Inhalt
- Die Drag Force Gleichung
- Ziehen Sie die Kraft auf ein fallendes Objekt
- Ziehe die Kraft auf einen Schwimmer
Jeder ist intuitiv mit dem Konzept der Widerstandskraft vertraut. Wenn Sie durch Wasser waten oder Fahrrad fahren, bemerken Sie, dass je mehr Arbeit Sie verrichten und je schneller Sie sich bewegen, desto mehr Widerstand erhalten Sie vom umgebenden Wasser oder der Luft, die beide von Physikern als Flüssigkeiten angesehen werden. Ohne Widerstandskräfte könnte die Welt mit 1000-Fuß-Heimrennen im Baseball, viel schnelleren Weltrekorden in Leichtathletik und Autos mit einem übernatürlichen Kraftstoffverbrauch belohnt werden.
Widerstandskräfte, die eher einschränkend als vorantreibend sind, sind nicht so dramatisch wie andere Naturkräfte, aber im Maschinenbau und in verwandten Disziplinen von entscheidender Bedeutung. Dank der Bemühungen mathematisch denkender Wissenschaftler ist es nicht nur möglich, Widerstandskräfte in der Natur zu identifizieren, sondern auch ihre numerischen Werte in einer Vielzahl von Alltagssituationen zu berechnen.
Die Drag Force Gleichung
Druck ist in der Physik definiert als Kraft pro Flächeneinheit: P = F / A. Mit "D", um die Widerstandskraft spezifisch darzustellen, kann diese Gleichung neu angeordnet werden D = CPA, wobei C eine Proportionalitätskonstante ist, die von Objekt zu Objekt variiert. Der Druck auf ein Objekt, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt, kann als (1/2) ρv ausgedrückt werden2, wobei ρ (der griechische Buchstabe rho) die Dichte der Flüssigkeit und v die Geschwindigkeit des Objekts ist.
Deshalb, D = (1/2) (C) (p) (v2)(EIN).
Beachten Sie einige Konsequenzen dieser Gleichung: Die Widerstandskraft steigt in direktem Verhältnis zu Dichte und Oberfläche und mit dem Quadrat der Geschwindigkeit an. Wenn Sie mit 10 Meilen pro Stunde laufen, erleben Sie den vierfachen Luftwiderstand wie mit 5 Meilen pro Stunde, wobei alle anderen Werte konstant bleiben.
Ziehen Sie die Kraft auf ein fallendes Objekt
Eine der Bewegungsgleichungen für ein Objekt im freien Fall aus der klassischen Mechanik ist v = v0 + um. Darin ist v = Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t, v0 ist die Anfangsgeschwindigkeit (normalerweise Null), a ist die Erdbeschleunigung (9,8 m / s)2 auf der Erde) und t ist die verstrichene Zeit in Sekunden. Auf den ersten Blick ist klar, dass ein Objekt, das aus großer Höhe gefallen ist, mit immer größerer Geschwindigkeit fallen würde, wenn diese Gleichung strikt zutrifft. Dies liegt jedoch nicht daran, dass die Widerstandskraft vernachlässigt wird.
Wenn die Summe der auf ein Objekt einwirkenden Kräfte Null ist, beschleunigt es nicht mehr, obwohl es sich mit einer hohen, konstanten Geschwindigkeit bewegen kann. Somit erreicht ein Fallschirmspringer seine Endgeschwindigkeit, wenn die Zugkraft der Schwerkraft entspricht. Sie kann dies durch ihre Körperhaltung beeinflussen, was sich auf A in der Widerstandsgleichung auswirkt. Die Endgeschwindigkeit liegt bei 120 Meilen pro Stunde.
Ziehe die Kraft auf einen Schwimmer
Wettkampfschwimmer sind vier unterschiedlichen Kräften ausgesetzt: Schwerkraft und Auftrieb, die sich in einer vertikalen Ebene entgegenwirken, und Widerstand und Vortrieb, die in einer horizontalen Ebene in entgegengesetzte Richtungen wirken. Tatsächlich ist die Antriebskraft nichts anderes als eine Widerstandskraft, die von den Füßen und Händen des Schwimmers ausgeübt wird, um die Widerstandskraft des Wassers zu überwinden, die, wie Sie wahrscheinlich vermutet haben, erheblich größer ist als die der Luft.
Bis 2010 durften olympische Schwimmer speziell aerodynamische Anzüge tragen, die es erst seit einigen Jahren gab. Schwimmer verbannten die Anzüge, weil ihre Wirkung so ausgeprägt war, dass Weltrekorde von Athleten gebrochen wurden, die ansonsten unauffällig (aber immer noch Weltklasse) ohne die Anzüge waren.