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.

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.