Как узнать силу сопротивления воздуха. Коэффициент сопротивления

При движении любого предмета по поверхности или в воздухе возникают силы, препятствующие этому. Их называют силами сопротивления или трения. В этой статье мы расскажем, как найти силу сопротивления, и рассмотрим факторы, влияющие на нее.

Для определения силы сопротивления необходимо воспользоваться третьим законом Ньютона. Эта величина численно равна силе, которую нужно приложить, чтобы заставить равномерно двигаться предмет по ровной горизонтальной поверхности. Это можно сделать при помощи динамометра. Сила сопротивления вычисляется по формуле F=μ*m*g. Согласно этой формуле, искомая величина прямо пропорциональна массе тела. Стоит учесть, что для правильного подсчета необходимо выбрать μ – коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлена опора. Принимают во внимание и материал предмета. Этот коэффициент выбирается по таблице. Для расчета используется постоянная g, которая равна 9,8 м/с2. 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). 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. Для расчета силы трения высокоскоростных тел используют квадрат скорости и коэффициент β, который рассчитывается для каждого предмета отдельно. При движении предмета в газе или жидкости при расчете силы трения необходимо учитывать плотность среды, а также массу и объем тела. Сопротивление движению существенно снижает скорость поездов и автомобилей. Причем на движущие предметы действует два вида сил – постоянные и временные. Общая сила трения представлена суммой двух величин. Для снижения сопротивления и повышения скорости машины конструкторы и инженеры изобретают разнообразные материалы со скользящей поверхностью, от которой воздух отталкивается. Именно поэтому передняя часть скоростных поездов имеет обтекаемую форму. Рыбы очень быстро движутся в воде благодаря обтекаемому телу, покрытому слизью, которая снижает трение. Не всегда сила сопротивления отрицательно сказывается на движении машин. Чтобы вытащить автомобиль из грязи, необходимо под колеса насыпать песок или щебень. Благодаря увеличению трения авто отлично справляется с болотистой почвой и грязью.

Сопротивление движения в воздухе используется во время прыжков с парашютом. В результате возникающего трения между куполом и воздухом скорость движения парашютиста снижается, что позволяет без ущерба для жизни заниматься парашютным спортом.

Величина силы сопротивления воздуха зависит от формы снаряда, состояния поверхности его корпуса, площади его наибольшего поперечного сечения, плотности воздуха, скорости снаряда относительно воздуха, скорости распространения звука и положения продольной оси снаряда относительно вектора скорости снаряда.

Рассмотрим кратко, как перечисленные выше факторы влияют на величину силы сопротивления воздуха.

Форма и состояние поверхности снаряда. О влиянии формы снаряда и состояния его поверхности на величину силы сопротивления воздуха указывалось при рассмотрении факторов, обусловливающих возникновение силы сопротивления воздуха.

Рис. 12. Влияние формы снаряда на ооразование головной и хвостовой

волн и завихрений позади снаряда:

а - цилиндрический снаряд; б -шаровой снаряд (ядро); в - продолговатый снаряд с цилиндрической запоясковой частью (старая фугасная граната);

г -продолговатый снаряд с конической запоясковой частью

Зависимость величины волнового и вихревого сопротивлений от формы снаряда наглядно видна на рис. 12, на котором приведены моментальные фотографии снарядов, выпущенных с примерно одинаковой начальной скоростью.

Наименьшие волны и завихрения получаются у снаряда, имеющего наиболее заостренную головную часть и скошенную донную часть, наибольшие волны и завихрения - у цилиндрического снаряда.

Но следует иметь в виду, что при выборе оптимальной формы снаряда необходимо наряду с уменьшением сопротивления воздуха обеспечить устойчивость полета снаряда, рациональное использование металла, снаряжения и эффективное действие снаряда у цели; поэтому снаряды различных типов имеют неодинаковую форму.

Зависимость величины силы сопротивления воздуха от формы снаряда выражается коэффициентом формы i.

Для снаряда данного типа, форма которого принята за эталон, коэффициент формы принимают равным единице. При изменении формы снаряда относительно эталонной коэффициент формы определяется опытным путем.

Площадь наибольшего поперечного сечения. Если угол нутации δ = 0, то количество элементарных частиц воздуха, которые снаряд будет встречать на своем пути, при прочих равных условиях будет зависеть от площади его наибольшего поперечного сечения. Чем больше площадь поперечного сечения снаряда, тем больше элементарных частиц воздуха будет воздействовать на снаряд, тем больше будет и сила сопротивления воздуха. Экспериментальные данные показывают, что сила сопротивления воздуха изменяется пропорционально изменению площади поперечного сечения снаряда.

Плотность воздуха. Под плотностью воздуха понимают массу воздуха, приходящуюся на единицу его объема. Изменение массы воздуха в единице объема может произойти за счет изменения количества элементарных частиц (молекул), приходящихся на единицу объема, или за счет изменения массы каждой частицы. Если, например, плотность воздуха увеличилась, то это значит, что или увеличилось количество элементарных частиц в каждой единице объема воздуха, или увеличилась масса частиц (или то и другое вместе), а раз так, то и сила воздействия воздуха на каждую единицу поверхностной площади снаряда возрастет, следовательно, возрастет и полное сопротивление воздуха.

Установлено, что сила сопротивления воздуха изменяется пропорционально изменению плотности воздуха.

Скорость снаряда. Исследования показывают, что сила сопротивления воздуха прямо пропорциональна квадрату скорости снаряда относительно воздуха. Если, например, скорость снаряда относительно воздуха увеличится в два раза, то сила сопротивления воздуха возрастет в четыре раза.

Это объясняется тем, что, во-первых, с увеличением скорости снаряда он будет в каждую единицу времени встречать на своем пути больше элементарных частиц воздуха и, во-вторых, инерция частиц воздуха при большей скорости "должна быть преодолена снарядом в более короткий момент времени, что вызовет большее противодействие со стороны частиц воздуха.

Скорость распространения звука в воздухе. Образование волнового сопротивления, как показано выше, происходит в момент, когда скорость снаряда становится равной скорости звука, т. е. в момент, когда ,

где v - скорость снаряда и а - скорость звука в воздухе.

Скорость звука в воздухе непостоянна (зависит от температуры и влажности воздуха). Следовательно, при одной и той же скорости снаряда из-за изменения скорости звука в воздухе величина волнового сопротивления и силы сопротивления воздуха в целом могут быть различными. Зависимость величины силы сопротивления воздуха от скорости распространения звука учитывается специальным коэффициентом . Величина , зависит от величины и от формы снаряда. График этой зависимости приводится на рис. 13.

Рис. 13 . График функции :

а. - снаряд с цилиндрической запоясковой частью (старая фугасная граната);

б - продолговатый снаряд с конической запоясковой частью

Положение продольной оси снаряда относительно касательной к траектории (вектора скорости). Полет снаряда в воздухе сопровождается сложными колебательными движениями вокруг центра тяжести, в результате чего продольная ось снаряда оказывается не совмещенной с направлением полета (с вектором скорости), т. е. появляются углы нутации.

При возникновении угла нутации снаряд летит уже не головной частью вперед, а подставляет встречному потоку воздуха и часть боковой поверхности. Условия обтекания снаряда воздухом из-за этого также резко ухудшаются.

Все это резко увеличивает силу сопротивления воздуха. Для уменьшения влияния этого фактора принимают меры к стабилизации полета снаряда, т. е. к уменьшению углов нутации.

Итак, влияние различных факторов на величину силы сопротивления воздуха сложно и многогранно. Поэтому обычно силу сопротивления воздуха определяют опытным путем для условий, что сила сопротивления воздуха во все время дви жения приложена к его центру тяжести и направлена по касательной к траектории, т. е, углы нутации отсутствуют.

Величину силы сопротивления воздуха выражают различными эмпирическими формулами. Одна из наиболее распро страненных имеет вид

(1.7)

где R - величина силы сопротивления воздуха, кг;

i- коэффициент формы;

S -площадь поперечного сечения снаряда, м 2 ;

ρ - плотность воздуха (масса 1 м 3 данного воздуха она равна ,

где П - вес 1 м 3 воздуха, или весовая плотность воздуха);

v - скорость снаряда относительно воздуха, м/с;

Эмпирический коэффициент, учитывающий влияние величины

отношения скорости снаряда к скорости звука в зависимости от формы снаряда.

В формуле 1.7 величина имеет самостоятельный смысл, ибо это есть ни что иное, как кинетическая энергия, или живая сила 1 м 3 воздуха. Эту величину называют скоростным напором.

Лекція 10

Тема 4. Заняття 2. Рух снаряда в повітрі

1. Прискорення сили опору повітря. Поперечн навантаження і балістичний коефіцієнт.

2. Необхідність прийняття мір для забезпечення стійкості снаряда в польоті.

3. Рух швидко обертаючогося снаряда в польоті. Деривація.

В результате многочисленных опытов, исследований и теоретических обобщений установлена формула для подсчёта силы сопротивления воздуха

где S - площадь поперечного сечения пули,

с - масса воздуха при данных атмосферных условиях;

Скорость пули;

- опытный коэффициент, зависящий от формулы пули и числа который берётся из заранее составленных таблиц.

Величина силы сопротивления зависит от следующих факторов:

Площади поперечного сечения пули. Следовательно, сила сопротивления воздуха прямо пропорциональна площади поперечного сечения пули;

- плотности воздуха. Из формулы видно, что сила сопротивления воздуха прямо пропорциональна плотности воздуха. Таблицы стрельбы составлены для нормальных атмосферных условий. В случае отклонения фактической температуры и давления от нормальных значений необходимо вносить поправки при пользовании таблицами стрельбы;

- скорости пули. Зависимость силы сопротивления воздуха от скорости пули выражается сложным законом. В формулу входят члены V 2 и, устанавливающие зависимость силы сопротивления воздуха от скорости. Для изучения этой зависимости рассмотрим график, показывающий, как влияет скорость пули на силу сопротивления воздуха (рис. 8).

График 1 - Зависимость силы сопротивления от скорости пули

Похожие по виду графики получаются и для артиллерийских снарядов. Из графика следует, что сила сопротивления воздуха возрастает с увеличением скорости пули. Возрастание силы сопротивления до скорости 240 м/сек идёт сравнительно медленно. При скорости, близкой к скорости звука, сила сопротивления воздуха резко растет. Это объясняется образованием баллистической волны и увеличением в связи с этим разности давлений воздуха на головную и дольную части пули;

- формы пули. Форма пули существенно сказывается на функции входящей в формулу. Вопрос о наивыгоднейшей форме пули чрезвычайно сложен и не может решаться на базе одной только внешней баллистики. Очень важным фактором при выборе формы пули является: назначение пули, способ её ведения по нарезам, калибр и вес пули, устройство оружия, для которого она предназначена и др.

Для уменьшения влияния избыточного давления воздуха приходится заострять и удлинять головную часть пули. Это вызывает некоторый поворот фронта головной волны, благодаря чему уменьшается избыточное давление воздуха на головную часть пули. Такое явление можно объяснить тем, что по мере заострения головной части уменьшается скорость, с которой частицы воздуха отталкиваются в стороны от поверхности пули.

Опыт показывает, что форма головной части пули играет второстепенную роль в сопротивлении воздуха. Основным фактором является высота головной части и способ её сопряжения с ведущей частью. Обычно за образующею головной части пули принимают дугу окружности, центр которой находится либо на основании головной части, либо несколько ниже его (рис. 9). Хвостовую часть чаще всего выполняют в виде усечённого конуса с углом наклона образующей (рис. 10).

Рисунок 8 - Форма оживальной части пули

Рисунок 9 - Форма донной части пули

Обтекание воздуха при конусной хвостовой части происходит значительно лучше. Область низкого давления почти отсутствует и вихреобразование значительно менее интенсивно. Ведущею часть пули с точки зрения внешней баллистики выгодно делать, возможно, более короткой. Но при короткой ведущей части затрудняется правильное влияние пули по нарезам ствола: возможен демонтаж оболочки пули. Необходимо заметить, что о наивыгоднейшей форме пули можно говорить лишь для определённой скорости, так как для каждой скорости существует своя наивыгоднейшая форма.

На рис. 9 изображены наивыгоднейшие формы снарядов для различных скоростей. По горизонтальной оси отложены скорости снарядов, по вертикальной - высоты снарядов в калибрах.

Рисунок 9 - Зависимость относительной длины снаряда от скорости

Как видно, с ростом скорости длина головной части, и общая длина снаряда увеличиваются, а хвостовая часть уменьшается. Такая зависимость объясняется тем, что при больших скоростях основная доля силы сопротивления воздуха приходится на головную часть. Поэтому основное внимание уделяется уменьшению сопротивления головной части, что достигается её заострением и удлинением. Хвостовая часть снаряда в этом случае делается короткой, чтобы снаряд не был слишком длинным.

При малых скоростях снаряда давление воздуха на головную часть невелико и разряжение за данной частью хотя и меньше, чем при больших скоростях, но составляет значительную долю всей силы сопротивления воздуха. Поэтому необходимо делать сравнительно длинную коническую хвостовую часть снаряда для уменьшения действия разряженного пространства. Головная часть может быть более короткой, так как её длинна, имеет в этом случае меньшее значение. Заострение хвостовой части особенно велико для снарядов, скорость которых меньше скорости звука. В этом случае наиболее выгодной является каплеобразная форма. Такая форма придаётся минам и авиабомбам.

Опыты по определению

Начиная с 1860 г. В разных странах производились опыты со снарядами различных калибров и форм с целью определения.

График 2 - Кривые для различных форм снарядов: 1, 2, 3 - близкие по форме; 4 - легкая пуля

Рассматривая кривые для снарядов сходной формы, можно убедится, что они имеют также сходный вид. Это даёт возможность приближенно выразить для некоторого снаряда через другого снаряда, принятого как бы за эталон, при помощи постоянного множителя i:

Этот множитель, или отношение данного снаряда к другого снаряда, принятого за эталон, называется коэффициентом формы снаряда. Для определения коэффициента формы какого-либо снаряда надо опытным путём найти для него силу сопротивления воздуха для какой-либо скорости. Тогда по формуле можно найти

Деля полученное выражение на получаем коэффициент формы

Разные учёные дали различные математические выражения для подсчёта Например, Сиачи (график 3) выразил закон сопротивления следующей формулой

где F(V) - функция сопротивления.

График 3 - Закон сопротивления

Функция сопротивления Н.В. Маиевского и Н.А. Забудского меньше, чем функция сопротивления Сиаччи. Переводной множитель от закона сопротивления Сиаччи к закону сопротивления Н.В. Майевского и Н.А. Забудского в среднем равен 0,896.

В Военно-инженерной артиллерийской академии им. Ф.Э. Дзержинского выведен закон сопротивления воздуха для дальнобойных снарядов. Этот закон получен на основании обработки результатов специальных стрельб дальнобойными снарядами и пулями. Функции сопротивления в этом законе выбраны такими, чтобы при баллистических расчётах для дальнобойных снарядов, а также для пуль и оперённых снарядов (мин), коэффициент формы получился по возможности близким к единице. Функция для скоростей, меньших 256 м/сек или больших 1410 м/сек может быть выражена одночленом Определим коэффициент

Для V < 256 м/ сек

Для V > 1410 м/ сек

При задании коэффициента формы всегда следует указывать, по отношению, к какому закону сопротивления он дан. В формуле для определения силы сопротивления воздуха, заменяя получаем на, получаем

Среднее значение коэффициента формы для закона сопротивления Сиаччи приведены в табл. 3.

Таблица 3 - значения i для различных снарядов и пуль

Для определения силы сопротивления воздуха создайте условия, при которых тело начнет под действием силы тяжести двигаться равномерно и прямолинейно. Рассчитайте значение силы тяжести, оно будет равно силе сопротивления воздуха. Если тело движется в воздухе, набирая скорость, сила его сопротивления находится при помощи законов Ньютона, также силу сопротивления воздуха можно найти из закона сохранения механической энергии и специальных аэродинамических формул.

Вам понадобится

• дальномер, весы, спидометр или радар, линейка, секундомер.

Инструкция

• Определение сопротивления воздуха равномерно падающему телу Измерьте массу тела с помощью весов. Сбросив его с некоторой высоты, добейтесь, чтобы оно двигалось равномерно. Умножьте массу тела в килограммах на ускорение свободного падения, (9,81 м/с²), результатом будет сила тяжести, действующая на тело. А поскольку оно движется равномерно и прямолинейно, сила тяжести будет равна силе сопротивления воздуха.
• Определение сопротивления воздуха телу, набирающему скоростьОпределите массу тела с помощью весов. После того как тело начало двигаться, с помощью спидометра или радара измерьте его мгновенную начальную скорость. В конце участка измерьте его мгновенную конечную скорость. Скорости измеряйте в метрах в секунду. Если приборы измеряют ее в километрах в час, поделите значение на 3,6. Параллельно с помощью секундомера определите время, за которое происходило это изменение. Отняв от конечной скорости начальную и поделив результат на время, найдите ускорение, с которым движется тело. Затем найдите силу, которая заставляет тело изменять скорость. Если тело падает, то это сила тяжести, если тело движется горизонтально – сила тяги двигателя. От этой силы отнимите произведение массы тела на его ускорение (Fc=F+m a). Это и будет сила сопротивления воздуха. Важно, чтобы при движении тело не касалось земли, например, двигалось на воздушной подушке или падало вниз.
• Определение сопротивления воздуха телу, падающему с высотыИзмерьте массу тела и сбросьте его с высоты, которая заранее известна. При контакте с поверхностью земли зафиксируйте скорость тела с помощью спидометра или радара. После этого найдите произведение ускорения свободного падения 9,81 м/с² на высоту, с которой падало тело, отнимите от этого значения скорость, возведенную в квадрат. Полученный результат умножьте на массу тела и поделите на высоту, с которой оно падало (Fc=m (9,81 H-v²)/H). Это и будет сила сопротивления воздуха.

Коэффициент сопротивления дает возможность учитывать потери энергии при движении тела. Чаще всего рассматривают два типа движения: движение по поверхности и движение в веществе (жидкости или газе). Если рассматривают движение по опоре, то обычно говорят о коэффициенте трения. В том случае, если рассматривают движение тела в жидкости или газе, то имеют в виду коэффициент сопротивления формы.

Определение коэффициента сопротивления (трения) скольжения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коэффициентом сопротивления (трения) называют коэффициент пропорциональности, связывающий силу трения () и силу нормального давления (N) тела на опору. Обычно данный коэффициент обозначают греческой буквой . В таком случае коэффициент трения определим как:

Речь идет о коэффициенте трения скольжения, который зависит от совокупных свойств трущихся поверхностей и является безразмерной величиной. Коэффициент трения зависит от: качества обработки поверхностей, трущихся тел, присутствия на них грязи, скорости движения тел друг относительно друга и т.д. Коэффициент трения определяют эмпирически (опытным путем).

Определение коэффициент сопротивления (трения) качения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коэффициент сопротивления (трения) качения обозначают чаще буквой . Его можно определить с помощью отношения момента силы трения качения () к силе с которой тело прижимается к опоре (N):

Данный коэффициент, имеет размерность длины. Основной его единицей в системе СИ будет метр.

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.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Максимальная скорость автомобиля на горизонтальном участке дороги равна при максимальной мощности его равной P. Коэффициент лобового сопротивления автомобиля C, а наибольшая площадь сечения в направлении, перпендикулярном скорости S. Автомобиль подвергся реконструкции, наибольшую площадь сечения в направлении, перпендикулярном скорости уменьшили до величины , оставив коэффициент сопротивления без изменения. Считайте силу трения о поверхность дороги неизменной, найдите какова максимальная мощность автомобиля, если его скорость на горизонтальном участке дороги стала равна . Плотность воздуха равна .
Решение	Сделаем рисунок. Мощность автомобиля определим как: где — сила тяги автомобиля. Считая, что автомобиль на горизонтальном участке дороги движется с постоянной скоростью, запишем второй закон Ньютона в виде: В проекции на ось X (рис.1), имеем: Силу сопротивления, которую испытывает автомобиль, двигаясь в воздухе, выразим как: Тогда мощность автомобиля можно записать: Выразим из (1.5) силу трения автомобиля о дорогу: Запишем выражение для мощности, но с изменёнными по условию задачи параметрами автомобиля: Учтем, что сила трения автомобиля о дорогу не изменилась, и примем во внимание выражение (1.6):
Ответ

ПРИМЕР 2

Задание	Какова максимальная скорость шарика, который свободно падает в воздухе, если известны: плотность шарика (), плотность воздуха (), масса шарика (), коэффициент сопротивления C?
Решение	Сделаем рисунок. Запишем второй закон Ньютона для свободного падения шарика: