Как пишется сопротивление воздуха

Что такое сила сопротивления

При совершенно любом движении будет фиксироваться появление между поверхностями тел или в среде, где оно осуществляется, сил сопротивления. Второе свойственное им название — силы трения.

Препятствие движению объясняется тем, что силы трения имеют противоположное направление, и в момент, когда движущая сила и силы сопротивления уравновесятся, скорость станет равна 0.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Схематически действие силы трения можно представить на рисунке:

Изображенное здесь тело массой m лежит на ровной поверхности, и на него действуют сила тяжести и уравновешивающая ее сила опоры (N). Направления этих двух сил противоположные, однако, обе — перпендикулярны поверхности.

Сила опоры по своей величине определяется по формуле:

(N=mtimes g)

С позиций механики понятно, что для того, чтобы сдвинуть это тело с места, необходимо приложить усилие (P), превосходящее силу трения (F).

Как любая другая, сила трения измеряется в Ньютонах (Н).

Разновидности сил сопротивления

Причинами возникновения силы трения являются:

• неровный характер соприкасающихся поверхностей;
• действие межмолекулярных связей (применимо для гладких поверхностей).

В зависимости от этих факторов, а также с учетом характера движения силы сопротивления бывают:

1. Силой качения, которая находится в зависимости от физических свойств опоры, скорости движения, сопротивления воздуха. В формулу для определения силы качения вводится коэффициент f, который уменьшается при росте температуры и давления.
2. Сила сопротивления воздуха (если идет лобовое взаимодействие). Причина ее появления — разница давлений. Чем выше вихреобразование, тем выше этот показатель. Вихреобразование же, в свою очередь, зависит от формы самого движущегося тела.

Существует понятие электрического сопротивления, под которым понимается свойство проводника препятствовать прохождению тока. Величина, с которой это происходит, равняется частному от деления напряжения на концах к силе тока, протекающему в последовательной цепи.

Как определить силу сопротивление воздуха

При движении тела на него действует лобовое сопротивление воздуха (обозначение — Р_вл). Для его измерения существует формула:

(P_{вл}=С_хtimes ptimes F_вtimes V^2div2)

где C_x — коэффициент обтекаемости (при лобовом сопротивлении воздуха), p — плотность среды (в данной ситуации — воздуха), F_в — площадь миделевого сечения.

Наибольшая концентрация силы сопротивления наблюдается в точке, которая не совпадает с центром массы тела. Это — центр парусности.

(P_j=mtimes dVdiv dt)

В этой формуле m обозначает массу автомобиля, а частное изменения скорости по истечению времени — ускорение центра инерции (или центра масс).

Изменение силы в зависимости от скоростей

На малых скоростях движения сила сопротивления всегда определяется вязкостью жидкости, физическими характеристиками движения (в частности — скоростью), размерами самого тела.

Движение при больших скоростях имеет свои особенности. Например, в случае жидкой либо воздушной среды закономерности трения вязкости не работают. Даже при скоростях в 1 см/с их можно применить только для тел, размеры которых измеряются в мм.

Медленно движущееся тело по всей своей длине постепенно обтекается жидкостью, а сила сопротивления, действующая на него, называется силой вязкого трения.

При высокоскоростном движении сзади тела в жидкости возникают струйки, вихреобразные потоки различной мощности, кольца. Картинка этих течений постоянно меняется. Развивается турбулентная система, сопротивление внутри которой зависит от вязкости среды и размеров тела совсем по-другому, чем при вязком.

Такое сопротивление находится в пропорциональной зависимости от квадрата скорости и размеров тела. Кроме того, более значимым, чем вязкость, становится плотность среды.

Такое торможение называется силой турбулентного сопротивления. Она определяется по формуле:

(F=ptimes V^2times L^2)

где p — плотность среды, L — размеры тела, V — скорость движения.

Have you ever held your hand out of a speeding car or bus? The air pushes your hand in the direction opposite to the movement of the vehicle. An object falling down from say, a table slows down subsequently because a certain force slows down its fall by acting in the direction opposite to its motion. In both of these cases, a certain force is exerted by the atmosphere upon the objects, thereby slowing down their motion. The force and its formula are discussed below.

Air Resistance

The force exerted by the air on things moving through it is known as air resistance. This force is commonly referred to by scientists as drag or drag force. Typically, this force is applied in the opposite direction as the object’s motion, slowing it down.

The frictional force of air resistance acts on the moving body. When a body moves, air resistance slows it down. The more the body’s motion, the greater the air resistance imposed on it. Air resistance affects all moving objects, including bicycles, automobiles, trains, rockets, airplanes, and even living bodies. As is evident from the picture below, the air resistance acts upon freely falling bodies too, in the direction opposite to the force of gravity.

Examples

• Landing with a parachute: The air resistance force is particularly significant in the operation of a parachute. When a skydiver dives down and opens his or her parachute, the air resists the jump. The speed with which the parachute approaches the earth slows due to the resistance produced by the air. The gravity force pushes the parachute downward, while the air resistance force pulls the parachute upward. As a result, the air resistance force assists the individual in landing smoothly on the ground.
• Walking in a storm: Walking in inclement weather is frequently challenging. A significant degree of resistance is felt by the individual while walking in the direction of the wind, causing difficulties in walking. The same reason makes holding an umbrella in hand difficult in the face of a strong wind.
• Airplanes: An airplane’s engine, wings, and propellers are constructed in such a way that enough thrust can be created to assist the plane to overcome the air resistance force. Turbulence is also caused by the friction introduced by the air. However, air resistance does not pose a problem in the case of a rocket since a rocket must go in space, which is an environment devoid of air, and so is free of air resistance force.

Formula 

The formula for air resistance is given as follows:

F_air = cv²

where,

• F_air depicts the force of air resistance
• c refers to the force constant
• v depicts the object’s velocity.

Sample Problems

Question 1. Calculate the air resistance if an object moving at 50 ms^-1 has a force constant of 0.05.

Solution:

Given: v = 50 ms^-1 and c = 0.05 

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

= (0.05)(50)²

F_air = 125 N

Question 2. Calculate the air resistance if an object moving at 40 ms^-1 has a force constant of 0.08.

Solution:

Given: v = 40 ms^-1 and c = 0.08

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

= (0.08)(40)²

F_air = 128 N

Question 3. Calculate the force constant if an object moving at 30 ms^-1 experiences an air resistance of 20 N.

Solution:

Given: v = 30 ms^-1 and F_air = 20 N

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

20 = c(30)²

c = 20/900 

c = 0.023

Question 4. Calculate the force constant if an object moving at 20 ms^-1 experiences an air resistance of 50 N.

Solution:

Given: v = 20 ms^-1 and F_air = 50 N

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

50 = c(20)²

c = 50/400

c = 0.125

Question 5. Calculate the air resistance if an object moving at 30 ms^-1 has a force constant of 0.02.

Solution:

Given: v = 30 ms^-1 and c = 0.02

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

= (0.02)(30)²

F_air = 18 N

Question 6. Calculate the velocity of an object if its air resistance is 40 N and the force constant is 0.5.

Solution:

Given: F_air = 40 N and c = 0.5

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

v² = F_air/c

v² = 40/0.5

v² = 80

v = 8.94 m/s

Question 7. Calculate the velocity of an object if its air resistance is 32 N and the force constant is 0.04.

Solution:

Given: F_air = 32 N and c = 0.04

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

v² = F_air/c

v² = 32/0.04

v² = 800

v = 28.28 m/s

Have you ever held your hand out of a speeding car or bus? The air pushes your hand in the direction opposite to the movement of the vehicle. An object falling down from say, a table slows down subsequently because a certain force slows down its fall by acting in the direction opposite to its motion. In both of these cases, a certain force is exerted by the atmosphere upon the objects, thereby slowing down their motion. The force and its formula are discussed below.

Air Resistance

The force exerted by the air on things moving through it is known as air resistance. This force is commonly referred to by scientists as drag or drag force. Typically, this force is applied in the opposite direction as the object’s motion, slowing it down.

The frictional force of air resistance acts on the moving body. When a body moves, air resistance slows it down. The more the body’s motion, the greater the air resistance imposed on it. Air resistance affects all moving objects, including bicycles, automobiles, trains, rockets, airplanes, and even living bodies. As is evident from the picture below, the air resistance acts upon freely falling bodies too, in the direction opposite to the force of gravity.

Examples

• Landing with a parachute: The air resistance force is particularly significant in the operation of a parachute. When a skydiver dives down and opens his or her parachute, the air resists the jump. The speed with which the parachute approaches the earth slows due to the resistance produced by the air. The gravity force pushes the parachute downward, while the air resistance force pulls the parachute upward. As a result, the air resistance force assists the individual in landing smoothly on the ground.
• Walking in a storm: Walking in inclement weather is frequently challenging. A significant degree of resistance is felt by the individual while walking in the direction of the wind, causing difficulties in walking. The same reason makes holding an umbrella in hand difficult in the face of a strong wind.
• Airplanes: An airplane’s engine, wings, and propellers are constructed in such a way that enough thrust can be created to assist the plane to overcome the air resistance force. Turbulence is also caused by the friction introduced by the air. However, air resistance does not pose a problem in the case of a rocket since a rocket must go in space, which is an environment devoid of air, and so is free of air resistance force.

Formula 

The formula for air resistance is given as follows:

F_air = cv²

where,

• F_air depicts the force of air resistance
• c refers to the force constant
• v depicts the object’s velocity.

Sample Problems

Question 1. Calculate the air resistance if an object moving at 50 ms^-1 has a force constant of 0.05.

Solution:

Given: v = 50 ms^-1 and c = 0.05 

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

= (0.05)(50)²

F_air = 125 N

Question 2. Calculate the air resistance if an object moving at 40 ms^-1 has a force constant of 0.08.

Solution:

Given: v = 40 ms^-1 and c = 0.08

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

= (0.08)(40)²

F_air = 128 N

Question 3. Calculate the force constant if an object moving at 30 ms^-1 experiences an air resistance of 20 N.

Solution:

Given: v = 30 ms^-1 and F_air = 20 N

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

20 = c(30)²

c = 20/900 

c = 0.023

Question 4. Calculate the force constant if an object moving at 20 ms^-1 experiences an air resistance of 50 N.

Solution:

Given: v = 20 ms^-1 and F_air = 50 N

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

50 = c(20)²

c = 50/400

c = 0.125

Question 5. Calculate the air resistance if an object moving at 30 ms^-1 has a force constant of 0.02.

Solution:

Given: v = 30 ms^-1 and c = 0.02

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

= (0.02)(30)²

F_air = 18 N

Question 6. Calculate the velocity of an object if its air resistance is 40 N and the force constant is 0.5.

Solution:

Given: F_air = 40 N and c = 0.5

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

v² = F_air/c

v² = 40/0.5

v² = 80

v = 8.94 m/s

Question 7. Calculate the velocity of an object if its air resistance is 32 N and the force constant is 0.04.

Solution:

Given: F_air = 32 N and c = 0.04

The formula for air resistance is F_air = cv²

Substitute the given values in the above formula. Then,

v² = F_air/c

v² = 32/0.04

v² = 800

v = 28.28 m/s

На расход топлива, в особенности при больших скоростях движения, значительное влияние оказывает сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление), сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости и рассчитывается по формуле
Pv = cx·S·v2·ρ/2,
где S – площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м3; cх – коэффициент аэродинамического сопротивления.
Аэродинамическое сопротивление не зависит от массы автомобиля [2]. Площадь фронтальной проекции автомобиля определяется формой кузова и требованиям по обеспечению комфортного расположения водителя и пассажиров на сиденьях. Например, автомобиль большого класса может быть ниже, чем малого, так как сиденья у него зачастую располагаются ниже. У автомобиля малого класса из-за его небольшой массы и длины сиденья расположены выше над полом, и поэтому расстояние между передними и задними сиденьями меньше. Более прямое расположение водителя и пассажиров в автомобиле малого класса требует его большей высоты, но меньшей длины. Площади фронтальных проекций обоих автомобилей при этом почти одинаковы, но низкий и длинный кузов автомобиля большого класса аэродинамически более выгоден.
Мощность двигателя, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, пропорциональна, следовательно, кубу скорости:
Nv = Pv·v/3600 (кВт),
где v — относительная скорость движения автомобиля, км/ч.
Коэффициент аэродинамического сопротивления, как видно из таблицы, представленной ниже, изменяется в широком диапазоне в зависимости от формы кузова автомобиля.
Аэродинамическое сопротивление различных автомобилей Кузов автомобиля
Мощность, необходимая для преодоления
аэродинамического сопротивления (кВт),
40 км/ч 80 км/ч 120 км/ч
Открытый четырёхместный 1,18 – 1,47 9,6 – 11 .8 31,0 – 40,5
Закрытый, с наличием углов и граней 0,96 – 1,18 8,0 – 9,6 26,4 – 30,8
Закрытый, с закруглением углов и граней 0,80 – 0,96 6,6 – 8,0 22,0 – 26,4
Закрытый понтонообразный 0,66 – 0,80 5,2 – 6,6 17,6 – 22,0
Закрытый, хорошо обтекаемый 0,52 – 0,66 3,7 – 5,2 13,2 – 17,6
Закрытый, аэродинамически совершенный 0,33 – 0,44 2,6 – 3,3 9,8 – 11,0
Коэффициент аэродинамического сопротивления устанавливается продувкой автомобиля или его макета в аэродинамической трубе или приближенно в ходе эксплуатационных испытаний. При испытаниях в аэродинамической трубе на макетах получаются менее точные значения, чем при тех же испытаниях на реальных автомобилях. Это вызвано тем, что на изменение сопротивления воздуха оказывают влияние неточности изготовления некоторых узлов и деталей автомобиля: ручек дверей, днища кузова, бамперов, зеркал заднего вида и т. д. Кроме того, значительное влияние на величину сх оказывает воздух, проходящий в кузов для охлаждения и вентиляции.

При больших скоростях движения автомобиля аэродинамическое сопротивление является преобладающим.

На рисунке ниже показано изменение мощностей, необходимых для преодоления сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv в зависимости от скорости v для автомобиля среднего класса. При скорости 60 км/ч мощности, необходимые для преодоления сопротивления качению и сопротивления воздуха, равны, что характерно для данного вида автомобилей. По сумме потребляемых мощностей можно убедиться в важности сопротивления воздуха. При скорости 80 км/ч мощность, затрачиваемая на его преодоление, в 4 раза больше, чем при скорости 40 км/ч, а при скорости выше, чем 120 км/ч, общая мощность, необходимая для движения, растет почти пропорционально кубу скорости автомобиля.

При определении мощности двигателя, необходимой для достижения максимальной скорости, большей той, которую обеспечивает номинальная мощность установленного на автомобиле двигателя, можно использовать без значительной ошибки следующее соотношение:

N2 = N1·(v2/v1)3,

где N2 – требуемая мощность, кВт; N1 – достигнутая максимальная мощность, кВт; v2 – требуемая скорость, км/ч; v1 – достигнутая максимальная скорость, км/ч.

Через точку X – максимальная мощность N1 при максимальной скорости v1 – проведена кривая зависимости мощности от куба скорости. Разница между этой кривой и линией мощности, требуемой для движения при максимальной скорости, незначительна.

Показанная сумма мощностей сопротивления качению Nf и аэродинамического сопротивления Nv представляет собой мощность сопротивления равномерному движению автомобиля по горизонтальному участку дороги при безветрии.