od oporu aerodynamicznego strzały.
Siła cięciwy cięciwy przyspiesza strzałę z łuku, aż strzała osiągnie prędkość wystrzelenia, siła oporu spowalnia jej prędkość, gdy strzała porusza się w powietrzu. W końcu siła grawitacji sprowadza strzałę z powrotem na powierzchnię ziemi.
Duże siły powodują przyspieszenie, ale ciężkie masy bardzo trudno jest przyspieszać lub zwalniać. Dlatego lżejsza strzała opuszcza łuk z większą prędkością i szybciej traci prędkość podczas lotu.
Biegacze
Kiedy biegacze biegną z „wiatrem”, którego doświadczają, napieranie na nich jest w rzeczywistości siłą oporu. W przypadku biegacza lub pływaka siła oporu zawsze działa wbrew ruchowi, próbując spowolnić ich ruch. Aby pokonać opór, biegacz musi poruszać się szybko, aby biegać do przodu. Innymi słowy, ciało powinno wytwarzać więcej siły.
Pływacy
Różne formy sił oporu, takie jak tarcie, ciśnienie i opór fal, nieustannie oddziałują na pływaka, gdy ten schodzi do basenu, aż do ostatecznego dotknięcia ściany. Opór tarcia powstaje w wyniku ocierania się cząsteczek wody o ciało pływaka, gładsze ciało pływaka w pewnym stopniu zmniejsza tarcie.
Podczas pływania z większą prędkością następuje wzrost ciśnienia w okolicy czołowej (głowa pływaka), tworząc różnicę ciśnień między dwoma końcami ciała pływaka. Ta różnica w ciśnienie generuje turbulencje za ciałem pływaka, ta dodatkowa siła oporu to opór ciśnieniowy.
Opór fal występuje w wyniku zanurzenia ciała pływaka w wodzie i częściowo poza wodą. Cała siła oporu fali jest generowana z głowy i ramion ciała pływaka.
Ruch kulek
Gdy piłka porusza się w powietrzu, Drag będzie opierał się ruchowi piłki podczas jej lotu, zmniejszając jednocześnie jej zasięg i wysokość boczne wiatry odwróci go od jego pierwotnej ścieżki. Oba efekty są rozważane przez graczy w sportach takich jak golf.
Odbijająca się piłka generalnie podąża za ruchem pocisku, różne siły działają na piłkę to siła oporu, siła grawitacji, siła Magnus związana z obrotem piłki i siła wyporu, wszystkie siły muszą być wzięte pod uwagę w celu analizy ruchu piłki.
Ogólnie rzecz biorąc, istnieje wiele czynników, które wpływają na wielkość siły oporu, w tym kształt i rozmiar piłki, kwadrat prędkości obiektu i warunki powietrza; w szczególności gęstość i lepkość powietrza. Określenie wielkości siły oporu jest trudne, ponieważ zależy od szczegółów interakcji przepływu z powierzchnią obiektu. W przypadku piłki nożnej jest to szczególnie trudne, ponieważ szwy służą do trzymania piłki razem.
Przeczytaj Więcej Czy opór powietrza jest siłą.
Jestem Sangeeta Das. Ukończyłem studia magisterskie z inżynierii mechanicznej ze specjalizacją w silnikach spalinowych i samochodach. Mam około dziesięcioletnie doświadczenie w przemyśle i środowisku akademickim. Moje zainteresowania obejmują silniki spalinowe, aerodynamikę i mechanikę płynów. Możesz mnie znaleść w