Силы сопротивления среды
Давление в газе или жидкости — это мера силы механического воздействия между элементами данной среды и элементами среды и другими телами. Оно равняется отношению силы к той площади, через которую осуществляется воздействие. Для всякой площадки в среде направление силы действия одного элемента среды на другой только нормальное (перпендикулярное площадке).
В каждой точке среды величина давления одинакова для всех направлений, к которым это давление отнесено. Давление во всех точках среды, лежащих в одной горизонтальной плоскости, одно и то же. Давления по вертикали (в случае покоя среды) распределяются так, что разность давлений (F2—F1) равна весу вертикального столба среды (G).
a—статическая (выталкивающая. Q); б, в— динамические; б-лобового сопротивления,
в - подъемная (Ry) (ориг.)
Человек всегда находится и передвигается в какой-либо среде—либо воздушной, либо водной. Он вступает в механическое взаимодействие со средой. 'Силы ее действия могут проявляться статически (аэро-и гидростатика), например выталкивающая сила (по закону Архимеда), или динамически (аэро- и гидродинамика), например подъемная сила в потоке воздуха или воды.
Выталкивающая сила — это мера действия среды на погруженное в нее тело. Выталкивающая сила равна геометрической (векторной) сумме сил, действующих на все элементы поверхности тела; она всегда равна по модулю весу вытесненного объема жидкости или газа и направлена вверх.
Если тело весит больше, чем вытесненная им вода,то оно будеттонуть; при обратном соотношении будет всплывать.
Когда тело движется в среде, возникают дополнительные силы, зависящие в основном от величины его скорости относительно среды (относительной скорости), формы тела, его ориентации по направлению относительного движения и свойств среды.
Движение тела в среде (или среды относительно тела) характеризуется линиями тока. Это линии, в каждой точке которых скорость частиц среды касательна. Скорости касательны и к линиям тока, и к траекториям частиц. Но линии тока характеризуют направления скорости разных частиц в данный момент времени, а траектории — направления скорости одних и тех же частиц в различные моменты времени. Только при постоянном распределении скоростей линии тока и траектории частиц совпадают.Тело полностью обтекаемо, если линии тока расположены одинаково сверху и снизу тела, а также спереди и сзади. Правда, давление на тело с разных сторон различно. По закону Бернулли, где скорость потока возрастает, давление уменьшается, и наоборот. Именно этим и объясняются изменения давлений (дополнительные силы).
Но это объяснение достаточно только для идеальной среды, в которой отсутствует внутреннее трение (вязкость). Вследствие вязкости обтекание всегда неполное, и поэтому возникает лобовое сопротивление.
Лобовое сопротивление — это сила, с которой среда препятствует относительному движению в ней тела.Лобовое сопротивление при относительно небольших скоростях приближенно равно произведению площади поперечного сечения тела, коэффициента лобового сопротивления, плотности среды и квадрата относительной скорости:Rx=SCxrv2,где S — площадь поперечного сечения (миделево сечение, или мидель1), равная площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную потоку; Сx — коэффициент лобового сопротивления, который зависит от формы тела (обтекаемости) и его ориентации относительно потока;
r — плотность среды (воды — 1000 кг/м3, воздуха — 1,3 кг/м3; разница в плотности этих сред—почти в 780 раз); v—относительная скорость потока и тела.
Перед телом давление повышено, так как скорость тока снижена (поджатие). Сзади тела силы трения вызывают отрыв потока от стенок тела, возникают завихрения, создается зона пониженного давления (разрежение). Равнодействующая сил давления на тело спереди исзади направлена назад и тормозит движение тела.
Тело с более обтекаемой формой имеет меньше завихрений сзади. Поэтому сопротивление среды может в зависимости от формы тела снизиться при прочих равных условиях в десятки раз (см. рис. 31, б).
Таким образом, лобовое сопротивление зависит от разности давлений спереди и сзади тела в потоке (сопротивление формы) и трения между телом и пограничным слоем среды (сопротивление трения).
Когда поверхность тела образует угол с направлением потока (угол атаки а), возникает еще подъемная сила (R„, см. рис. 31, в). При этом давление снизу тела несколько больше давления в потоке, а давление сверху тела намного меньше; тело не столько подпирается снизу, сколько «подсасывается» кверху.
Подъемная сила — это сила, действующая со стороны среды на тело, расположенное под углом к потоку. Подъемная сила зависит от тех же факторов, что и лобовое давление: Ry=SCyrv2, где Су — коэффициент подъемной силы.
Подъемная сила увеличивается в известных пределах с увеличением угла атаки, а потом начинает падать.
Равнодействующая лобового давления и подъемной силы (она же равнодействующая сил давления и трения) при движении в воздухе называется полной аэродинамической силой.
Лобовое сопротивление среды тормозит продвижение вперед, например, при полете, плавании, скольжении, беге. Подъемная сила поддерживает тело, например тело прыгуна на лыжах с трамплина в полете, пловца в воде при продвижении его по дистанции.
Реакции опоры
Реакции опоры — это мера противодействия опоры при давлении на нее со стороны покоящегося или движущегося при контакте с ней тела. Реакция опоры равна по величине силе, с которой тело действует на опору, направлена в противоположную этой силе сторону и приложена к телу в той точке, через которую проходит линия силы, действующей на опору.
Нормальная(или идеальная) реакция опоры при действии веса тела на горизонтальную поверхность направлена вертикально вверх. Во всех случаях она перпендикулярнаплоскости, касательной той поверхности, которая служит опорой в точке приложения силы.
Человек может оказывать действие на опору не только по нормали к ней, но и под острым углом.Тогда направление полной реакции опоры не совпадает с нормалью. Горизонтальная составляющая полной реакции опоры называется силой трения, если поверхности, соприкасающиеся при опоре, ровные (без выступов).
Рис. 32. Силы опорной реакции:
1, 6 — статические; 2, 4 — уменьшенные; 3, 5 — увеличенные (ориг.)
Человек, находящийся на опоре (нижней или верхней), действует на нее статическим весом. В этом случае реакция опоры статическая и равна весу тела (рис. 32). При движении с ускорением частей тела человека, опирающегося на опору, возникает сила инерции тела человека, которая геометрически суммируется с его весом. Увеличенную или уменьшенную опорную реакцию обычно называют динамической. Но правильнее говорить здесь о добавлении к статической еще и динамической составляющей опорной реакции, вызванной теми усилиями, которые определяют ускорение тела.
Линия действия силы опорной реакции при неподвижном положении тела на опоре или же под опорой проходит через ОЦТ тела человека. Однако при движениях человека линия действия как нормальной, так и полной опорной реакции (равнодействующая нормальной реакции и силы трения по всем направлениям) почти никогда не проходит через ОЦТ.
Для анализа действия сил на наклонной плоскости опорная реакция может быть разложена на нормальную составляющую (перпендикулярную плоскости) и касательную составляющую (параллельную плоскости). Первая противодействует нормальной составляющей силы тяжести, вторая (сила трения) — силе, вызывающей скольжение тела.
Силы трения
Сила трения — это мера противодействия движению, направленному по касательной к поверхности прикасающегося тела. Величина силы трения (как составляющей реакции поверхности связи) зависит от воздействия движущегося или смещаемого тела; она направлена против скорости или смещающей силы и приложена в месте соприкосновения.
Силы трения (касательные реакции) возникают между соприкасающимися телами во время их движения друг относительно друга (рис. 33)
Рис. 33. Силы трения (Т):
a-скольжения динамическая; б — скольжения статическая; в — момент трения качения (ориг.)
Различают три вида трения: трение скольжения, качения и верчения. При скольжении движущееся тело соприкасается с неподвижным одной и той же частью своей поверхности (лыжа скользит по снегу). При качении точки движущегося тела соприкасаются с другим телом поочередно (колесо велосипеда катится по треку). Верчение характеризуется движением на месте вокруг оси (волчок).
Сила трения скольжения динамическая (движения) проявляется при движении тела, приложена к скользящему телу и направлена в сторону, противоположную относительной скорости его движения.Динамическая сила трения скольжения не зависит от величины движущей силы и приближенно пропорциональна динамическому коэффициенту трения скольжения (kдин) и силе нормального давления на опору (N): Tдин=kдинN
Когда поверхности полностью разделены слоем смазки, то проявляется жидкостное трение1 Оно существует между слоями жидкости, а также между жидкостью и твердым телом. В противоположность сухому трению (между твердыми телами без смазки), жидкостное трение проявляется только тогда, когда есть скорость. С остановкой движущихся тел жидкостное трение исчезает, поэтому даже самая малая сила может сообщить скорость слоям жидкой среды, например при движении твердого тела в воде.
Иная картина при сухом трении. Если приложить движущую силу к покоящемуся телу, то она сможет сдвинуть тело с места лишь тогда, когда станет больше силы трения покоя, препятствующей движению. Таким образом, сухое трение и жидкостное принципиально различны.
Сила трения скольжения статическая (покоя) проявляется в покое, приложена к сдвигаемому телу, направлена в сторону, противоположную сдвигающей силе. Статическая сила трения скольжения равна сдвигающей силе, но не может быть больше предельной2; последняя пропорциональна статическому коэффициенту трения скольжения (kст) и силе нормального давления (N): Тст=kстN
Стало быть, статическая сила трения покоя может иметь величину от нулевой до предельной (неполная и полная). Минимальная сдвигающая сила, приводящая тело в движение, больше предельной силы трения покоя.
Отношение между величиной нормальной опорной реакции (равной силе нормального давления) и предельной силой трения покоя равно тангенсу угла (а), который называется углом трения (или углом сцепления) (см. рис. 33, б).
Тангенс угла сцепления равен коэффициенту трения покоя. Фактический угол силы давления на опору в покое не может быть больше, чем угол трения. Это значит, что, пока линия действия силы, приложенной к телу, проходит внутри угла трения, тело не может быть сдвинуто с места. Лишь когда линия действия силы окажется за пределами угла трения, тело будет сдвинуто.
На горизонтальной поверхности сила нормального давления обычно представлена статическим или динамическим весом (человек неподвижен или отталкивается от опоры). Но могут быть и другие источники нормального давления, например при давлении, оказываемом ногами и спиной альпиниста на стенки камина (вертикальной расщелины в скалах),
Дата добавления: 2016-02-09; просмотров: 2847;