24 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Движение тел в жидкостях и газах Сила сопротивления

Движение тел в жидкостях и газах Сила сопротивления

При движении тела в жидкости или газе с небольшой скоростью сопротивление движению обусловлено силами трения и, как установил Стоке, пропорционально произведению вязкости среды на линейные размеры тела и первую степень скорости. Для тел шарообразной формы сопротивление вязкости равно

где коэффициент вязкости, скорость радиус тела.

Формула Стокса имеет много применений. В частности, формулу Стокса применяют для вычисления скорости равномерного свободного падения тела в вязкой среде. Очевидно, что равномерное падение должно наблюдаться в том случае, если сопротивление движению равно кажущемуся весу тела в среде (т. е. его истинному весу плотность тела за вычетом веса вытесненной среды где плотность среды):

Отсюда скорость равномерного падения тела в вязкой среде равна:

Часто эту формулу используют для вычисления радиуса капелек или пылинок по наблюденной скорости их равномерного падения в воздухе или в жидкости.

Если в указанную формулу подставить вязкость и плотность воздуха при нормальных условиях, то для вычисления скорости равномерного падения водяных капелек в воздухе получается такое соотношение:

где выражено в сантиметрах,

При больших скоростях движения сопротивление жидкости и газа обусловлено в основном затратой работы на образование вихрей, В этих случаях сопротивление (его часто называют лобовым сопротивлением) по закону, открытому Ньютоном, пропорционально квадрату скорости движения и площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения («миделево сечение»

Здесь плотность среды и числовой коэффициент, различный для тел разных форм, называемый коэффициентом лобового сопротивления.

Учитывая, что лобовое сопротивление вызывается главным образом возникающими в среде вихрями, мы можем получить

вышеприведенную формулу из следующего (нестрогого) рассуждения. Пусть тело, движущееся в жидкости, оттесняет на своем пути в каждую секунду массу жидкости, равную произведению плотности жидкости на объем Если считать, что всем частицам этой оттесняемой жидкости сообщается скорость, в среднем пропорциональная скорости движения тела то, стало быть, оттесняемой жидкости сообщается в каждую секунду количество движения, пропорциональное по закону равенства действия и противодействия жидкость должна оказывать телу сопротивление, равное приращению количества движения жидкости за 1 сек., т. е. сопротивление, пропорциональное

Если бы не происходило вихреобразования, то при равномерном движении тела в жидкости сопротивление движению определялось бы только силами трения, а инерция среды никак не сказывалась бы на величине сопротивления. В идеальной невязкой жидкости относительные скорости частиц жидкости на некотором расстоянии позади тела должны были бы оставаться такими же, как перед ним.

Рис. 108. К пояснению парадокса Эйлера.

Встречаясь с поверхностью тела в точке А (рис. 108), частицы жидкости вынуждены изменить первоначальное прямолинейное направление движения на криволинейное. В связи с этим они действуют на поверхность тела с некоторой силой, поэтому в пространстве А В давление на поверхность тела повышается. На рис. 108 области повышенного давления обозначены знаками плюс. На участке направление частиц жидкости вновь меняется: теперь частицы жидкости стремятся по инерции уйти от тела. На этом участке давление понижается. На рис. 108 области пониженного давления обозначены знаком минус. На участке частицы жидкости опять будут оказывать давление на поверхность тела. Аналогичное распределение сил имеет место и на нижней поверхности тела. Вследствие симметричного распределения давлений равнодействующая сила равна нулю.

Сказанное приводит к парадоксальному выводу, который находится в противоречии с повседневным опытом и формулой (10): в невязкой жидкости при равномерном движении тело не должно было бы испытывать никакого сопротивления движению (парадокс Эйлера).

Сопротивление движению по формуле (10), вызываемое инерциальными силами жидкости, создается вследствие отрыва пограничного слоя, что приводит к вихреобразованию и к той реальной картине обтекания, которая, в отличие от изображенной на рис. 108, показана на рис. 109 и 110.

Вблизи участков поверхности жидкость движется с большей скоростью, чем в невозмущенном потоке; давление здесь понижается. Под действием разности давлений течение в пограничном слое направлено от к (по направлению потока) и от к (против потока). Эти встречные течения пограничного слоя и потока сталкиваются друг с другом у точек На пограничном слое создается выступ, который закручивается набегающим потоком, отрывается от поверхности тела и уносится в виде вихря.

Рис. 109. Поток, обтекающий цилиндр небольшое время.

Рис. 110. Схема движений жидкости за цилиндрическим телом.

Вихревая область постепенно перемешивается с окружающей жидкостью, образуя позади тела расширяющуюся турбулентную зону, или вихревую пелену.

В связи со сказанным ясно, почему коэффициент пропорциональности входящий в формулу (10), — коэффициент лобового сопротивления — зависит от формы тела: форма тела может облегчать или же, наоборот, затруднять возникновение вихрей.

Читать еще:  Новый киа мохав

Рис. 111. Различные тела, обладающие одинаковым лобовым сопротивлением.

Рис. 112. Тело удобообтекаемой формы.

Если тело имеет удобообтекаемую форму, то разности давлений в различных участках его поверхности, вызванные различием скорости, будут незначительны; встречное движение слоев жидкости близ поверхности будет выражено слабо; срыва струй и завихрения жидкости почти не будет, и испытываемое телом сопротивление движению будет невелико. Напротив, если тело ограничено острыми углами, как, например, плоская пластинка, поставленная перпендикулярно к потоку, то разности давлений, вызванные изменением скорости при

обтекании острых углов, будут большими, вихрей образуется много, и лобовое сопротивление окажется значительным.

На рис. 111 изображены тела различных размеров и форм, обладающие одним и тем же лобовым сопротивлением. Наиболее удобо — обтекаемой оказывается вытянутая, каплеобразная форма, такая, какую придают всем фюзеляжам самолетов. Тело подобной формы почти совсем не создает в потоке вихрей (рис. 112); сопротивление движению такого тела вызывается главным образом силами трения.

Ниже даны коэффициенты лобового сопротивления для некоторых тел:

Движение тел в жидкостях и газах Сила сопротивления

Гипермаркет знаний>>Физика и астрономия>>Физика 10 класс>>Физика: Силы сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах

При движении твердого тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение.
Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она появляется только при наличии относительного движения 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 плавающую баржу, в то время как сдвинуть с места, скажем, поезд усилием рук просто невозможно.
Или еще более простой пример. Плавающий деревянный брусок сразу же придет в движение, если на него слегка подуть. А попробуйте сдвинуть тот же брусок струей воздуха, если он лежит на столе.
Модуль силы сопротивления Fc зависит от размеров, формы и состояния поверхности тела, свойств среды (жидкости или газа), в которой тело движется, и, наконец, от относительной скорости движения тела и среды.
Примерный характер зависимости модуля силы сопротивления от модуля относительной скорости тела показан на рисунке 4.17.

.
1. При каких условиях появляются силы трения?
2. От чего зависят модуль и направление силы трения покоя?
3. В каких пределах может изменяться сила трения покоя?
4. Какая сила сообщает ускорение автомобилю или тепловозу?
5. Может ли сила трения скольжения увеличить скорость тела?
6. В чем состоит главное отличие силы сопротивления в жидкостях и газах от силы трения между двумя твердыми телами?
7. Приведите примеры полезного и вредного действия сил трения всех видов.

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Скачать календарно-тематическое планирование по физике, ответы на тесты, задания и ответы школьнику, книги и учебники, курсы учителю по физике для 10 класса

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.

Силы сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах

Урок 22. Физика 10 класс

Конспект урока «Силы сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах»

Мы уже упоминали о силе сопротивления воздуха. Именно из-за этой силы в некоторых случаях нельзя считать тело свободно падающим. Например, на падающий листок с дерева, действует сила сопротивления воздуха, которая сравнима с силой тяжести, поэтому, ускорение, с которым падает листок, значительно отличается от ускорения свободного падения.

Тот, кто хоть раз ездил на мотоцикле, с уверенностью может сказать, что сила сопротивления воздуха вполне ощутима. И чем больше скорость, тем больше эта сила.

То же самое можно сказать и воде: если плавно погружать тело в воду, то ее сопротивление значительно меньше, чем, если прыгнуть в нее. Заметим также, что какой-либо предмет может плыть по течению реки, не испытывая никакого сопротивления. Дело в том, что скорость этого предмета равна скорости течения реки. То есть, относительно реки его скорость равна нулю. Из этого можно заключить, что сила сопротивления среды равна нулю, если относительная скорость тела в этой среде тоже равна нулю.

Читать еще:  Зачем нужен датчик дождя и как он функционирует

Как вы знаете из бытового опыта, силы сопротивления различных сред будут зависеть не только от скорости, с которой двигается в них тело, но и от его формы и размеров. Именно, исходя из этого, люди делают лодки и корабли с острым носом, чтобы уменьшить сопротивление воды.

Вы можете провести простейший опыт: взять картонку и попробовать помахать ей из стороны в сторону сначала плашмя, а потом ребром. Очевидно, что во втором случае сила сопротивления будет в разы меньше.

Опытным путем было установлено, что для тел малых размеров, двигающихся с малыми скоростями, силу сопротивления среды можно считать прямо пропорциональной скорости тела относительно этой среды:

При больших скоростях или размерах тела, сила сопротивления становится пропорциональной квадрату относительной скорости: .

Коэффициенты пропорциональности в этих зависимостях тоже определяются экспериментально для каждой среды.

Итак, мы выяснили, что, так или иначе, сила сопротивления среды возрастает по мере того, как возрастает скорость движения тела в этой среде. Например, чем быстрее тело падает, тем больше сопротивление воздуха. Возникает вопрос: а может ли сила сопротивления воздуха превысить силу тяжести? Такого, конечно, быть не может, и вот почему: в то время как сила сопротивления воздуха увеличивается, сила тяжести остается постоянной. Это значит, что при достаточно долгом падении в какой-то момент сила сопротивления воздуха станет равна силе тяжести. Поскольку сила тяжести будет направлена вниз, а сила сопротивления воздуха — вверх, равнодействующая сила станет равной нулю. А это значит, что тело начнет двигаться с постоянной скоростью, поскольку ускорение будет равно нулю. Эта скорость называется предельной скоростью.

Предельная скорость — это постоянная скорость, с которой начинает двигаться тело, как только сила сопротивления данной среды начинает уравновешивать силу, движущую тело в этой среде.

То же самое можно сказать о других газах и жидкостях: если сила, движущая тело в данной среде станет равной по модулю силе сопротивления, то тело начнет двигаться с постоянной скоростью.

Пожалуй, самый очевидный пример использования силы сопротивления воздуха — это парашют. Парашют имеет довольно большую площадь, поэтому, предельная скорость достигается сравнительно быстро.

Рассмотрим еще один интересный пример. В аэродинамике есть такое понятие, как подъемная сила — это сила, возникающая в результате несимметричности обтекания крыла потоком воздуха. С помощью этой силы самолет, набирая определенную скорость, взлетает. В аэродинамике, сила сопротивления воздуха называется лобовым сопротивлением. Таким образом, при разбеге самолета, тяге противостоит лобовое сопротивление, а подъемной силе, разумеется, противостоит вес самолета.

Как видно из формулы, подъемная сила зависит от скорости набегающего потока воздуха. Скорость же, в свою очередь, будет зависеть от лобового сопротивления (чем больше это сопротивление, тем больше времени потребуется самолету для разбега, прежде чем самолет взлетит).

Примеры решения задач.

Задача 1. Мотоциклист едет со скоростью 72 км/ч, и на мотоцикл действует сила трения равная 2 кН. Сила сопротивления воздуха подчиняется квадратичной зависимости с коэффициентом пропорциональности равным 0,6 кг/м. Определите силу тяги мотоцикла.

Задача 2. Определите предельную скорость капель дождя, если масса капли равна 500 мг. Сила сопротивления воздуха в данном случае прямо пропорциональна скорости, а коэффициент пропорциональности равен 0,02 кг/с.

9. Движение тел в жидкостях и газах. Закон Стокса

При движении тела в жидкости или газе на него действуют две силы: сила , направленная в сторону, противоположную движению тела, а вторая, перпендикулярная к этому направлению. Составляющиеиназываются соответственнолобовым сопротивлением и подъемной силой.

Ясно, что идеальная жидкость не оказывает движению тела никакого сопротивления.

Можно показать, что в несжимаемой идеальной жидкости равномерное движение тела произвольной формы должно было бы происходить без лобового сопротивления. Этот результат называется парадоксом Даламбера.

Учет вязкости жидкости существенно меняет картину взаимодействия тела с потоком. В этом случае очень тонкий слой жидкости прилипает к поверхности тела и движется с ним как одно целое, увлекая за собой из-за трения последующие слои. По мере удаления от поверхности тела скорость слоев становится все меньше и, наконец, на некотором расстоянии от поверхности оказывается практически не возмущенной движением тела. Таким образом, тело оказывается окруженным слоем жидкости, в котором имеется градиент скорости. Этот слой называется пограничным.В нем действуют силы трения, которые и приводят к возникновению лобового сопротивления.

Наличие пограничного слоя существенно меняет характер обтекания тела жидкостью. Полное обтекание тела становится невозможным. Действие сил трения в поверхностном слое приводит к тому, что поток отрывается от поверхности тела, в результате чего позади тела возникают вихри. Вихри уносятся потоком и постепенно затухают вследствие трения. При этом энергия вихрей расходуется на нагревание жидкости. Давление в образующейся за телом вихревой области оказывается пониженным. Поэтому результирующая сил давления будет отлична от нуля. Это давление в свою очередь обуславливает лобовое сопротивление.

Читать еще:  Нарушил несколько пунктов правил дорожного движения

Таким образом, лобовое сопротивление складывается из сопротивления трения и сопротивления давления.

При малых числах Рейнольдса сопротивление среды обусловлено практически только силами трения. Стокс установил, что сила сопротивления в этом случае пропорциональна коэффициенту динамической вязкости , скоростидвижения тела относительно жидкости и характерному размеру тела:

Презентация по физике на тему «Сила сопротивления в газах и жидкостях» (10 класс)

Устанавливая рекомендуемое программное обеспечение вы соглашаетесь
с лицензионным соглашением Яндекс.Браузера и настольного ПО Яндекса .

Курс повышения квалификации за 340 рублей!

Эмоциональное выгорание педагогов. Профилактика и способы преодоления

Международные дистанционные олимпиады «Эрудит III»

Доступно для всех учеников
1-11 классов и дошкольников

Рекордно низкий оргвзнос

по разным предметам школьной программы (отдельные задания для дошкольников)

Идёт приём заявок

Описание презентации по отдельным слайдам:

Сила сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах

Дома: § 37-38 заполнить таблицу

Название силы природа Опреде-ление Направ-ление От чего зависит формулы Сила тяжести гравита-ционная F=mg F=Gm1m2/r² (законвсемирного тяготения) Сила упругости Электро-магнитная От жесткости и удлинения тела Сила трения Электро-магнитная Силасопротив-ления Электро-магнитная

Трение в жидкостях и газах называется жидким трением Сила сопротивления возникает при движении твердых тел в жидкости и газе

Сила сопротивления направлена против движения

Трение становится жидким при использовании смазки

Смазка уменьшает силу трения скольжения за счет замены сухого трения жидким вода-смазка

При вылете ядра из ствола на него действует сила сопротивления воздуха

Сила трения покоя в жидкостях и газах отсутствует F Fтр.покоя в о д а

Течение, сопровождающееся образованием вихрей, называется турбулентным. При небольших скоростях токи вокруг тела спокойны и правильны (рис. a), а трение пропорционально скорости тела. При увеличении скорости наступает момент, когда возникают вихри (рис. b), трение быстро возрастает. Образование вихрей позади предмета вызывает увеличение трения по сравнению со спокойным движением.

При большой скорости вихри возникают по разные стороны движущегося тела

Сила сопротивления зависит от размеров и формы тела

Для уменьшения силы сопротивления форма тела должна быть обтекаемой

движется в воздухе движется в вакууме

Крыло самолета Крыло птицы

Сила сопротивления связана со степенью шероховатости поверхности твердого тела

Сила сопротивления связана с площадью поперечного сечения Скорость падения человека без парашюта 50м/с уменьшается до 7м/с

Сила сопротивления связана с площадью поперечного сечения

Сила сопротивления среды зависит от относительной скорости тела и среды 0 Fс v

При небольших скоростях Fс = к1v При больших скоростях Fс = к2v²

Сила сопротивления связана с вязкостью среды (способностью оказывать сопротивление движению) Вязкость газа меньше вязкости жидкости!

Устанавливая рекомендуемое программное обеспечение вы соглашаетесь
с лицензионным соглашением Яндекс.Браузера и настольного ПО Яндекса .

Добавляйте авторские материалы и получите призы от Инфоурок

Еженедельный призовой фонд 100 000 Р

  • Коновалова Наталья ДмитриевнаНаписать 3270 10.09.2016

Номер материала: ДБ-184871

Международные дистанционные олимпиады «Эрудит III»

Доступно для всех учеников
1-11 классов и дошкольников

Рекордно низкий оргвзнос

по разным предметам школьной программы (отдельные задания для дошкольников)

Идёт приём заявок

Устанавливая рекомендуемое программное обеспечение вы соглашаетесь
с лицензионным соглашением Яндекс.Браузера и настольного ПО Яндекса .

    10.09.2016 1878
    10.09.2016 628
    10.09.2016 258
    10.09.2016 3436
    10.09.2016 2314
    10.09.2016 605
    10.09.2016 4111

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector