science >> Wetenschap >  >> anders

Berekening van Drag Force

Iedereen is intuïtief bekend met het concept van sleepkracht. Wanneer je door water waait of op een fiets fietst, merk je dat hoe meer werk je uitoefent en hoe sneller je beweegt, hoe meer weerstand je krijgt van het omringende water of de lucht, die beide door de natuurkundigen als vloeistoffen worden beschouwd. Bij afwezigheid van weerstandskrachten kan de wereld worden behandeld voor honkbal-runs van anderhalve meter in honkbal, veel snellere wereldrecords in baan en veld en auto's met een bovennatuurlijk niveau van brandstofverbruik.

Drag forces, being restrictive in plaats van voortstuwend, zijn ze niet zo dramatisch als andere natuurlijke krachten, maar ze zijn van cruciaal belang in de machinebouw en aanverwante disciplines. Dankzij de inspanningen van wiskundig ingestelde wetenschappers is het niet alleen mogelijk om de sleepkrachten in de natuur te identificeren, maar ook om hun numerieke waarden in verschillende dagelijkse situaties te berekenen.

De vergelijking van de sleepkracht

Druk, in de fysica, wordt gedefinieerd als kracht per oppervlakte-eenheid: P = F /A. Door "D" te gebruiken om sleepkracht specifiek weer te geven, kan deze vergelijking worden herschikt naar D = CPA, waarbij C een constante van evenredigheid is die varieert van object tot object. De druk op een object dat door een vloeistof beweegt, kan worden uitgedrukt als (1/2) ρv 2, waarbij ρ (de Griekse letter rho) de dichtheid van het fluïdum is en v de snelheid van het object is.

Daarom, D = (1/2) (C) (ρ) (v 2) (A).

Let op verschillende consequenties van deze vergelijking: de sleepkracht stijgt in directe verhouding tot dichtheid en oppervlak, en het stijgt met het kwadraat van de snelheid. Als u op 10 mijl per uur rijdt, ervaart u vier keer zoveel luchtweerstand als bij 5 mijl per uur, met al het andere constant.

Forceer een vallende object

Een van de bewegingsvergelijkingen voor een object in vrije val uit de klassieke mechanica is v = v 0 + at. Daarin is v = snelheid op tijdstip t, v 0 is beginsnelheid (meestal nul), a is versnelling als gevolg van zwaartekracht (9,8 m /s 2 op aarde), en t is verstreken tijd in seconden. Het is in één oogopslag duidelijk dat een object dat van een grote hoogte valt met steeds toenemende snelheid zou vallen als deze vergelijking strikt waar zou zijn, maar het is niet omdat het sleepkracht negeert.

Wanneer de som van de krachten het handelen op een object is nul, het accelereert niet langer, hoewel het met een hoge, constante snelheid kan bewegen. Een skydiver bereikt dus haar eindsnelheid wanneer de sleepkracht gelijk is aan de zwaartekracht. Ze kan dit manipuleren door haar lichaamshouding, wat A in de weerstandsvergelijking beïnvloedt. Terminal snelheid is ongeveer 120 mijl per uur.

Forceer een zwemmer

Competitieve zwemmers hebben vier verschillende krachten: zwaartekracht en drijfvermogen, die elkaar tegenwerken in een verticaal vlak, en slepen en voortstuwing , die in tegenovergestelde richtingen werken in een horizontaal vlak. In feite is de voortstuwende kracht niets anders dan een sleepkracht uitgeoefend door de voeten en de handen van de zwemmer om de weerstandskracht van het water te overwinnen, die, zoals u waarschijnlijk vermoedde, aanzienlijk groter is dan die van lucht.

Tot 2010 mochten Olympische zwemmers speciaal aërodynamische pakken gebruiken die maar een paar jaar oud waren. Zwemmen's bestuursorgaan verbood de pakken omdat hun effect zo duidelijk was dat wereldrecords werden verbroken door atleten die anders onopvallend (maar nog steeds van wereldklasse) waren zonder de pakken.