Силы сопротивления

Содержание:

9.4. движение тел в среде с сопротивлением

В современной гидромеханике аналитическое выражение для определения силы полного сопротивления движению тела в воздушной или водной среде, отвечающее принципам гидродинамического подобия, имеет вид (8.54) где R – полная сила сопротивления воды движению тела; ζ – безразмерный коэффициент сопротивления; ρ – плотность среды; Ω – характерная площадь тела; υ – относительная скорость движения тела. Требуется установить зависимость для определения силы сопротивления движению тела, используя метод показателей. 1. Записываем функциональную зависимость для определения силы сопротивления R = f (ρ, l, υ, μ, g) (8.55) где l – длина тела; μ – динамическая вязкость; g – ускорение свободного падения. Размерность входящих в зависимость (8.55) параметров является сочетанием трех основных единиц измерения , и. 2.

Сила сопротивления качению

Возникновение
силы сопротивления качению при движении
обусловлено потерями энергии на
внутреннее трение в шинах, поверхностное
трение шин о дорогу и образование колеи
(на деформируемых дорогах).О потерях
энергии на внутреннее трение в шине
можно судить по рис. 3.13, на котором
приведена зависимость между вертикаль­ной
нагрузкой на колесо и деформацией шины
— ее прогибом fш.

При
движении колеса по неровной поверхности
шина, испы­тывая действие переменной
нагрузки, деформируется. Линия αО,
которая
соответствует возрастанию нагрузки,
деформирующей шину, не совпадает с
линией аО,
отвечающей
снятию нагрузки. Площадь области,
заключенной между указанными кривыми,
ха­рактеризует потери энергии на
внутреннее трение между отдель­ными
частями шины (протектор, каркас, слои
корда и др.).

Потери
энергии на трение в шине называются
гистерезисом, а линия ОαО
петлей
гистерезиса.

Потери
на трение в шине необратимы, так как при
деформа­ции она нагревается и из нее
выделяется теплота, которая рассе­ивается
в окружающую среду. Энергия, затрачиваемая
на дефор­мацию шины, не возвращается
полностью при последующем вос­становлении
ее формы.

Сила
сопротивления качению Ркдостигает
наибольшего зна­чения при движении
по горизонтальной дороге. В этом случае

где
G
вес
автомобиля, Н; f
— коэффициент сопротивления качению.

При
движении на подъеме и спуске сила
сопротивления каче­нию уменьшается
по сравнению с Ркна
горизонтальной дороге, и тем значительнее,
чем они круче. Для этого случая движения
сила сопротивления качению

где α — угол
подъема, °.

Зная
силу сопротивления качению, можно
определить мощ­ность, кВт,

затрачиваемую на
преодоление этого сопротивления:

где
v
—скорости
автомобиля,м/c2

Для
горизонтальной дороги соs0°=1
и

Зависимости
силы сопротивления качениюРк
и
мощности NК
от
скорости автомобиля vпоказаны
на рис. 3.14

Определение коэффициента сопротивления формы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коэффициент сопротивления формы
— физическая величина, которая определяет реакцию вещества на перемещение тела внутри нее. Можно сказать иначе: это физическая величина, которая определяет реакцию тела на движение в веществе. Данный коэффициент определяется эмпирически, его определением служит формула:

где — сила сопротивления, — плотность вещества, — скорость течения вещества (или скорость движения тела в веществе), площадь проекции тела на плоскость перпендикулярную к направлению движения (перпендикулярная потоку).

Иногда, если рассматривают движение вытянутого тела, то считают:

где V — объем тела.

Рассматриваемый коэффициент сопротивления является безразмерной величиной. Он не учитывает эффектов на поверхности тел, поэтому формула (3) может стать не пригодна, если рассматривается вещество, которое имеет большую вязкость. Коэффициент сопротивления (C) является постоянной величиной пока число Рейнольдса (Re) является неизменным. В общем случае .

Если тело имеет острые ребра, то эмпирически получено, что для таких тел коэффициент сопротивления остается постоянным в широкой области чисел Рейнольдса. Так опытным путем получено, что для круглых пластинок поставленных поперек воздушного потока, при значения коэффициента сопротивления находятся в пределах от 1,1 до 1,12. При уменьшении числа Рейнольдса () закон сопротивления переходит в закон Стокса, который для круглых пластинок имеет вид:

Сопротивление шаров было исследовано для широкой области чисел Рейнольдса до Для получили:

В справочниках представлены коэффициенты сопротивления для круглых цилиндров, шаров и круглых пластинок в зависимости от числа Рейнольдса.

В авиационной технике задача о нахождении формы тела с минимальным сопротивлением имеет особое значение.

Сопротивление при нулевой подъёмной силе

Эта составляющая сопротивления не зависит от величины создаваемой подъёмной силы и складывается из профильного сопротивления крыла, сопротивления элементов конструкции самолёта, не вносящих вклад в подъёмную силу, и волнового сопротивления. Последнее является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление возникает при достижении самолётом скорости, соответствующей критическому числу Маха , когда часть потока, обтекающего крыло самолёта, приобретает сверхзвуковую скорость. Критическое число М тем больше, чем больше угол стреловидности крыла, чем более заострена передняя кромка крыла и чем оно тоньше.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна характерной площади S, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

X
0
=
C
x
0
ρ
V
2
2
S
{\displaystyle X_{0}=C_{x0}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S}

C
x
0
{\displaystyle C_{x0}}

Определение характерной площади зависит от формы тела:

  • в простейшем случае (шар) — площадь поперечного сечения;
  • для крыльев и оперения — площадь крыла/оперения в плане;
  • для пропеллеров и несущих винтов вертолётов — либо площадь лопастей, либо ометаемая площадь винта;
  • для подводных объектов обтекаемой формы — площадь смачиваемой поверхности;
  • для продолговатых тел вращения , ориентированных вдоль
    потока (фюзеляж, оболочка дирижабля) — приведённая волюметрическая площадь, равная V 2/3 , где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости (
P
=
X
0

V
=
C
x
0
ρ
V
3
2
S
{\displaystyle P=X_{0}\cdot V=C_{x0}{\dfrac {\rho V^{3}}{2}}S}
).

Зависимость от кривизны проезжей части

Генеральная

Когда транспортное средство ( автомобиль или железнодорожный поезд ) движется по кривой, сопротивление качению обычно увеличивается. Если кривая не так, чтобы точно противодействовать центробежной силе с равной и противоположной центростремительной силой из-за крена, тогда на транспортное средство будет чистая несбалансированная боковая сила. Это приведет к увеличению сопротивления качению. Банки также известно как «вираж» или «жаргон» (не путать с в виде ). Для железных дорог, это называется сопротивление кривой , но и для дорог она имеет (по крайней мере , один раз) называют сопротивление качению за счет поворотов .

§ 8.5 движение тел в вязкой среде. закон стокса.

Разумеется, уравнения движения тела в жидкости невозможно даже начать решать, пока нам ничего неизвестно о модулесилы сопротивления. Величина этой силы существенно зависит от характера обтекания тела встречным потоком газа (или жидкости). При малых скоростях этот поток является ламинарным (то есть слоистым).

Инфо

Его можно представить себе как относительное движение не смешивающихся между собой слоев среды. Ламинарное течение жидкости демонстрируется на опыте, показанном на рис. 13. Как уже отмечалось в главе 9.3, при относительном движении слоёв жидкости или газа между этими слоями возникают силы сопротивления движению, которые называются силами внутреннего трения.

Как найти сопротивление нагрузки

Сопротивление нагрузки обозначается латинскими буквами Rn или Rн. По сути, это является тем же сопротивлением участка цепи и вычисляется также по формулам закона Ома. Нагрузка обозначается символами, которые на электрической схеме изображаются в виде крестиков в кружке – лампочкой; то есть двигатель, лампа, конкретный прибор и т. д.

Каждая нагрузка имеет своё собственное сопротивление. Например, если к сети подключена одна лампочка, то сопротивление нагрузки – показатель этого единственного прибора в цепи. Если к цепи подключено несколько нагрузок, то сопротивление считается суммарно для каждой из них.

Сопротивление нагрузки вычисляется в соответствии с законом Ома, то есть Rn = U/I. Если к сети подключено несколько нагрузок, то оно будет рассчитываться следующим образом: сначала находится сопротивление каждой отдельной «лампочки». Далее Rn вычисляется в зависимости от того, какой тип подключения в цепи: последовательное или параллельное. При параллельном 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/Rn, где n –количество подключенных приборов. Если же соединение последовательное, общее R равно сумме всех R цепи.

Последовательное/параллельное соединения

Сила вязкого трения

Изложим закономерности, которым подчиняются силы трения и сопротивления среды совместно, причём условно будем называть суммарную силу силой трения. Вкратце эти закономерности сводятся к следующему — величина силы трения зависит:

  • от формы и размеров тела;
  • состояния его поверхности;
  • скорости по отношению к среде и от свойства среды, называемого вязкостью.

Типичная зависимость силы трения от скорости тела по отношению к среде показана графически на рис. 1.~

Рисунок 1. График зависимости силы трения от скорости по отношению к среде

При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости и сила трения растет линейно со скоростью:

$F_{mp} =-k_{1} v$ , (1)

где знак «-» означает, что сила трения направлена в сторону, противоположную скорости.

При больших скоростях линейный закон переходит в квадратичный т.е. сила трения начинает расти пропорционально квадрату скорости:

$F_{mp} =-k_{2} v^{2}$ (2)

Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду.

Величина коэффициентов $k_{1} $ и $k_{2}$ (их можно назвать коэффициентами трения) в сильной степени зависит от формы, и размеров тела, состояния его поверхности и от вязких свойств среды. Например, для глицерина они оказываются гораздо большими, чем для воды. Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести.

Значение скорости, при которой закон (1) переходит в (2), оказывается зависящим от тех же причин.

Пример 1

Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты. Какой из шариков быстрее упадёт на землю — лёгкий или тяжёлый?

Дано: $m_{1} $, $m_{2} $, $m_{1} >m_{2} $.

Решение.

Шарики при падении не набирают скорость безгранично, а с определённого момента начинают падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления (2) становится равна силе тяжести:

\

Отсюда установившаяся скорость:

\

Из полученной формулы следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше. Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.

Ответ: Тяжелый шарик быстрее достигнет земли.

Пример 2

Парашютист, летящий до раскрытия парашюта со скоростью $35$ м/с, раскрывает парашют, и его скорость становится равной $8$ м/с. Определите, какой примерно была сила натяжения строп при раскрытии парашюта. Масса парашютиста $65$ кг, ускорение свободного падения $10 \ м/с^2.$ Принять, что $F_{mp}$ пропорциональна $v$.

Дано: $m_{1} =65$кг, $v_{1} =35$м/с, $v_{2} =8$м/с.

Найти: $T$-?

Решение:

Рисунок 2.

До раскрытия парашюта парашютист имел

постоянную скорость $v_{1} =35$м/с, значит ускорения парашютиста было равно нулю.

Запишем второй закон Ньютона:

\

Отсюда:

\

После раскрытия парашюта парашютист имел постоянную скорость $v_{2} =8$м/с.

Второй закон Ньютона для этого случая будет выглядеть следующим образом:

\

Тогда искомая сила натяжения строп будет равна:

$T=mg(1-\frac{v_{2} }{v_{1} } )\approx 500$ Н.

Ответ: $T=500$Н.

Самолет

Как отмечалось выше, самолеты используют площадь своего крыла в качестве эталонной при вычислении , в то время как автомобили (и многие другие объекты) используют площадь лобового поперечного сечения; таким образом, нельзя напрямую сравнивать коэффициенты между этими классами транспортных средств. В аэрокосмической промышленности, коэффициент сопротивления иногда выражается в скребковых отсчетов , где 1 отсчет сопротивления = 0,0001 о наличии .
cd{\ displaystyle c _ {\ mathrm {d}}}Cd{\ displaystyle C_ {d}}

c d Счетчик перетаскивания Тип самолета
0,021 210 F-4 Phantom II (дозвуковой)
0,022 220 Learjet 24
0,024 240 Боинг 787
0,0265 265 Airbus A380
0,027 270 Cessna 172 /
0,027 270 Cessna 310
0,031 310 Боинг 747
0,044 440 F-4 Phantom II (сверхзвуковой)
0,048 480 Истребитель F-104

Железные дороги: компоненты сопротивления качению

В широком смысле сопротивление качению можно определить как сумму компонентов):

  1. Потери крутящего момента в ступичных подшипниках.
  2. Чистое сопротивление качению.
  3. Скольжение колеса по рельсу.
  4. Потеря энергии на дорожное полотно (и землю).
  5. Потери энергии на колебания железнодорожного подвижного состава.

Потери крутящего момента в подшипниках ступицы колеса можно измерить как сопротивление качению на ободе колеса . На железных дорогах обычно используются роликовые подшипники (Россия) или (США). Удельное сопротивление качению российских подшипников зависит как от нагрузки на колесо, так и от скорости. Сопротивление качению подшипников ступицы самое низкое при высоких нагрузках на ось и средних скоростях 60–80 км / ч при Crr 0,00013 (нагрузка на ось 21 тонна). Для порожних грузовых вагонов с осевой нагрузкой 5,5 т Crr увеличивается до 0,00020 при 60 км / ч, но на низкой скорости 20 км / ч он увеличивается до 0,00024, а на высокой скорости (для грузовых поездов) 120 км / ч. это 0,00028. Полученный выше Crr добавляется к Crr других компонентов, чтобы получить общий Crr для колес.

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления:

X
=
X
0
+
X
i
{\displaystyle X=X_{0}+X_{i}}

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе пропорционально квадрату скорости, а индуктивное — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости
X
0
{\displaystyle X_{0}}

растёт, а
X
i
{\displaystyle X_{i}}

— падает, и график зависимости суммарного сопротивления
X
{\displaystyle X}

от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых
X
0
{\displaystyle X_{0}}

и
X
i
{\displaystyle X_{i}}

, при которой обе силы сопротивления равны по величине. При этой скорости самолёт обладает наименьшим сопротивлением при заданной подъёмной силе (равной весу), а значит, наивысшим

Для расчета используется постоянная g, которая равна 9,8 м/с2. 3 Как рассчитать сопротивление, если тело движется не прямолинейно, а по наклонной плоскости? Для этого в первоначальную формулу нужно ввести cos угла. Именно от угла наклона зависит трение и сопротивление поверхности тел к движению. Формула для определения трения по наклонной плоскости будет иметь такой вид: F=μ*m*g*cos(α). 4 Если тело движется на высоте, то на него действует сила трения воздуха, которая зависит от скорости движения предмета. Искомую величину можно рассчитать по формуле F=v*α. Где v – скорость движения предмета, а α – коэффициент сопротивления среды. Эта формула подходит исключительно для тел, которые передвигаются с небольшой скоростью. Для определения силы сопротивления реактивных самолетов и других высокоскоростных агрегатов применяют другую — F=v2*β.

Виды скорости

Сила скорости будет зависеть от времени. Согласно характеру зависимости ее от времени, движение существует в таком виде:

  • равномерное (движение с постоянной по модулю скоростью);
  • неравномерное (в этом случае имеет место так называемая «средняя скорость»).

Средняя скорость определяется на основании такой формулы:

$\vec{U_ср} = \frac{\vec{\delta s}}{\delta t}$

Мгновенная скорость представляет показатель скорости в конкретный момент времени, являясь физической величиной, равной пределу, к которому будет стремиться средняя скорость в условиях бесконечного сокращения промежутка времени $\delta t$:

$\vec{U} = Lim_{\delta t\to 0}\frac{\vec{\delta s}}{\delta t}$

Мгновенная скорость, таким образом, в конкретный момент времени будет считаться соотношением очень незначительного перемещения $\vec{\delta s}$ к очень малому временному промежутку, за который и осуществлялось данное перемещение. Вектор мгновенной скорости направляется по касательной к траектории передвижения тела

Скорости движения (а), давления воздуха в шине (б) и момента, передаваемого через колесо (в)

факторов
и определяется экспериментально. Его
средние значения для различных дорог
при нормальном давлении воздуха в шине
составляют 0,01 …0,1.Рассмотрим влияние
различных факторов на коэффициент
сопротивления качению.

Скорость
движения
.
При изменении скорости движения в
ин­тервале 0…50 км/ч коэффициент
сопротивления качению изме­няется
незначительно и его можно считать
постоянным в указан­ном диапазоне
скоростей.

При
повышении скорости движения за пределами
указанного интервала коэффициент
сопротивления качению существенно
уве­личивается (рис. 3.15, а)
вследствие
возрастания потерь энергии в шине на
трение.

Коэффициент
сопротивления качению в зависимости
от ско­рости движения можно приближенно
рассчитать по
формуле

где

скорость
автомобиля, км/ч.

Тип
и состояние покрытия дороги.

На дорогах с твердым по­крытием
сопротивление качению обусловлено
главным образом деформациями шины.

При
увеличении числа дорожных неровностей
коэффициент сопротивления качению
возрастает.

На
деформируемых дорогах коэффициент
сопротивления ка­чению определяется
деформациями шины и дороги. В этом случае
он зависит не только от типа шины, но и
от глубины образую­щейся колеи и
состояния грунта.

Значения
коэффициента сопротивления качению
при рекомен­дуемых уровнях давления
воздуха и нагрузки на шину и средней
скорости движения на различных дорогах
приведены ниже:

Асфальто-
и цементобетонное шоссе:

в
хорошем состоянии
………………………………. 0,007…0,015

в
удовлетворительном состоянии
…………… 0,015…0,02

Гравийная
дорога в хорошем состоянии …. 0,02…0,025

Булыжная
дорога в хорошем состоянии…… 0,025…0,03

Грунтовая
дорога сухая, укатанная …………..
0,025…0,03

Песок…………………………………………………………..
0,1…0,3

Обледенелая
дорога, лед …………………………. 0,015…0,03

Укатанная
снежная дорога ………………………..
0,03…0,05

Тип
шины.

Коэффициент сопротивления качению во
многом зависит от рисунка протектора,
его износа, конструкции каркаса и
качества материала шины. Изношенность
протектора, уменьше­ние числа слоев
корда и улучшение качества материала
приводят к падению коэффициента
сопротивления качению вследствие
снижения потерь энергии в шине.

Давление
воздуха в шине
.
На дорогах с твердым покрытием при
уменьшении давления воздуха в шине
коэффициент сопро­тивления качению
повышается (рис. 3.15, б).
На
деформируемых дорогах при снижении
давления воздуха в шине уменьшается
глу­бина колеи, но возрастают потери
на внутреннее трение в шине. Поэтому
для каждого типа дороги рекомендуется
определенное давление воздуха в шине,
при котором коэффициент сопротивле­ния
качению имеет минимальное значение.

Нагрузка
на колесо
.
При увеличении вертикальной нагрузки
на колесо коэффициент сопротивления
качению существенно возрастает на
деформируемых дорогах и незначительно
— на до­рогах с твердым покрытием.

Момент,
передаваемый через колесо
.
При передаче момента через колесо
коэффициент сопротивления качению
возрастает (рис. 3.15, в)
вследствие
потерь на проскальзывание шины в месте
ее контакта с дорогой. Для ведущих колес
значение коэффициента сопротивления
качению на 10… 15 % больше, чем для ведомых.

Коэффициент
сопротивления качению оказывает
существен­ное влияние на расход
топлива и, следовательно, на топливную
экономичность автомобиля. Исследования
показали, что даже не­большое уменьшение
этого коэффициента обеспечивает
ощути­мую экономию топлива. Поэтому
неслучайно стремление конст­рукторов
и исследователей создать такие шины,
при использова­нии которых коэффициент
сопротивления качению будет незна­чительным,
но это весьма сложная проблема.

Определение

Коэффициент лобового сопротивления определяется как
cd{\ displaystyle c _ {\ mathrm {d}}}

cdзнак равно2Fdρты2А{\ displaystyle c _ {\ mathrm {d}} = {\ dfrac {2F _ {\ mathrm {d}}} {\ rho u ^ {2} A}}}

где:

Fd{\ Displaystyle F _ {\ mathrm {d}}}- сила сопротивления , которая по определению является составляющей силы в направлении скорости потока ,
ρ{\ displaystyle \ rho}- массовая плотность жидкости,
ты{\ displaystyle u}- скорость потока объекта относительно жидкости,
А{\ displaystyle A}это эталонная область .

Контрольная площадь зависит от того, какой тип коэффициента сопротивления измеряется. Для автомобилей и многих других объектов эталонной областью является проецируемая фронтальная область транспортного средства. Это не обязательно может быть площадь поперечного сечения транспортного средства, в зависимости от того, где взято поперечное сечение

Например, для сферы (обратите внимание, это не площадь поверхности = ).
Азнак равноπр2{\ displaystyle A = \ pi r ^ {2}}4πр2{\ displaystyle 4 \ pi r ^ {2}}

Для аэродинамических поверхностей эталонной площадью является номинальная площадь крыла. Поскольку она имеет тенденцию быть большим по сравнению с площадью лобовой части, результирующие коэффициенты лобового сопротивления имеют тенденцию быть низкими, намного ниже, чем для автомобиля с таким же сопротивлением, лобовой площадью и скоростью.

Дирижабли и некоторые тела вращения используют объемный коэффициент сопротивления, в котором опорная области является квадратом из кубического корня объема дирижабля (объем к мощности два третей). Затопленные тела обтекаемой формы используют смоченную поверхность.

Два объекта с одинаковой эталонной областью, движущиеся с одинаковой скоростью в жидкости, будут испытывать силу сопротивления, пропорциональную их соответствующим коэффициентам сопротивления. Коэффициенты для не модернизированных объектов могут быть 1 или более, для обтекаемых объектов — намного меньше.

Было продемонстрировано, что коэффициент лобового сопротивления является функцией числа ( ), числа Рейнольдса ( ) и отношения между влажной площадью и передней площадью :
cd{\ displaystyle c_ {d}}Bе{\ displaystyle Be}ре{\ displaystyle Re}Аш{\ displaystyle A_ {w}}Аж{\ displaystyle A_ {f}}

cdзнак равно2АшАжBереL2{\ displaystyle c_ {d} = 2 {\ frac {A_ {w}} {A_ {f}}} {\ frac {Be} {Re_ {L} ^ {2}}}}

где — число Рейнольдса, связанное с длиной пути жидкости L.
реL{\ displaystyle Re_ {L}}

Тормозные силы поезда. Тормозные задачи.

Тормозная
сила является одной из трех основных
сил, действующих на поезд при движении,
и служит для уменьшения скорости движения
поезда до его полной остановки или до
определенного ее уровня.
Различают:
1.экстренное торможение, вызванное
обстоятельствами, когда тормозные
средства поезда используются полностью;

2.
служебное – т.е. запланированное заранее,
например, на подходе к раздельному
пункту;

3.
регулировочное, которое применяется
для сохранения заданной скорости
движения поезда на спуске.

Торможение
может осуществляться двумя основными
способами:

1.
механическим, т.е. прижатием тормозных
колодок к бандажам колес подвижного
состава;

2.
электрическим, т.е. использованием
тормозной силы, создаваемой тяговыми
электродвигателями локомотивов при их
работе в генераторном режиме.

Р
асчет
тормозной силы от действия колодок.

РТ
– нагрузка на тормозную
ось;

ψ
К

— коэффициент сцепления между колесом
и рельсом.Увеличить тормозную силу
можно до определенного предела. Эта
сила не должна превышать силу сцепления
между колесом и рельсом, иначе возникает
юз (скольжение по рельсу), который может
привести к повреждению бандажей колес
и рельсов.Полная тормозная сила поезда
определяется по формуле:

где
К – действительное нажатие тормозной
колодки, тс

φк
– действительный коэффициент трения
каждой колодки.

Тормозные
задачи
.
Различаются
три типа таких задач:

Первая
задача сводится к определению тормозного
пути SТ
по заданным значениям VН,
VК,
и i.

Во
второй задаче рассчитывают допустимые
скорости VН
на различных спусках i
при заданных значениях SТ
и .

В
третьей определяют сколько тормозных
средств (т.е. определяют и затем ВТ)
нужно иметь в поезде, чтобы при заданной
скорости VН,
и i
поезд смог бы остановиться в пределах
заданного тормозного пути SТ.

ФИЗИКА

§ 3.15. Сила сопротивления при движении тел в жидкостях и газах

При движении твердого тела в жидкости или газе или при движении одного слоя жидкости (газа) относительно другого тоже возникает сила, тормозящая движение, — сила жидкого трения или сила сопротивления.

Сила сопротивления направлена параллельно поверхности соприкосновения твердого тела с жидкостью (газом) в сторону, противоположную скорости тела относительно среды, и тормозит движение(1).

Сила сопротивления (жидкого трения) обычно значительно меньше силы сухого трения. Именно поэтому для уменьшения сил трения между движущимися деталями машин применяют смазку.

Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при относительном движении тела и окружающей среды. Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует. Это приводит к тому, что усилием рук можно сдвинуть тяжелое тело, например баржу, в то время как сдвинуть с места, скажем, гусеничный трактор усилием рук просто невозможно.

Убедитесь в том, что плавающий деревянный брусок сразу же придет в движение, если на него слегка подуть. Попробуйте проделать то же самое с бруском, лежащим на столе.

Модуль силы сопротивления c зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств (вязкости) среды (жидкости или газа), в которой движется тело, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.

Для того чтобы уменьшить силу сопротивления среды, телу придают обтекаемую форму. Наиболее выгодна в этом отношении сигарообразная форма (рис. 3.40), близкая к форме падающей капли дождя или рыбы.

Рис. 3.40

Влияние формы тела на силу сопротивления наглядно показано на рисунке 3.41. Модуль силы сопротивления цилиндра обозначим через . Конусообразная насадка к цилиндру уменьшает силу сопротивления от 1/2 до 1/4 в зависимости от размера угла при вершине конуса. Сглаженная насадка доводит силу сопротивления до 1/5. Наконец, если придать телу сигарообразную форму, то при том же поперечном сечении сила сопротивления уменьшается до 1/25. По сравнению с телом сигарообразной формы сила сопротивления для шара (имеющего такую же площадь поперечного сечения) больше в несколько раз, а для тонкого диска, плоскость которого перпендикулярна направлению скорости, — в несколько десятков раз. Особенно велика сила сопротивления, возникающая при движении полусферы вогнутой стороной вперед. По этой причине парашюты имеют часто форму полусферы.

Рис. 3.41

Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела приведен на рисунке 3.42. Если тело неподвижно относительно вязкой среды (относительная скорость равна нулю), то сила сопротивления равна нулю. С увеличением относительной скорости сила сопротивления растет медленно, а потом все быстрее и быстрее.

Рис. 3.42

При малых скоростях движения в жидкости (газе) силу сопротивления можно считать приближенно прямо пропорциональной скорости движения тела относительно среды:

где k1 — коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров, состояния поверхности тела и свойств среды — ее вязкости. Коэффициент k2 в СИ выражается в Н • с/м = кг/с. Его значение определяют опытным путем.

При больших скоростях относительного движения сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

где коэффициент сопротивления k2 выражается в Н • с2/м2 = = кг/м.

Какую именно формулу следует применять в данном конкретном случае, устанавливают опытным путем. При падении тел в воздухе сила сопротивления становится пропорциональной квадрату скорости практически с самого начала падения.

При ускоренном движении тела в жидкости для учета воздействия жидкости на это тело надо к массе тела прибавить так называемую присоединенную массу. Присоединенная масса зависит от формы тела и плотности среды. В дальнейшем при решении задач присоединенную массу мы учитывать не будем.

Жидкое трение возникает между поверхностью твердого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой оно движется. При медленном движении сила сопротивления пропорциональна скорости, а при быстром — квадрату скорости.

(1) Впрочем, движущийся поток воды или воздуха может увлекать за собой тело. Например, когда ветер гонит опавшие листья, то сила трения со стороны воздуха направлена по движению листьев. Но и в этом случае она противоположна скорости движения тела (листьев) относительно среды (воздуха). В приведенном примере воздух и листья, хотя и движутся в одном направлении, но скорость воздуха больше, листья отстают от ветра.

Расчет сил сопротивления

С целью определения сил сопротивления потребуется применение третьего закона Ньютона. Такая величина, как сила сопротивления, будет численно равной силе, которую потребуется приложить с целью равномерного движения предмета по горизонтальной ровной поверхности. Это становится возможным с помощью динамометра.

Таким образом, искомая величина оказывается прямо пропорциональной массе тела

Стоит при этом учитывать во внимание, что для более точного подсчета потребуется выбрать $u$ коэффициент, зависимый от материала изготовления опоры. Также принимается во внимание материал изготовления самого предмета исследования

При расчете применяется постоянная $g$, чье значение 9,8 $м/с^2$.

В условиях движения тела на высоте, на него влияет сила трения воздуха, зависимая от скорости перемещения предмета. Искомую величину определяют на основании такой формулы (подходящей исключительно для тел с передвижением с небольшой скоростью):

$F = va$, где:

  • $v$ – скорость движения предмета,
  • $a$ – коэффициент сопротивления среды.

Силы сопротивления при больших скоростях

Сила сопротивления, оказывающая воздействие на движущиеся предметы с малой скоростью, зависит от нескольких внешних факторов. К таким условиям относятся:

  • вязкость жидкости;
  • скорость перемещения тела;
  • линейные размеры движущегося предмета.

В условиях больших скоростей характер действия силы сопротивления несколько изменяется. Законы вязкого трения в этом случае не применяются для воздуха и воды. Если скорость предмета составляет 1 сантиметр в секунду, то данные факторы учитываются лишь тогда, когда тела обладают крошечными размерами, измеряемыми в миллиметрах.

Примечание

Если пловец ныряет в воду, то на него будет действовать сила сопротивления. Однако в данном случае закон вязкого трения не будет действовать.

Объект, двигаясь с малой скоростью в водной среде, плавно обтекается жидкостью. Сила сопротивления в данном случае будет рассчитываться, как сила вязкого трения. Если скорость большая, то с задней части перемещающегося тела наблюдается более сложное движение жидкости с образованием необычных по форме фигур, вихрей, колец. Картина таких струек будет постоянно изменяться. Движение такого характера называется турбулентным. Турбулентное сопротивление все еще будет определяться скоростью и размерами тела, но не так, как при вязком сопротивлении. В данном случае сила рассчитывается пропорционально квадрату скорости и линейным размерам предмета. Вязкость водной среды более не имеет решающего значения, определяющая функция переходит к показателю плотности.

Сила турбулентного сопротивления рассчитывается по формуле:

\($$F=p\times V^{2}\times L^{2}$$\)

Коэффициент учета вращающихся масс

Этот коэффициент
учитывает дополнительное сопротивление
разгону автомобиля, вызванное
раскручиванием вращающихся ча­стей
двигателя, трансмиссии и колес.

Коэффициент учета
вращающихся масс показывает, во сколь­ко
раз мощность, затрачиваемая на разгон
автомобиля, больше мощности, не

обходимой для
установившегося движения:

где
Jм
— момент инерции маховика; uT,
ηтр
— передаточное число и КПД трансмиссии;
Jсум
— суммарный момент инерции всех ко­лес
автомобиля.

Коэффициент учета
вращающихся масс для автомобиля с
пол­ной нагрузкой можно приближенно
рассчитать по формуле

47

где
uк,
uд
— передаточные числа основной и
дополнительной ко­робок передач.

Условие равномерного
движения при отсутствии буксования
ведущих колес записывается в вид

Подведём итоги

  1. Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0 < Fтр.покоя < Fтр.пок.макс  в зависимости от внешнего воздействия.
  2. Максимальная сила трения покоя почти равна силе трения скольжения, лишь немного её превышая. Можно приближенно считать, что Fтр. = Fтр.пок.макс 
  3. Силу трения скольжения можно рассчитать по формуле Fтр. = μ ⋅ N,  где  μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
  4. При равномерном прямолинейном скольжении по горизонтальной поверхности сила тяги равна силе трения скольжения Fтр. = Fтяги.
  5. Коэффициент трения μ зависит от рода и степени обработки  поверхностей 0 < μ < 1 . 
  6. При одинаковых силе нормального давления и коэффициенте трения сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.
Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72020 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается закон силы трения. 
Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector