Как обозначается сила сопротивления движению

2. Сила трения и сила сопротивления

Сила трения — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого тела и направленная противоположно направлению движения.

Сила трения замедляет движение.
Сила трения появляется всегда, когда соприкасаются поверхности тел, находящихся в движении.
Причины трения:

1. неровности поверхностей соприкосновения;
2. при идеально гладких поверхностях — действие притяжения молекул.

Рис. \(1\). Силы, действующие на тело
Величина силы трения зависит от:
1. свойств соприкасающихся поверхностей;

2. силы, которая давит на поверхность. Чем больше сила, которая прижимает тело к поверхности, тем больше сила трения.

Силу трения между различными поверхностями характеризует коэффициент трения \(\mu\), например:
сталь по стали — \(0,24\);
резина по асфальту — \(0,45\);
резина по мокрому асфальту — \(0,2\).

Трение является полезным , например, без трения мы не смогли бы сделать ни шагу (на льду трение меньше, поэтому идти по нему труднее), сила трения покоя позволяет предметам оставаться на своих местах, не позволяет выскальзывать опорам, которые удерживают на месте шурупы и гвозди, а также нити в тканях. Без трения автомобили и велосипеды не смогли бы двигаться в желаемом направлении.

Трение увеличивают, используя зимние покрышки, зимой посыпая скользкую дорогу песком, используя в механизмах шестерни и т. д.

Однако трение является также и вредным, оно влияет на нагрев и износ находящихся в соприкосновении деталей механизмов.

Это явление устраняют, используя смазочные вещества, заменяя трение скольжения трением качения (используя колёса и подшипники).

В направлении, противоположном движению тела, действует также сила сопротивления среды.
Сила сопротивления

Силу, возникающую при движении тела в газе или в жидкости и препятствующую движению, называют силой сопротивления .

1. Взаимодействие и сила

Представь себя и футбольный мяч. Ты можешь находиться рядом с мячом, но если ты не прикасаешься к нему, тогда взаимодействия между тобой и мячом не происходит. Однако в тот момент, когда ты бьёшь по мячу, он либо начинает движение , либо меняет направление движения , и ещё при этом он деформируется .

Величину взаимодействия тел характеризует физическая величина — сила (\(F\)).
Сила является причиной изменения скорости движения, направления движения или же деформации тела.
Единицей измерения силы является ньютон (Н). Силу измеряют динамометром.
Рис. \(1\). Динамометры

Рис. \(2\). Динамометр общего назначения с пределом измерения \(400\) кН
Силы могут быть различными — как вызывающие движение, так и замедляющие движение.

Сила тяги вызывает движение и поддерживает его. Она действует в направлении движения. Силу тяги может создать, например, двигатель автомобиля, конь, который тянет повозку, человек, который что-либо тянет или толкает.

Сила трения
Сила трения — это сила, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого тела.
Направление силы трения противоположно направлению движения, она замедляет движение.
Рис. \(3\). Силы, действующие на тело
Сила сопротивления

Сила сопротивления действует на тело, движущееся в жидкой или газообразной среде. Она направлена противоположно направлению движения и замедляет движение.

Рис. \(4\). Силы, действующие на тело
Сила упругости

Сила упругости возникает при деформации тела. Она восстанавливает форму и размеры тела. Причиной возникновения силы упругости является взаимодействие молекул или атомов.

Сила упругости возникает при деформации тела (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг).

Силы упругости удерживают тела, которые подвешены на растяжках или укреплены на опорах. Против силы притяжения Земли, которая тянет тело вниз, всегда в противоположном направлении действует такая же по величине сила упругости. Например, мосты удерживает сила упругости, которая уравновешивает силу притяжения Земли.

Рис. \(5\). Мост в г. Сан-Франциско

Рис. 1. Динамометры. © ЯКласс.
Рис. 3. Силы, действующие на тело. © ЯКласс.
Рис. 4. Силы, действующие на тело. © ЯКласс.

Сила сопротивления

При совершенно любом движении будет фиксироваться появление между поверхностями тел или в среде, где оно осуществляется, сил сопротивления. Второе свойственное им название — силы трения.

Определение

Сила трения — сила, которая появляется в момент передвижения одного тела вдоль другого либо в какой-то среде, ведущая к замедлению действия.

Препятствие движению объясняется тем, что силы трения имеют противоположное направление, и в момент, когда движущая сила и силы сопротивления уравновесятся, скорость станет равна 0.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Схематически действие силы трения можно представить на рисунке:

Изображенное здесь тело массой m лежит на ровной поверхности, и на него действуют сила тяжести и уравновешивающая ее сила опоры (N). Направления этих двух сил противоположные, однако, обе — перпендикулярны поверхности.

Сила опоры по своей величине определяется по формуле:

С позиций механики понятно, что для того, чтобы сдвинуть это тело с места, необходимо приложить усилие (P), превосходящее силу трения (F).

Определение

Основателем закона трения считается француз Гийом Амонтон. Согласно его постулатам, F_тр пропорциональна давлению, которое тело оказывает на опору либо на другое тело. Кроме этого, она определяется физическими свойствами контактирующих материалов, но не зависит от величины поверхности соприкосновения.

Как любая другая, сила трения измеряется в Ньютонах (Н).

Разновидности сил сопротивления

Причинами возникновения силы трения являются:

• неровный характер соприкасающихся поверхностей;
• действие межмолекулярных связей (применимо для гладких поверхностей).

В зависимости от этих факторов, а также с учетом характера движения силы сопротивления бывают:

1. Силой качения, которая находится в зависимости от физических свойств опоры, скорости движения, сопротивления воздуха. В формулу для определения силы качения вводится коэффициент f, который уменьшается при росте температуры и давления.
2. Сила сопротивления воздуха (если идет лобовое взаимодействие). Причина ее появления — разница давлений. Чем выше вихреобразование, тем выше этот показатель. Вихреобразование же, в свою очередь, зависит от формы самого движущегося тела.

Передняя часть движущегося тела будет всегда испытывать большее сопротивление воздуха. При закруглениях спереди и сзади плоскостенного тела сопротивление уменьшается на 72%.

Существует понятие электрического сопротивления, под которым понимается свойство проводника препятствовать прохождению тока. Величина, с которой это происходит, равняется частному от деления напряжения на концах к силе тока, протекающему в последовательной цепи.

Как определить силу сопротивление воздуха

При движении тела на него действует лобовое сопротивление воздуха (обозначение — Р_вл). Для его измерения существует формула:

\(P_=С_х\times p\times F_в\times V^2\div2\)

где C_x — коэффициент обтекаемости (при лобовом сопротивлении воздуха), p — плотность среды (в данной ситуации — воздуха), F_в — площадь миделевого сечения.

Наибольшая концентрация силы сопротивления наблюдается в точке, которая не совпадает с центром массы тела. Это — центр парусности.

\(P_j=m\times dV\div dt\)

В этой формуле m обозначает массу автомобиля, а частное изменения скорости по истечению времени — ускорение центра инерции (или центра масс).

Изменение силы в зависимости от скоростей

На малых скоростях движения сила сопротивления всегда определяется вязкостью жидкости, физическими характеристиками движения (в частности — скоростью), размерами самого тела.

Движение при больших скоростях имеет свои особенности. Например, в случае жидкой либо воздушной среды закономерности трения вязкости не работают. Даже при скоростях в 1 см/с их можно применить только для тел, размеры которых измеряются в мм.

Медленно движущееся тело по всей своей длине постепенно обтекается жидкостью, а сила сопротивления, действующая на него, называется силой вязкого трения.

При высокоскоростном движении сзади тела в жидкости возникают струйки, вихреобразные потоки различной мощности, кольца. Картинка этих течений постоянно меняется. Развивается турбулентная система, сопротивление внутри которой зависит от вязкости среды и размеров тела совсем по-другому, чем при вязком.

Такое сопротивление находится в пропорциональной зависимости от квадрата скорости и размеров тела. Кроме того, более значимым, чем вязкость, становится плотность среды.

Такое торможение называется силой турбулентного сопротивления. Она определяется по формуле:

\(F=p\times V^2\times L^2\)

где p — плотность среды, L — размеры тела, V — скорость движения.

Определение силы сопротивления в физике и её формула

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.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

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 \($$F_$$\) , затрачивается работа, которую можно рассчитать по формуле:

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:

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

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:

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:

\($$P=cx\times p\times F_$$\)

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.

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:

где V является скоростью перемещения тела, a — коэффициентом 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:

где V обозначает показатели скорости движения, L — соответствует линейным размерам тела, p — равна плотности среды.