Сопротивление воздуха при движении

Проект «Влияние различных материалов на сопротивление воздуха»

В
этом проекте изучается взаимосвязь
между материалами и сопротивлением
воздуха.

Что нам понадобится:

• большой пластиковый пакет;
• бумага;
• носовой платок;
• веревка;
• глина;
• дырокол;
• стул или лестница;
• таймер;
• линейка;
• ножницы;
• помощник.

Ход эксперимента:

1. Вырежьте квадрат из пластикового пакета и квадрат из бумаги того же размера, что и носовой платок.
2. Отрежьте двенадцать 15-сантиметровых отрезков веревки.
3. Привяжите по одному отрезку к каждому углу пластикового квадрата.
4. Пробейте отверстие в каждом углу бумаги и привяжите к каждому из углов по отрезку веревки.
5. Прикрепите шарик из глины к нижней части пластикового квадрата, бумажного квадрата и платка.
6. Встаньте на стул или лестницу.
7. Бросьте каждый парашют с одинаковой высоты.
8. Попросите другого человека записать время с момента их запуска до падения на землю.
9. Проанализируйте свои данные, чтобы определить, парашют из какого материала упал быстрее всего. Какой материал больше влияет на сопротивление воздуха? Из какого материала лучше всего делать парашют?

Вывод:

Действительно
ли разные типы материалов по-разному
влияют на сопротивление воздуха? Какие
типы материалов оказывают наибольшее
влияние на сопротивление воздуха?
Является ли сопротивление воздуха
решающим фактором при разработке
парашюта? Узнайте, какой материал лучше
всего подойдет для его создания.

Как найти с помощью формулы напряжение

Людей, интересующихся электричеством и физикой, всегда волнует вопрос, как найти напряжения, если известны другие характеристики. Его можно найти через многие формулы: в соответствии с законом Ома, через работу тока, путём сложения всех напряжений в электрической цепи и практическим способом – с помощью вольтметра. Как вычислить показатель с помощью последнего способа было описано выше.

Важно! В цепях с последовательным соединением общее напряжение – сумма значений каждой нагрузки. При параллельном соединении общее напряжение равно значению каждой лампочки, у которых оно также эквивалентно

Измерение напряжения

По каким формулам вычисляется напряжение через работу и сама сила тока, рассказывают на уроках физики, так как эти величины считаются базовыми. Работа тока равна произведению напряжения и заряда: A = U*q. Также, из этой формулы выводится A = U*I*t, так как заряд – произведение силы тока и времени. Из них следует, что U = A/q или U = A/(I*t). Кроме того, одной из основных является формула напряжения, выведенная из закона Ома: U = R/I.

Важно! Определить напряжение можно и через мощность электрического тока. Мощность равна A/t, и, так как A = U*I*t, конечная формула выглядит, как P = (U*I*t)/t

Здесь t сократится, и останется P = U*I, из которой следует, что U = P/I.

Обтекаемые формы уменьшают сопротивление воздуха

Современные инженеры придают всем движущимся машинам такую форму, которая позволяет им успешнее преодолевать сопротивление воздуха. У кузовов автомобилей все углы закруглены, сглажены, все выступающие части убраны, и это сделано вовсе не потому, что так красивее, а потому, что округленные, обтекаемые формы уменьшают сопротивление воздуха.

Конструкторы придают обтекаемые формы самолетам, тепловозам, пароходам, подводным лодкам и т. п. Пули и артиллерийские снаряды делают заостренными, чтобы им легче было рассекать воздух. Мины для минометов и небольшие авиационные бомбы имеют форму капель, потому что жидкость, падая с высоты, разбивается на капли, которые сами принимают форму, облегчающую им падение.

Сопротивление воздуха оказывается весьма полезным, если нужно замедлить падение. Парашютист, выбросившись из самолета, распускает свой парашют, и этот огромный зонтик встречает столь сильное сопротивление воздуха, что падение замедляется и становится практически безопасным. В этом случае сопротивление воздуха при движении парашютиста играет положительную роль.

Рейтинг: /5 —
голосов

Что такое сила сопротивления в физике

Сила сопротивления — сила, которая возникает во время движения тела в жидкой или газообразной среде и препятствует этому движению.

Важно уметь отличать силу сопротивления от силы трения. Во втором случае рассматривается характер взаимодействия твердых тел друг с другом

Таким образом, трение можно наблюдать, когда какой-либо предмет перемещается по поверхности другого. Вектор этой силы будет направлен в противоположную сторону направления движения.

Для того чтобы рассчитать силу сопротивления необходимо умножить коэффициент сопротивления материала на силу, провоцирующую перемещение этого предмета.

Примечание

В качестве примера силы сопротивления можно рассмотреть движение поезда. Воздух, окружающий состав, замедляет скорость его перемещения, то есть возникает сила сопротивления.

От чего зависит в механике и динамике

Сила сопротивления зависит от нескольких факторов. На ее величину оказывают влияния следующие характеристики:

1. Особенности среды и показатели ее плотности, к примеру, жидкость обладает большей плотностью, чем газообразное вещество.
2. Форма тела, так как предметы, обладающие обтекаемыми вытянутыми вдоль направления движения формами подвержены меньшему сопротивлению, чем тела с множеством плоскостей, расположенных перпендикулярно движению.
3. Скорость перемещения тела.

Силу сопротивления можно наблюдать опытным путем. К примеру, если предмет переместился на величину пути l , когда на него воздействует сила сопротивления, обозначение которой представлено, как \($$F_{r}$$\), затрачивается работа, которую можно рассчитать по формуле:

\($$A=F_{r}\times l$$\)

В случае, когда площадь поперечного сечения движущегося предмета равна S, он будет сталкиваться с частицами, объем которых составляет Sl. Полную массу этих частиц можно представить, как \($$\rho_{ a}\times Sl$$\). Если частицы полностью увлекаются телом, они приобретают скорость V. Кинетическую энергию можно рассчитать по формуле:

\($$K=\frac{\rho_{ a}\times Sl\times V^{2}}{2}$$\)

Энергию создают внешние силы за счет своей работы с мощностью по определению силы сопротивления. Откуда, A=K. Таким образом,

\($$F_{r}=\frac{\rho_{ a}\times S\times V^{2}}{2}$$\)

В этом случае зависимость силы сопротивления от скорости перемещения объекта возрастает и становится пропорциональна ее второй степени. В отличие от силы внутреннего трения ее обозначают, как силу динамического лобового сопротивления.

Следует отметить, что теория, в которой частицы среды полностью увлекаются транспортируемыми телами, преувеличена. В условиях реального времени любой движущийся предмет обтекаем потоком, который снижает воздействие на него сил сопротивления. Поэтому при расчетах нередко используют коэффициент сопротивления С, обозначая силу лобового сопротивления формулой:

\($$F_{r}=C\times S\times \frac{\rho_{ a}\times V^{2}}{2}$$\)

Движение тела, брошенного вертикально вверх

Аналогично можно рассмотреть движение тела, брошенного вертикально вверх с определенной начальной скоростью. Например, мы бросаем вверх мячик.

Пусть ось координат направлена вертикально вверх из точки бросания тела. На сей раз тело движется равнозамедленно, теряя скорость. В наивысшей точки скорость тела равна нулю. Применяя формулы кинематики, можно записать:

v=v-gt.

Подставив v=, найдем время подъема тела на максимальную высоту:

t=vg.

Время падения совпадает со временем подъема, и тело вернется на Землю через t=2vg.

 Максимальная высота подъема тела, брошенного вертикально:

h=v22g.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Взглянем на рисунок ниже. На нем приведены графики скоростей тел для трех случаев движения с ускорением a=-g. Рассмотрим каждый из них, предварительно уточнив, что в данном примере все числа округлены, а ускорение свободного падения принято равным 10мс2.

Первый график — это падение тела с некоторой высоты без начальной скорости. Время падения tп=1с. Из формул и из графика легко получить, что высота, с которой падало тело, равна h=5м.

Второй график — движение тела, брошенного вертикально вверх с начальной скоростью v=10 мс. Максимальная высота подъема h=5м. Время подъема и время падения tп=1с.

Третий график является продолжением первого. Падающее тело отскакивает от поверхности и его скорость резко меняет знак на противоположный. Дальнейшее движение тела можно рассматривать по второму графику.

Разновидности сил сопротивления

Существует несколько типов силы сопротивления, отличающихся по характеру воздействия на движущиеся предметы.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению обозначается, как Pf. В данном случае сила определяется несколькими факторами:

• разновидность и состояние опоры, по которой перемещается объект;
• скорость движения тела;
• давление воздуха и другие параметры окружающей среды.

Состояние и тип опорной поверхности определяет величину коэффициента сопротивления качению, который обозначается f. Если в среде повышается температура, и возрастает давление, то данный показатель будет уменьшаться.

Сила сопротивления воздуха

Сила сопротивления воздуха или величина лобового столкновения Pв образуется в результате различных показателей давления. Данная характеристика напрямую зависит от интенсивности вихреобразования спереди и сзади движущегося предмета. Указанные параметры определяются формой перемещающегося тела.

Примечание

Большее влияние на силу сопротивления будет оказывать вихреобразование в передней части объекта. Если плоскостенную фигуру закруглить спереди и сзади, то получится снизить сопротивление до 72%.

Рассчитать силу лобового сопротивления можно по формуле:

\($$P=cx\times p\times F_{b}$$\)

сх — обтекаемость или коэффициент лобового сопротивления; p — плотность воздуха; Fв — площадь лобового сопротивления (миделевого сечения).

Во время поступательного движения масса объекта встречает сопротивление разгону, то есть ускорению. Найти данную силу можно с помощью второго закона Ньютона.

\($$Pj=m\times dVdt$$\)

где m выражает массу движущегося объекта, а \(dVdt\) обозначает ускорение центра масс.

Как найти трение

Определить силу сопротивления можно, если применить третий закон Ньютона. Для того чтобы предмет равномерно перемещался по опоре в горизонтальном направлении, к нему необходимо приложить силу, соизмеримой с силой сопротивления. Корректно рассчитать данные величины можно с помощью динамометра. Сила сопротивления будет прямо пропорциональна массе объекта. Более точные расчеты производятся с учетом u коэффициента, который зависит от следующих факторов:

• материал, из которого изготовлено опорное основание;
• материал, из которого состоит перемещаемое тело.

Рассчитывая силу сопротивления, используют постоянную величину g, равную 9,8 метров на сантиметр в квадрате. При этом если движение тела происходит на определенной высоте, на него оказывает воздействие сила трения воздуха. Данная величина зависит от скорости, с которой движется предмет. Искомая величина определяется с помощью следующей формулы только при условии, что предмет перемещается на небольшой скорости:

\($$F=V\times a$$\)

где V является скоростью перемещения тела, a — коэффициентом сопротивления среды.

Рассмотрим, как работает измеритель мощности в розетку

Если вам необходимо узнать, какой мощностью обладает тот или иной предмет, можно замерять с помощью прибора мультиметра силу тока и напряжение, а затем их просто перемножить. Есть и приборы, которые определяют и мощность. Они называются ваттметры. Показатель мощности рассчитывает встроенный калькулятор, и показатель сразу появляется на его дисплее.

Как пользоваться ваттметром и мультиметром:

1. Вставляем прибор в розетку 220В;
2. В ваттметр вставляем вилку прибора, который нам нужно замерять;
3. Ждем, когда на дисплее появится требуемый показатель.

На задней панели прибора есть отсек под батарейки, идущие обычно в комплекте. На пластине рядом имеется информация с характеристиками самого ваттметра, его номер, а также вилка. На внешней стороне находится дисплей. Управление осуществляется 4 кнопками, возле которых размещена розетка для подключения бытовых приборов, оборудования и техники.

С помощью четвертой кнопки Value вы сможете переключить и определить следующие измеряемые параметры:

• Напряжение сети;
• Мощность, которую потребляет подключенное устройство;
• Потребляемая прибором сила тока.

При установленном граничном показателе, относительно напряжению и току, одной из характеристик прибор будет давать сигнал. Это означает перегрузку.

Падение тел в воздухе.

Пока
скорость падающего тела еще мала, невелика и сила сопротивления воздуха; но по
мере того, как возрастает скорость падения, эта сила быстро растет. При
некоторой скорости сила  становится равной по модулю силе , и дальше тело
падает равномерно. Скорость такого падения называют предельной скоростью
падения. Предельная скорость тем больше, чем сильнее разрежен воздух.
Поэтому тело, падающее с очень большой высоты, может в разреженных слоях
атмосферы приобрести скорость, большую предельной скорости для нижних
(плотных) слоев. Войдя в нижние слои атмосферы, тело снизит свою скорость до
значения предельной скорости для нижних слоев.

Упражнение: 68.1.
Деформировано ли тело, падающее с предельной скоростью?

Предельная скорость
падения зависит, помимо плотности атмосферы, от формы и размеров тела и от
силы притяжения тела Землей. Тела малого размера, например мелкие капли воды
(туман), пылинки, снежинки, быстро достигают своей предельной скорости (порядка
миллиметра в секунду и меньше) и затем с этой малой скоростью опускаются вниз.
Свинцовый шарик массы 10 г достигает при падении с достаточной высоты
предельной скорости 40 м/с. Капли дождя падают со скоростью, обычно не
превышающей 7—8 м/с; чем меньше капля, тем меньше и скорость ее падения; если
бы капли дождя падали в безвоздушном пространстве, то при падении на землю с
высоты 2 км они достигали бы, независимо от их размеров, скорости 200 м/с;
такой же скорости при падении с той же высоты в безвоздушном пространстве
достигло бы и всякое другое тело. При такой скорости удары капель дождя были
бы весьма неприятны!

Различие
в предельной скорости разных тел одинаковой формы, но разных размеров
объясняется зависимостью сопротивления среды от размеров тела. Оказывается,
что сопротивление приблизительно пропорционально площади поперечного сечения
тела. При одной и той же форме тела из данного материала площадь его
поперечного сечения, а значит и сила сопротивления воздуха, растет с
увеличением размеров медленнее, чем сила тяжести: площадь поперечного сечения
растет как квадрат размера, а сила тяжести — как куб размера тела. Например,
чем больше авиационная бомба, тем больше ее предельная скорость и с тем большей
скоростью она достигает земли.

Рис. 93. Сопротивление воздуха при
движении тела каплевидной формы в 30 раз меньше сопротивления при движении
круглой пластинки и в 5 раз меньше сопротивления при движении шарика того же
поперечного сечения

Наконец,
сопротивление воздуха сильно зависит и от формы тел (рис. 93, см. также §
190). Фюзеляжу самолета придают специальную обтекаемую форму, при которой
сопротивление воздуха мало. Наоборот, парашютист должен достигать земли с
небольшой скоростью. Поэтому парашюту придают такую форму, при которой сопротивление
воздуха его движению было бы возможно больше. Предельная скорость падения
человека с раскрытым парашютом составляет 5—7 м/с. Достижение предельной
скорости парашютистом происходит иначе, чем при простом падении тела. Вначале
парашютист падает с закрытым парашютом и ввиду малого сопротивления воздуха
достигает скорости в десятки метров в секунду. При раскрытии парашюта сопротивление
воздуха резко возрастает и, превосходя во много раз силу тяжести, замедляет
падение до предельной скорости.

Сопротивление
воздуха изменяет и характер движения тел, брошенных вверх. При движении тела
вверх и сила земного притяжения, и сила сопротивления воздуха направлены вниз.
Поэтому скорость тела убывает быстрее, чем это происходило бы в отсутствие
воздуха. Вследствие этого тело, брошенное вверх с начальной скоростью , не достигает
высоты  (как это было бы
при отсутствии сопротивления) и уже на меньшей высоте начинает падать обратно.
При падении сопротивление воздуха уменьшает нарастание скорости. В результате
тело, брошенное вверх, всегда возвращается назад с меньшей скоростью, чем оно
было брошено. Таким образом, при падении на землю средняя скорость движения
меньше, чем при подъеме, и поэтому время падения на землю больше времени
подъема.

Влияние
сопротивления воздуха особенно велико при больших скоростях (так как сила
сопротивления быстро растет со скоростью). Так, например, при выстреле из винтовки
вертикально вверх пуля, вылетающая с начальной скоростью 600 м/с, должна была
бы в отсутствие воздуха достичь высоты, равной

В
действительности пуля достигает высоты только 2—3 км. При падении обратно
скорость пули возрастает лишь до 50—60 м/с. С этой предельной скоростью пуля и
достигает земли.

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления:

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

Так как сопротивление при нулевой подъёмной силе X{\displaystyle X_{0}} пропорционально квадрату скорости, а индуктивное Xi{\displaystyle X_{i}} — обратно пропорционально квадрату скорости, то они вносят разный вклад при разных скоростях. С ростом скорости X{\displaystyle X_{0}} растёт, а Xi{\displaystyle X_{i}} — падает, и график зависимости суммарного сопротивления X{\displaystyle X} от скорости («кривая потребной тяги») имеет минимум в точке пересечения кривых X{\displaystyle X_{0}} и Xi{\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 аэродинамическим качеством.

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит, и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

Свободное падение тела

Рассмотрим простой пример свободного падения. Пусть некоторое тело падает с высоты h с нулевой начальной скоростью. Допустим мы подняли рояль на высоту h и спокойно отпустили его. 

Свободное падение — прямолинейное движение с постоянным ускорением. Направим ось координат от точки начального положения тела к Земле. Применяя формулы кинематики для прямолинейного равноускоренного движения, можно записать.

h=v+gt22.

Так как начальна скорость равна нулю, перепишем:

h=gt22.

Отсюда находится выражение для времени падения тела с высоты h:

t=2hg.

Принимая во внимание, что v=gt, найдем скорость тела в момент падения, то есть максимальную скорость:

v=2hg·g=2hg.

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.

Сила сопротивления воздуха

При
движении действие силы сопротивления
воздуха обуслов­лено
перемещением частиц воздуха и их трением
о поверхность автомобиля.
Если он движется при отсутствии ветра,
то сила со­противления
воздуха, Н:

Р_в=k_вF_аv2,

тогда как при
наличии ветра

Р_в=k_вF_а(v±v_в)2,

гдеk_в
— коэффициент
сопротивления воздуха (коэффициент
об­текаемости),
Н·с2/м4;F_a—
лобовая площадь автомобиля, м2;v—
скорость
автомобиля, м/с; v_в
— скорость ветра, м/с (знак «+» со­ответствует
встречному ветру, знак «–» — попутному).

Коэффициент
сопротивления воздуха, зависящий от
формы и
качества поверхности автомобиля,
определяется эксперимен­тально
при продувке в аэродинамической трубе.

Коэффициент
сопротивления воздуха, Н·с2/м4,
составляет 0,2…0,35
для легковых автомобилей, 0,35…0,4
— для автобусов и 0,6…0,7
— для грузовых автомобилей. При наличии
прицепов со­противление
воздуха увеличивается, так как возрастает
наружная поверхность
трения и возникают завихрения воздуха
между тяга-

Рис.
3.18. Площади лобового сопротивления
легкового (а)и грузового

(б)
автомобилей

чом
и прицепами. При этом каждый прицеп
вызывает увеличение коэффициентаk_вв
среднем на 15…25 %.

Лобовая
площадь автомобиля зависит от его типа
(рис. 3.18). Ее приближенное
значение, м2,
можно вычислить по следующим фор­мулам:

F_a=BH_a—
для грузовых автомобилей и автобусов;

F_a=
0,78B_aH_a—
для легковых автомобилей,

гдеВ—
колея колес автомобиля, м; Н_а
— наибольшая
высота автомобиля,
м; В_а
— наибольшая
ширина автомобиля, м.

Мощность,
кВт, затрачиваемая на преодоление
сопротивле­ния
воздуха:

–
при
отсутствии ветра;

–
при
отсутствии ветра.

Зависимости
силы сопротивления воздухаР_ви
мощности N_в,необхо­димой
для преодоления этого сопро­тивления,
от скорости автомобиля vприведены
на рис. 3.19.

Рис.
3.19. Зависимости силы сопротивле­ния
воздуха Р_ви
мощности N_в,необхо­димой
для преодоления этого сопротив­ления,
от скорости автомобиля

Сила сопротивления разгону

Сила
сопротивления разгону воз­никает
вследствие затрат энергии на раскручивание
вращающихся частей двигателя
и трансмиссии, а также колес
при движении автомобиля с ускорением.

Сила сопротивления
разгону, Н:

,

Рис.
3.20. Зависимости силы сопротивления
разгону Р_ии
мощностиN_и,необходимой
для
преодоления этого сопро­тивления,
от скорости авто­мобиля

гдеG
— вес
автомобиля, Н; g—
ус­корение силы тяжести, м/с2;
δ_вр
— коэффициент
учета вращающихся масс
автомобиля; j—
ускорение ав­томобиля,
м/с2.

Мощность,
кВт, затрачиваемая на разгон:

Зависимости
силы сопротивления разгону Р_ии
мощности N_и,необходимой
для преодоления этого сопротивления,
от скорости автомобиляvпредставлены
на рис. 3.20.

Лобовое сопротивление и коэффициент Сх

По большей части все работы с кузовом авто направлены на преодоление лобового сопротивления, поскольку именно эта сила самая значительная.

Движение потоков воздуха

За основу при расчетах берется сила сопротивления воздуха. Для вычисления результата используются такие данные как плотность воздуха, площадь поперечной проекции авто, коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх)  — это важнейший показатель в аэродинамике автомобиля. При этом на силу сопротивления в значительной мере влияет также скорость движения. Так, увеличение скорости вдвое будет сопровождаться повышением сопротивлением в 4 раза. Скорость один из мощных факторов увеличения расхода.

Например, для хорошо обтекаемого авто с площадью проекции 2 м2  и коэффициентом 0,3 при движении на скорости 60 км/ч для преодоления сопротивления воздуха необходимо 2,4 л.с., а при скорости 120 км/ч уже 19,1 л.с. Разница расхода топлива при таких условиях достигает 30% на 100 км.

Рассмотрим все по-простому. У воздуха есть своя плотность, причем немалая. При движении автомобилю приходится проходить через имеющиеся воздушные массы, при этом создается поток, который обтекает кузов. И чем легче авто будет «резать» воздушную массу, тем меньше он затратит на это энергии.

Но не все так просто. Во время движения перед авто создается область увеличенного давления (машина сжимает воздушную массу), то есть спереди образуется такой себе невидимый барьер, осложняющий «разрезание» воздушной массы.

Также после обтекания кузова происходит отрыв воздушного потока от поверхности, что становиться причиной появления завихрений и разрежения за авто. В сочетании с повышенным давлением возникающее разрежение еще больше увеличивает сопротивление.

Поскольку повлиять на плотность воздуха невозможно, то конструкторам остается только вносить коррективы в две другие расчетные составляющие – площадь авто и коэффициент аэродинамического сопротивления.

Но уменьшить проекцию авто не представляется особо возможным без ущерба для полезных пространств кузова (просто невозможно сделать авто меньше, чем он есть), поэтому остается только изменение коэффициента Сх.

Этот коэффициент устанавливается экспериментальным путем (в аэродинамической трубе) и характеризует он соотношение лобового сопротивления к скоростному напору и площади поперечного сечения кузова. Величина его безразмерная.

Аэродинамическая труба

Наименьший коэффициент аэродинамического сопротивления имеет каплевидное тело. При движении в воздушной массе такое тело плавно перед собой разводит поток, не создавая области повышенного давления, а имеющийся «хвост» позволяет за собой сомкнуть поток без обрывов и завихрений, то есть разрежение тоже отсутствует. Получается, что воздух просто обтекает тело, создавая минимальное сопротивление. Для такого тела коэффициент Сх составляет всего 0,05.

Конструкторам, работая с аэродинамикой автомобиля добиться, таких показателей пока не удается. И все потому, что при движении сопротивление создается несколькими факторами:

• Формой кузова;
• Трением потока о поверхности при обтекании;
• Попаданием потока в подкапотное пространство и салон.

Поэтому для современных авто коэффициент аэродинамического сопротивления считается отличным, если его значение ниже 0,3. К примеру, у Peugeot 308 коэффициент составляет 0,29, у Audi A2 он равен 0,25, а у Toyota Prius – 0,26. Но стоит отметить, что это расчетные показатели в идеальных условиях. На практике же во время движения на авто воздействуют множество разнообразных факторов, которые негативным образом сказываются на сопротивлении кузова.

Примечательно, что на коэффициент оказывает наибольшее влияние не передок авто, а его задняя часть. И виной этому становится создание разрежения и завихрений в результате отрыва потока от кузова. Поэтому конструкторы по большей части занимаются приданием необходимой формы именно задней части.

Коэффициент сопротивления Volkswagen XL1 составляет всего 0,19

Снизить коэффициент Сх позволяет также уменьшение количества выступающих частей, причем везде на авто (бока, крыша, днище, передок), а тем элементам, которые не удается убрать с поверхности придается максимально возможная обтекаемая форма.

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=CxρV22S{\displaystyle X_{0}=C_{x0}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S}

Cx{\displaystyle C_{x0}} — безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, получается из критериев подобия, например, чисел Рейнольдса и Фруда в аэродинамике.

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 V2/3, где V — объём тела.

Мощность, требуемая для преодоления данной составляющей силы лобового сопротивления, пропорциональна кубу скорости (P=X⋅V=CxρV32S{\displaystyle P=X_{0}\cdot V=C_{x0}{\dfrac {\rho V^{3}}{2}}S}).