2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Движение тел в жидкостях и газах Сила сопротивления

§ 3.15. Сила сопротивления при движении тел в жидкостях и газах

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.

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.

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.

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 • с 2 /м 2 = = 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.

Движение тел в жидкостях и газах

При движении тела в жидкости или газе на него действуют силы, равнодействующую которых мы обозначим буквой (рис. 41). Силу можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена в сторону, противоположную движению тела (или в сторону движения потока, на бегающего на тело), а вторая перпендикулярна к этому направлению. Составляющие и называются соответственно лобовым сопротивлением и подъемной силой. Очевидно, что на тело, симметричное относительно направления движения, может действовать только лобовое сопротивление, подъемная же сила в этом случае будет равна нулю.

При постоянной скорости движения тела относительно жидкости сила, действующая не тело, будет в соответствии с принципом относительности Галилея такая же, как и в случае движения жидкости с той же скоростью относительно неподвижного тела. Рис. 41 соответствует последнему случаю.

Как показывают расчеты, в идеальной жидкости равномерное движение тел должно было бы происходить без лобового сопротивления. Не обладая вязкостью, идеальная жидкость должна свободно скользить по поверхности тела, полностью обтекая его. На рис. 42а показаны линии тока при обтекании очень длинного («бесконечного») цилиндра идеальной жидкостью. Вследствие полного обтекания картина линий тока оказывается совершенно симметричной как относительно прямой, про­ходящей через точки А и В, так и относительно прямой, проходящей через точки С и D. Поэтому давление вблизи точек А и В будет одинаково (и больше, чем в невозмущенном потоке, так как скорость вблизи этих точек меньше); точно так же давление вблизи точек С и D тоже будет одинаково (и меньше, чем в невозмущенном потоке, так как скорость вблизи этих точек больше). Следовательно, результирующая сил давления на поверхность цилиндра (которая при отсутствии вязкости могла бы обусловить лобовое сопротивление), очевидно, будет равна нулю. Такой же результат получается и для тел другой формы.

Обтекание цилиндра идеальной (а) и неидеальной (б) жидкостью

Иначе протекают явления при движении тела в жидкости, обладающей вязкостью. В этом случае очень тонкий слой жидкости прилипает к поверхности тела и движется с ним как одно целое, увлекая за собой из-за трения последующие слои. По мере удаления от поверхности тела скорость слоев становится все меньше и, наконец, на некотором расстоянии от поверхности жидкость оказывается практически невозмущенной движением тела. Таким образом, тело оказывается окруженным слоем жидкости, в котором имеется градиент скорости. Этот слой называется пограничным. В нем действуют силы трения, которые в конечном итоге оказываются приложенными к телу и приводят к возникновению лобового сопротивления. Но дело не исчерпывается только этим. Наличие пограничного слоя в корне изменяет характер обтекания тела жидкостью. Полное обтекание становится невозможным. Действие сил трения в поверхностном слое приводит к тому, что поток отрывается от поверхности тела, в результате чего позади тела возникают вихри (см. рис. 42б, на котором показано обтекание цилиндра вязкой жидкостью). Вихри уносятся потоком и постепенно затухают вследствие трения; при этом энергия вихрей расходуется па нагревание жидкости. Давление в образующейся за телом вихревой области оказывается пониженным, поэтому результирующая сил давления будет отлична от нуля, в свою очередь обусловливая лобовое сопротивление.

Читать еще:  Фильтр воздушный камаз

Таким образом, лобовое сопротивление складывается из сопротивления трения и сопротивления давления. При данных поперечных размерах тела сопротивление давления сильно зависит от формы тела. По этой причине его называют также сопротивлением формы. Наименьшим сопротивлением давления обладают тела хорошо обтекаемой каплевидной формы (рис. 43а). Такую форму стремятся придать фюзеляжу и крыльям самолетов; кузову автомобилей и т. п.

Соотношение между сопротивлением трения и сопротивлением давления определяется значением числа Рейнольдса (105). В данном случае l — некоторый характерный размер тела (например, радиус для тела шаровой формы), v — скорость тела относительно жидкости.

При малых Re основную роль играет сопротивление трения, так что сопротивление давления можно не принимать во внимание. При увеличении Re роль сопротивления давления все больше растет. При больших значениях Re в лобовом сопротивлении преобладают силы давления.

Определяя характер сил, действующих на тело в потоке, число Рейнольдса может служить критерием подобия явлений и в этом случае. Это обстоятельство используется при моделировании. Например, модель самолета будет вести себя в потоке газа таким же образом, как и ее прообраз, если кроме геометрического подобия модели и самолета будет соблюдено также равенство для них чисел Рейнольдса.

Движение тел в жидкостях и газах

Одной из важнейших задач аэро- и гидродинамики является исследование движе­ния твердых тел в газе и жидкости, в частности изучение тех сил, с которыми среда действует на движущееся тело. а проблема приобрела особенно большое значение в связи с бурным развитием авиации и увеличением скорости движе­ния морских судов.

На тело, движущееся в жидкости или газе, действуют две силы (равнодействующую их обозначим ), одна из которых ( ) направлена в сторону, противопо­ложную движению тела (в сторону по­тока),- лобовое сопротивление,а вторая ( ) перпендикулярна этому направле­нию — подъемная сила(рис.6.9).

Если тело симметрично и его ось сим­метрии совпадает с направлением скоро­сти, то на него действует только лобовое сопротивление, подъемная же сила в этом случае равна нулю. Можно доказать, что в идеальной жидкости равномерное движение происходит без лобового сопро­тивления. Если рассмотреть движение ци­линдра в такой жидкости, то картина линий тока симметрична как от­носительно горизонтального, так и относительно вертикального направлений, т. е. ре­зультирующая сила давления на повер­хность цилиндра будет равна нулю.

Иначе обстоит дело при движении тел в вязкой жидкости (особенно при увеличе­нии скорости обтекания). Вследствие вяз­кости среды в области, прилегающей к по­верхности тела, образуется пограничный слой частиц, движущихся с меньшими ско­ростями. В результате тормозящего дейст­вия этого слоя возникает вращение частиц и движение жидкости в пограничном слое становится вихревым. Если тело не имеет обтекаемой формы (нет плавно утончаю­щейся хвостовой части), то пограничный слой жидкости отрывается от поверхности тела. За телом возникает течение жидко­сти (газа), направленное противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся по граничный слой, следуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противо­положные стороны (рис.6.10).

Лобовое сопротивление зависит от формы тела и его положения относительно потока, что учитывается безразмерным ко­эффициентом сопротивления Сx, определя­емым экспериментально:

Rx = Cx S, (6.15)

где ρ— плотность среды; υ — скорость движения тела; S — наибольшее попере­чное сечение тела.

Составляющую Rx можно значитель­но уменьшить, подобрав тело такой фор­мы, которая не способствует образованию завихрения.

Подъемная сила может быть определе­на формулой, аналогичной (6.15):

Ry = Cy S, (6.16)

где Су безразмерный коэффициент подъемной силы.

Основы молекулярной физики и термодинамики

ГЛАВА 7.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО-

КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Введение

Молекулярная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Идея об атомном строении вещества высказана древнегреческим философом Демокритом Атомистика возрождается в XVII в. и развивается в работах М. В. Ломоносова, взгляды которого на строение вещества и тепловые явления были близки к современным. Строгое развитие молекулярной теории относится к середине XIX в. и связано с работами немецкого физика Р. Клаузиуса, Дж. Максвелла и Л. Больцмана.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совместного действия большого числа молекул. Законы поведения огромного числа молекул изучаются с помощью статистического метода. Этот метод основан на том, что свойства макроскопической системы определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненнымизначениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью хаотического движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена через среднее значение скорости молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Таким образом, макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

Температура — одно из основных понятий, играющих важную роль не только в термодинамике, но и в физике в целом. Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Всоответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам в настоящее время можно применять только две температурные шкалы — термодинамическую и Международную практическую,градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С). В Международной практической шкалетемпература замерзания и кипения воды при давлении 1,013· 10 5 Па соответственно 0 и 100°С (реперныеточки).

Термодинамическая шкалаопределяется по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды(температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии). Температура этой точки по термодинамической шкале равна 273,15 К. Градус Цельсия равен кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды равна 273,15 К (при том же давлении, что и в Международной практической шкале), поэтому термодинамическая температура и температура по Международной практической шкале связаны соотношением

Температура T=0 К называется нулем кельвин.Анализ различных процессов показывает, что 0 К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Читать еще:  Почему свистит ремень генератора при запуске двигателя или кондиционера

В молекулярно-кинетической теории пользуются идеализированной модельюидеального газа,согласно которой считают, что:

1) собственный объем молекул газа мал по сравнению с объемом сосуда;

2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;

3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как они при нормальным условиях, а также при низких давлениях и высоких температурах, близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся поправки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов.

Презентация по физике на тему «Сила сопротивления в газах и жидкостях» (10 класс)

Идёт приём заявок

Подать заявку

Для учеников 1-11 классов и дошкольников

Описание презентации по отдельным слайдам:

Сила сопротивления при движении твердых тел в жидкостях и газах

Дома: § 37-38 заполнить таблицу

Название силы природа Опреде-ление Направ-ление От чего зависит формулы Сила тяжести гравита-ционная F=mg F=Gm1m2/r² (законвсемирного тяготения) Сила упругости Электро-магнитная От жесткости и удлинения тела Сила трения Электро-магнитная Силасопротив-ления Электро-магнитная

Трение в жидкостях и газах называется жидким трением Сила сопротивления возникает при движении твердых тел в жидкости и газе

Сила сопротивления направлена против движения

Трение становится жидким при использовании смазки

Смазка уменьшает силу трения скольжения за счет замены сухого трения жидким вода-смазка

При вылете ядра из ствола на него действует сила сопротивления воздуха

Сила трения покоя в жидкостях и газах отсутствует F Fтр.покоя в о д а

Течение, сопровождающееся образованием вихрей, называется турбулентным. При небольших скоростях токи вокруг тела спокойны и правильны (рис. a), а трение пропорционально скорости тела. При увеличении скорости наступает момент, когда возникают вихри (рис. b), трение быстро возрастает. Образование вихрей позади предмета вызывает увеличение трения по сравнению со спокойным движением.

При большой скорости вихри возникают по разные стороны движущегося тела

Сила сопротивления зависит от размеров и формы тела

Для уменьшения силы сопротивления форма тела должна быть обтекаемой

движется в воздухе движется в вакууме

Крыло самолета Крыло птицы

Сила сопротивления связана со степенью шероховатости поверхности твердого тела

Сила сопротивления связана с площадью поперечного сечения Скорость падения человека без парашюта 50м/с уменьшается до 7м/с

Сила сопротивления связана с площадью поперечного сечения

Сила сопротивления среды зависит от относительной скорости тела и среды 0 Fс v

При небольших скоростях Fс = к1v При больших скоростях Fс = к2v²

Сила сопротивления связана с вязкостью среды (способностью оказывать сопротивление движению) Вязкость газа меньше вязкости жидкости!

  • Коновалова Наталья Дмитриевна
  • Написать
  • 3132
  • 10.09.2016

Номер материала: ДБ-184871

  • 10.09.2016
  • 1387
  • 10.09.2016
  • 557
  • 10.09.2016
  • 246
  • 10.09.2016
  • 3326
  • 10.09.2016
  • 2262
  • 10.09.2016
  • 581
  • 10.09.2016
  • 4024

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Движение тел в жидкостях и газах.

При движении симметричных тел в жидкостях и газах возникает сила лобового сопротивления, направленная противоположно скорости движения тела. При ламинарном обтекании шара линии тока расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через его центр и перпендикулярной к его скорости. Следовательно, согласно уравнению Бернулли, и давление жидкости будет симметричным относительно этой плоскости, силы давления с обеих сторон шара будут уравновешиваться, и сила сопротивления должна быть равна нулю — парадокс Даламбера. Однако это справедливо лишь при отсутствии сил вязкости в жидкости. При ламинарном обтекании тела жидкостью сила лобового сопротивления полностью зависит от сил вязкости. Стокс, проведя расчеты, получил формулу для силы сопротивления движению шара

где r — радиус шара; v — его скорость; h — коэффициент вязкости.

При возрастании скорости движения тела, начиная с некоторого значения числа Рейнольдса, обтекание тела становится турбулентным, в поверхностном слое поток отрывается от поверхности тела, в результате чего позади тела возникают вихри. Давление в образующейся за телом вихревой области в согласии с уравнением Бернулли оказывается пониженным, поэтому результирующая сила будет отлична от нуля и лобовое сопротивление увеличится.

При обтекании несимметричных тел кроме силы лобового сопротивления возникает подъемная сила. Например, для крыла самолета скорость обтекания его верхней части существенно больше, чем нижней. Согласно уравнению Бернулли давление воздуха в нижней части крыла будет больше, чем сверху. В результате возникает подъемная сила крыла самолета.

Всемирное тяготение.

Законы Кеплера.

К началу 17 столетия большинство ученых окончательно убедилось в справедливости гелиоцентрической системы мира. Однако ученым того времени не были ясны ни законы движения планет, ни причины, определяющие характер их движения.

Иоганн Кеплер (1571-1630) – немецкий астроном, обработав результаты многочисленных наблюдений, проведенных Тихо Браге и им самим, получил законы движения планет вокруг Солнца.

I закон: – Каждая планета движется вокруг Солнца по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. (В 1 ом приближении орбиты можно считать круговыми).

II закон: – Радиус-вектор планеты (т.е. вектор, проведенный от Солнца к планете) за равные промежутки времени описывает равные площади.

III закон: – Квадраты периодов обращения любых двух планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Принимая для простоты, что орбиты являются окружностями (практически это допустимо), ускорение с которым движется планета, можно записать в виде , где v – скорость движения планеты, R – радиус орбиты.

Заменив v через 2pR/T (где T – период обращения планеты вокруг Солнца), получим

(6.1)

Замечание: Равномерное движение тела по окружности характеризуется центростремительным ускорением (точнее нормальной составляющей полного ускорения). Сила, любой природы, вызывающая это ускорение, называется центростремительной. Она приложена к телу, направлена к центру окружности и согласно II закону Ньютона равна . Fц создается связью, удерживающей тело на окружности.

На основании выражения (6.1) отношение сил, действующих на планеты со стороны Солнца, запишем в виде:

Читать еще:  Как выглядит дубликат ПТС фото образец

.

Согласно III закону Кеплера: . Тогда после подстановки получим: или .

Таким образом, из III закона Кеплера следует, что сила, с которой планета притягивается к Солнцу, пропорциональна массе планеты и обратно пропорциональна квадрату ее расстояния до Солнца, т.е. .

Предположив, что коэффициент пропорциональности k в свою очередь пропорционален массе Солнца Mc, Ньютон пришел к формуле

Впоследствии было обнаружено, что поле тяготения и сила тяготения существуют между любыми телами и тогда закон всемирного тяготения запишется в виде:

(6.2)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: сила, с которой два тела притягивают друг друга, пропорциональна массам этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

g – коэффициент пропорциональности (гравитационная постоянная).

Физический смысл гравитационной постоянной. Если положить m1, m2, r равными «1», то сила оказывается численно равна g. Таким образом, два шара с массой 1кг каждый, центры которых отстоят друг от друга на расстоянии 1м, притягиваются взаимно с силой 6,67×10 -11 Н.

Закон всемирного тяготения в формулировке (6.2) применим телам, которые можно рассматривать как материальные точки. Для определения силы взаимодействия тел, которые не могут рассматриваться как материальные точки, их нужно разбить на элементарные массы Dm, т.е. небольшие объемы, каждый из которых можно было бы принять за материальную точку.

Проведенные вычисления значения “g” было определено опытным путем измерения силы, с которой притягиваются друг к другу тела известной массы. При таких измерениях возникают большие трудности, т.к. для тел, массы которых могут быть непосредственно измерены, сила притяжения оказывается крайне малой. Так, например, два тела с массой 100 кг каждое, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой порядка 10 ‑6 Н, т.е.

Опыт Кавендиша.

Первой успешной попыткой определения «g» были измерения, осуществленные Кавендишем (1798г.), который применил для измерения сил весьма чувствительный метод крутильных весов (рис. 6.1). Два свинцовых шарика m (массой 729г каждый), прикрепленных к концам легкого коромысла, помещались вблизи симметрично расположенных шаров M (с массой по 158кг). Коромысло подвешивалось на упругой нити, по закручиванию которой можно было измерить силу притяжения шаров друг к другу. Верхний коней нити был закреплен в установочной головке, поворотом которой можно было менять расстояние между шарами m и M.

Также следует знать, что II-закон Кеплера является следствием закона сохранения момента импульса. Из рис. 6.2 видно, что описанная радиус-вектором за время dt площадь dS равнаполовине произведения основания треугольникаvdt на высоту треугольника l, котораясовпадает с плечом импульса планеты по отношению к Солнцу:

(L – момент импульса планеты, равный m·v·l).

Выражение называется секториальной скоростью. Таким образом,

.

Момент импульса в центральном поле сил остается постоянным, следовательно, и секториальная скорость планеты должна быть постоянной. Это означает, что за равные промежутки времени радиус-вектор будет описывать одинаковые площади.

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Движение тел в жидкостях и газах. Сила сопротивления

Во всех реальных жидкостях при перемещении одних слоев относительно других возникают более или менее значительные силы трения.

Со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Со стороны же слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая сила. Это внутреннее трение называется вязкостью жидкости или газа. Эти силы направлены по касательной к поверхности слоев. Пусть между двумя плоскостями находится слой жидкости (рис. 1); верхняя плоскость движется относительно нижней со скоростью (

vec upsilon). Мысленно разобьем жидкость на очень тонкие слои параллельными плоскостями, отстоящими на расстоянии Δx друг от друга. Слои жидкости, касающиеся твердых тел, прилипают к ним. Промежуточные слои имеют распределение скоростей, изображенных на рис. 1. Пусть разность скоростей между соседними слоями (

Delta vec upsilon). Величина (

frac), которая показывает, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою, называется градиентом скорости.

Расчеты показывают, что сила внутреннего трения между соседними слоями жидкости тем больше, чем больше площадь поверхности соприкосновения слоев, и зависит от быстроты изменения скорости при переходе от слоя к слою в направлении оси Ox, перпендикулярной скорости движения слоев:

где S — площадь соприкосновения слоев, η — коэффициент внутреннего трения, или вязкость жидкости, (

Вязкость зависит от температуры. С ростом температуры вязкость жидкости уменьшается.

При движении твердого тела в жидкости или газе также возникает сила сопротивления движению, которую называют силой вязкого трения. Но в отличие от сухого трения в жидкостях и газах отсутствует сила трения покоя. Наличие силы сопротивления движению тела в среде объясняется существованием внутреннего трения, обусловленного относительным движением слоев жидкости или газа.

Установлено, что сила вязкого трения зависит от скорости движения тела. Зависимость проекции силы вязкого трения от скорости показана на рисунке 2.

Если скорость движения тела невелика, то сила сопротивления прямо пропорциональна модулю скорости: Fc = , где k — коэффициент пропорциональности, который зависит от рода вязкой среды, формы и размеров тела. Если скорость движения тела возрастает, то возрастает и сила сопротивления:

F_c = k upsilon^n), где n = 2, 3.

При увеличении скорости движения тела в жидкости или газе появляются вихри, тормозящие движение: вследствие вязкости в области, прилегающей к поверхности тела, образуется пограничный слой частиц, движущихся с меньшими скоростями. В результате тормозящего действия этого слоя возникает вращение частиц, и движение жидкости в пограничном слое становится вихревым. Если тело не имеет обтекаемой формы, то пограничный слой жидкости отрывается от поверхности тела. За телом возникает течение жидкости (газа), направленное противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся пограничный слой, следуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противоположные стороны, (рис. 3, б). Жидкость, вращающаяся в вихре, движется быстрее жидкости в стационарном потоке (рис. 3, а). Поэтому с задней стороны обтекаемого тела, где образовались вихри, давление становится меньше, чем с передней. Разность давлений впереди и позади движущегося тела и создает сопротивление движению тела. В итоге с увеличением скорости сила сопротивления растет нелинейно (см. рис. 2).

Сила сопротивления зависит от формы тела. Придание телу специально рассчитанной обтекаемой формы существенно уменьшает силу сопротивления, так как в этом случае жидкость всюду прилегает к его поверхности и позади него не завихрена (рис. 3, в).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 108-110.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector