Перетащите (физика) - Drag (physics)


Из Википедии, свободной энциклопедии
Форма и поток Форма
Drag
Кожа
трения
Flow plate.svg 0% 100%
Flow foil.svg ~ 10% ~ 90%
Flow sphere.svg ~ 90% ~ 10%
Поток пластины perpendicular.svg 100% 0%

В динамике жидкости , сопротивление (иногда называемое сопротивление воздуха , тип трения , или сопротивление жидкости , другой тип трения или жидкостного трения) является силой , действующей противоположно относительного движения любого объекта , движущегося по отношению к окружающей жидкости. Это может существовать между двумя слоями жидкости (или поверхностями) или жидкостью и твердой поверхностью. В отличии от других сил сопротивления, таких как сухое трение , которые почти не зависят от скорости, силы сопротивления зависят от скорости. Сила сопротивления пропорциональна скорости для ламинарного потока и квадрата скорости для турбулентного потока . Несмотря на то, в конечном итоге причиной сопротивления является вязким трением, турбулентное сопротивление не зависит от вязкости .

Перетащите силы всегда уменьшить скорость жидкости относительно твердого объекта в жидкости по пути .

Примеры сопротивления

Примеры сопротивления включают компонент чистой аэродинамическую или гидродинамическую силы , действующую противоположно направление движения твердого объекта , такие как автомобили, самолеты и корпуса лодок; или действуя в том же географическом направлении движения , как твердый, так как для парусов , прикрепленных к вниз ветра паруса лодки, или в промежуточных направлениях на парус в зависимости от точек паруса. В случае вязкого сопротивления жидкости в трубе , сила сопротивления на неподвижной трубы уменьшается скорость жидкости по отношению к трубе.

В физике спорта, сила сопротивления необходимо объяснить производительность бегунов, особенно спринтеры.

Виды сопротивления

Виды сопротивления, как правило, делятся на следующие категории:

Фраза паразитарные сопротивления в основном используется в аэродинамике, так как для подъема крыльев перетащить его в целом мал по сравнению с приподнять. Для обтекания обтекаемых тел , формы и вмешательства тащит часто доминирует, а затем спецификатор «паразитный» не имеет смысла.

Кроме того, подъем-индуктивное сопротивление имеет значение только тогда , когда крылышки или их подъем тела присутствуют, и поэтому , как правило , обсуждается либо в авиации , или в конструкции пола-строгальных или строгальных корпусов . Волна сопротивления происходит либо , когда твердый объект движется через жидкость на или вблизи скорости звука или когда твердый объект движется вдоль границы жидкости, как и в поверхностных волнах .

Коэффициент аэродинамического сопротивления C d для сферы в зависимости от числа Рейнольдса Re , как получено из лабораторных экспериментов. Темная линия для сферы с гладкой поверхностью, а зажигалка линии для случая шероховатой поверхности.

Перетащите зависит от свойств жидкости и от размера, формы и скорости объекта. Один из способов выразить это с помощью уравнения сопротивления :

где

является силой сопротивления ,
это плотность жидкости,
это скорость объекта относительно текучей среды,
это площадь поперечного сечения , и
является коэффициент аэродинамического сопротивления - это безразмерное число.

Коэффициент сопротивления зависит от формы объекта и от числа Рейнольдса

,

где некоторый характерный диаметр или линейный размер и является кинематическая вязкость жидкости (равной вязкости , деленной на плотность). При низких , асимптотически пропорционально , что означает , что сопротивление линейно пропорциональна скорости. При высоких , более или менее постоянным и сопротивление будет изменяться пропорционально квадрату скорости. График справа показывает , как изменяется с для случая сферы. Так как мощность , необходимая для преодоления силы сопротивления является произведением скорости раз сила, мощность , необходимая для преодоления сопротивления будет изменяться пропорционально квадрату скорости при низких числах Рейнольдса и , как кубу скорости при больших числах.

Это может быть продемонстрировано , что сила сопротивления может быть выражена в виде функции безразмерного числа, которое по размерам идентичен номеру Бежан. Следовательно, сила сопротивления и коэффициент сопротивления ван быть функцией числа Бежан. В самом деле, из выражения силы сопротивления оно было получено:

и , следовательно , позволяет выражающему коэффициент лобового сопротивления в зависимости от числа Бежан и соотношение между влажной областью и передней областью :

где это Reynold Количество жидкости , связанные с длиной пути L.

Перетащите на высокой скорости

Объяснение сопротивления от НАСА .

Как упоминалось выше, уравнение сопротивления с постоянным коэффициентом сопротивления дает силу испытываемых объекта , движущегося через жидкость при относительно большой скорости (т.е. высоким числом Рейнольдса , Re> ~ 1000). Это также называется квадратичной сопротивление . Уравнение приписывается Рэлей , которые первоначально использовался L 2 вместо A ( L будет некоторая длиной).

см вывод

Эталонную область часто ортогональная проекция объекта (лобной области) -он в плоскости , перпендикулярной направлению движения-например , для объектов с простой формы, такие как сферы, это поперечное сечение , площадь. Иногда тело представляет собой композит из различных частей, каждый с различными опорными областями, причем в этом случае должен быть определен коэффициент сопротивления , соответствующий каждый из этих различных областей.

В случае крыла опорных участки одинаковы и сила сопротивления находится в том же отношении к подъемной силе , как отношение коэффициента сопротивления , чтобы поднять коэффициент . Таким образом, ссылка на крыле часто зона подъема ( «площадь крыла») , а не площадь лобовой поверхности.

Для объекта с гладкой поверхностью, и нефиксированными точками отрыва -подобной сферы или кругового цилиндром-коэффициентом сопротивления может меняться в зависимости от числа Рейнольдса R е , вплоть до очень высоких значений ( R е от порядка 10 7 ). Для объекта с четко определенными фиксированными точками разделения, как круговой диск с его плоскостью , нормальной к направлению потока, коэффициент сопротивления является постоянным для R х  > 3500. Далее коэффициент сопротивления С г , в общем, зависит от ориентации потока по отношению к объекту (кроме симметричных объектов как сферы).

Мощность

В предположении , что жидкость не движется по отношению к используемой в настоящее время системы отсчета, то мощность , необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления определяется по формуле:

Следует отметить , что мощность , необходимая , чтобы подтолкнуть объект через жидкость увеличивается по мере кубу скорости. Автомобиль крейсерской по шоссе на 50 миль в час (80 км / ч) может потребоваться только 10 лошадиных сил (7,5 кВт) , чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, но это же автомобиль на 100 миль в час (160 км / ч) требуется 80 л.с. (60 кВт). При удвоении скорости сопротивления (сила) четверок по формуле. Оказывая 4 раза силы на неподвижном расстоянии производит в 4 раза больше работы . При удвоенной скорости работы ( в результате перемещения над фиксированным расстоянием) выполняется в два раза быстрее. Поскольку сила скорости выполнения работы, в 4 раза больше работы , проделанная в половине времени требует 8 раз власти.

Когда жидкость движется относительно системы отсчета (например, вождение автомобиля в встречном ветре) мощность, необходимую для преодоления аэродинамического сопротивления определяется по формуле:

Где скорость ветра и его скорость объекта (как по отношению к земле).

Скорость падающего объекта

Объект падает через вязкую среду быстро ускоряется в направлении его скорости терминала, приближаясь постепенно по мере скорость становится ближе к скорости терминала. Независимо от того испытывает турбулентным объект или ламинарное сопротивление изменяет характерную форму графика с турбулентным потоком приводит к постоянному ускорению для большей части его ускорительного времени.

Скорость как функция времени для объекта , падающего через неплотную среду, и выпущен при нулевой относительной скорости V  = 0 в момент времени т  = 0, грубо задаются функцией с участием гиперболического тангенса (TANH):

Гиперболического тангенса имеет предельное значение , равное единице, при больших временах т . Другими словами, скорость асимптотически приближается максимальное значение называется конечная скорость v т :

Для объекта падения и выпущен в относительной скорости об  = V я в момент времени т  = 0, с V я ≤ v т , также определяется в терминах функции гиперболического тангенса:

На самом деле, эта функция определяется решением следующего дифференциального уравнения :

Или, в более общем плане (где F (v) являются силы, действующие на объекте за сопротивления):

Для картофельного-образного объекта среднего диаметра d и плотность р OBJ , скорость терминала составляет около

Для объектов с водой, как плотность (дождевых капель, града, живых объектов-млекопитающих, птиц, насекомых и т.д.), падающего на воздухе вблизи поверхности Земли на уровне моря, скорость терминала примерно равна

с д в метр , и об т в м / с. Например, для человеческого тела ( ~ 0,6 м) ~ 70 м / с, для маленького животного , как кошка ( ~ 0,2 м) ~ 40 м / с, за небольшую птицу ( ~ 0,05 м) ~ 20 м / с для насекомого ( ~ 0,01 м) ~ 9 м / с, и так далее. Скорость терминала для очень маленьких объектов (пыльцы и т.д.) при малых числах Рейнольдса определяется по закону Стокса.

Скорость терминала выше для более крупных существ, и , таким образом , потенциально более опасным. Существо , такие как мышь падает на ее конечную скорости гораздо больше шансов выжить воздействие с землей , чем у человека падающего на его конечной скорости. Маленькое животное , такое как крикет влияет на его конечную скорость, вероятно , будет целым и невредимым. Это, в сочетании с относительным соотношением конечности площади поперечного сечения по сравнению массы тела (обычно называют законом площадь-куба ), объясняет , почему очень мелкие животные могут упасть с большой высоты , и не пострадает.

Очень низкие числа Рейнольдса: сопротивления Стокса

Траектории трех объектов выброшенных под тем же углом (70 °). Черный объект не испытывает какой - либо форме сопротивления и движется по параболе. Синий объект испытывает сопротивление Стокса , и зеленый объект Newton сопротивления .

Уравнение для вязкого сопротивления или линейного сопротивления подходит для объектов или частиц , двигающихся через жидкость при относительно медленной скорости , где нет турбулентности (т.е. с низким числом Рейнольдса , ). Следует отметить , что чисто ламинарный поток существует только до Re = 0,1 в соответствии с этим определением. В этом случае сила сопротивления приблизительно пропорциональна скорости. Уравнение для вязкого сопротивления:

где:

это константа, которая зависит от свойств жидкости и размеров объекта, а также
есть скорость объекта

Когда объект падает из состояния покоя, его скорость будет

которая асимптотически приближается к предельной скорости . Для данного , более тяжелые предметы падают быстрее.

Для специального случая малых сферических объектов медленно двигается через вязкую жидкость (и , следовательно , при малых числах Рейнольдса), Джордж Габриэль Стокс получил выражение для константы сопротивления:

где:

это радиус Стокса частицы, и представляет собой вязкость жидкости.

Полученное выражение для сопротивления называется сопротивление Стокса :

Например, рассмотрим небольшую сферу с радиусом = 0,5 микрометра (диаметр = 1,0 мкм) , движущегося через воду со скоростью 10 мкм / с. Используя 10 -3 Па · с , как динамическая вязкость воды в системе единиц СИ, мы находим силы сопротивления 0,09 Pn. Речь идет о силе сопротивления , что бактерия опыта , как она плавает в воде.

аэродинамика

В аэродинамике , аэродинамическое сопротивление это жидкость , сила сопротивления , которая действует на любом двигающемся твердом теле в направлении текучей среды набегающего потока. С точки зрения тела (ближнего поля захода на посадку), результаты сопротивления от сил из - за распределения давления по поверхности тела, символом , а также из - за сил трения, которая является результатом вязкости, обозначается . В качестве альтернативы, рассчитанные с точки зрения (вычисляемое поле в дальней зоне захода на посадку), результаты сила сопротивления из трех природных явлений: ударных волн , вихревой листа и вязкости .

обзор

Давление распределение , действующее на поверхности а тела оказывают нормальные силы на теле. Эти силы могут быть суммированы и компонент той силы , которая действует ниже представляет собой силу сопротивления, , из - за распределения давления , действующего на тело. Природа этих нормальных сил сочетает в себе ударную волне эффекты, эффекты генерации вихревой системы, и услуги вязких механизмов.

Вязкость жидкости оказывает существенное влияние на сопротивление. При отсутствии вязкости, силы давления , действующие для замедления транспортного средства отменяется с помощью силы давления дополнительно на корме , который действует , чтобы толкать машину вперед; это называется восстановление давления и результатом является то , что сопротивление равно нулю. То есть, работа делает тело на воздушном потоке, обратима и восстанавливаются , как нет фрикционных эффектов для преобразования энергии потока в тепловой. Восстановление давления действует даже в случае вязкого течения. Вязкость, однако приводит к сопротивлению давления , и это является доминирующим компонентом сопротивления в случае транспортных средств с регионами отделенного потока, в котором восстановление давления является довольно неэффективным.

Сила сопротивления трения, которая представляет собой тангенциальную силу на поверхности летательного аппарата, в значительной степени зависит от пограничного слоя конфигурации и вязкости. Чистая сопротивление трения, рассчитываются как вниз по течению проекции сил вязкости оценивали по поверхности тела.

Сумма сопротивления трения и давление (форма) сопротивление называется вязким сопротивлением. Этот компонент аэродинамического сопротивления из - за вязкости. В термодинамической точки зрения, вязкие эффекты представляют собой необратимые явления и, следовательно, они создают энтропию. Рассчитанная вязкое сопротивление изменяется использование энтропии точно предсказать силу сопротивления.

Когда самолет производит подъем, еще результаты перетаскивания компонентов. Индуктивное сопротивление , символ , происходит из - за изменения распределения давления в связи с вихревой системой , которая сопровождает завершающее производство лифта. Альтернативный взгляд на подъем и сопротивление достигается с учетом изменения импульса воздушного потока. Крыла перехватывает поток воздуха и вынуждает поток двигаться вниз. Это приводит к равной и противоположной силе , действующей вверх на крыле , который является подъемной силой. Изменение импульса воздушного потока вниз приводит к уменьшению заднего импульса потока , который является результатом силы , действующей вперед по воздушному потоку и применяемого крыла к потоку воздуха; равные , но противоположные силы действуют на крыле назад , который является индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление , как правило, является наиболее важным компонентом для самолетов во время взлета или посадки самолета. Другой перетащить компонент, а именно волновое сопротивление , результаты от ударных волн в околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета. Ударные волны вызывают изменения в пограничном слое и распределение давления по поверхности тела.

история

Мысль , что движущееся тело , проходящая через воздух или другой жидкости сопротивление встречает были известны еще со времен Аристотеля . Луи Шарль Бреге бумаги «s 1922 начал усилия , чтобы уменьшить сопротивление за счет оптимизации. Breguet продолжал ставить свои идеи на практику, создав несколько самолетов рекордных в 1920 - х и 1930 - х годах. Прандтль границы теория пограничного слоя «s в 1920 - х годах дала толчок к минимуму трения кожи. Еще один важный призыв к рационализации был сделан сэр Мелвилл Джонс , которые представили теоретические концепции , чтобы продемонстрировать решительно важность оптимизации в авиационной конструкции. В 1929 году его работа «обтекаемый Самолет» представил Королевское авиационное общество была семенной. Он предложил идеальный самолет , который будет иметь минимальное сопротивление , которое привело к представлениям о «чистом» моноплане и выдвижным шасси . Аспект бумаги Джонса о том , что наиболее шокировала дизайнеров того времени был его участок силы лошади , необходимой в зависимости от скорости, для фактической и идеальной плоскости. Глядя на точку данных для данного летательного аппарата и экстраполяцией его горизонтально к идеальной кривой, усиление скорости при той же мощности можно увидеть. Когда Джонс закончил свое выступление, член аудитории описал результаты как одного и того же уровня важности , как цикл Карно в термодинамике.

Lift-индуктивного сопротивления

Индуктивное сопротивление по сравнению с подъемником

Подъемник-индуктивное сопротивление (также называемое индуктивное сопротивление ) является сопротивление , которое происходит в результате создания подъемной силы на трехмерном подъемным тела , такие , как крыло или фюзеляж самолета. Индуктивное сопротивление в основном состоит из двух компонентов: лобовое сопротивление за счет создания завершающих вихрей ( вихревой лобовое сопротивление ); а также наличие дополнительного вязкого сопротивления ( лифт-индуцированной вязкая сопротивления ) , который не присутствует , когда лифт равен нулю. Задние вихри в поле потока, присутствующие в результате подъемного тела, происходят от турбулентного перемешивания воздуха сверху и снизу тела , которая протекает в нескольких различных направлениях , как следствие создания подъемной силы .

С другими параметрами остальные же, как лифт , порожденным телом увеличивается, так что делает подъемное-индуцированное сопротивление. Это означает , что в качестве крыла угла атаки увеличивается (до максимума называется углом глохнет), то коэффициент подъемной силы также увеличивается, и так также делает подъемное-индуцированное сопротивление. В начале стойла , лифт резко уменьшается, как лифт-индуктивного сопротивление, но сопротивление вязкого давления, компонент вредного сопротивления, увеличивается из - за образование турбулентного потока в неприсоединенном вслед за телом.

Паразитные сопротивления

Паразитические сопротивления являются сопротивлением , вызванным перемещения твердого объекта через жидкость. Паразитические сопротивления состоит из нескольких компонентов , в том числе вязкого сопротивления давления ( сопротивления формы ), а также из - за сопротивления до шероховатости поверхности ( кожа сопротивление трения ). Кроме того, наличие нескольких тел в относительной близости может понести так называемый интерференционный сопротивление , которое иногда описывается как компонент паразитного сопротивления.

В авиации, индуктивное сопротивление имеет тенденцию быть выше , при более низких скоростях , так как высокий угол атаки необходим для поддержания подъемной силы, создавая большее сопротивление. Однако, поскольку скорость увеличивает угол атаки может быть уменьшен , а индуктивное сопротивление уменьшается. Паразитические сопротивления, однако, увеличивает так как жидкость течет более быстро вокруг выступающих объектов увеличивая трение или сопротивление. При еще более высоких скоростях ( околозвуковых ), волновое сопротивление входит в картину. Каждая из этих форм изменения сопротивления в пропорции к остальным на основе скорости. Таким образом, в сочетании общей кривой сопротивления показывает минимум при некоторой скорости полета - самолет летит на этой скорости будет на уровне или близко к его оптимальной эффективности. Пилоты будут использовать эту скорость , чтобы максимизировать выносливость (минимальный расход топлива), или максимальным диапазон скольжения в случае отказа двигателя.

Кривая мощности в авиации

Кривая мощности : форма и индуктивное сопротивление по сравнению с воздушной скоростью

Взаимодействие паразитарного и индуктивного сопротивление против воздушной скорости может быть нанесено в виде характеристической кривой, изображенных здесь. В авиации, это часто называют кривой мощности , и имеет важное значение для пилотов , так как это показывает , что, ниже определенной скорости полета, поддержание скорости полета требует парадоксально больше тяги , как скорость уменьшается, а не меньше. Последствия того «за кривой» в полете важны и изучаются в рамках подготовки пилотов. На дозвуковых скоростях , где форма «U» этой кривой является значительным, волновое сопротивление еще не стать фактором, и таким образом это не показано на кривой.

Волна сопротивление в околозвуковых и сверхзвуковых потоках

Качественное изменение Cd фактора с числом Маха для воздушных судов

Волна сопротивления (также называемый сжимаемость сопротивления ) является сопротивление, которое создается , когда тело движется в сжимаемой жидкости и при скоростях, близких к скорости звука в этой жидкости. В аэродинамике , волновое сопротивление состоит из нескольких компонентов , в зависимости от скоростного режима полета.

В трансзвуковом полете (Мах число , большое , чем приблизительно 0,8 и меньше чем приблизительно 1,4), волновое сопротивление является результат образования ударных волн в жидкости, образуется , когда локальные участки сверхзвуковых (чисел Маха больше , чем 1,0) поток созданы. На практике, сверхзвуковой поток происходит по тел бегущих значительно ниже скорости звука, так как локальная скорость воздуха увеличивается , поскольку это ускоряет по всему телу до скорости выше Mach 1.0. Тем не менее, полный сверхзвуковой поток над автомобилем не будет развиваться , пока далеко за Mach 1.0. Самолеты летают на околозвуковых скорости часто несут волновое сопротивление через нормальный ход работы. В трансзвуковом полете, волновое сопротивление обычно называют околозвуковых сжимаемостью сопротивления . Transonic увеличение сжимаемости сопротивления значительно , как скорость полета увеличивается в направлении Mach 1.0, доминирующий другие формы сопротивления на этих скоростях.

В сверхзвуковом полете (числа Маха больше , чем 1,0), волновое сопротивление является результатом ударных волн , присутствующих в жидкости , и прикрепленных к корпусу, как правило , косые ударные волны , сформированные на передней и задней кромок тела. В сильно сверхзвуковых потоках или в телах с поворотными углами достаточно большими, незамужними ударными волнами , или луком волнами вместо лягут. Кроме того, локальные участки трансзвукового течения за начальной ударной волны может происходить при более низких сверхзвуковых скоростях, и может привести к развитию дополнительных, меньших ударных волн , присутствующих на поверхности других подъемных органов, аналогичных тем , которые содержатся в околозвуковых течений. В сверхзвуковых режимах течения, волновое сопротивление обычно разделено на две компоненты, сверхзвуковое подъемного-зависимой волновое сопротивление и сверхзвуковой объем в зависимости от волнового сопротивления .

Замкнутая форма решение для минимального волнового сопротивления тела вращения с фиксированной длиной было найдено Sears и Хааком, и известно как Распределение Сирса-Хаак . Аналогичным образом , в течение фиксированного объема, форма для минимального волнового сопротивления является Кармана Огива .

Биплан Буземана не является, в принципе, при условии волнового сопротивления вообще при работе на скорости его конструкции, но не способен генерировать подъемную силу .

Парадокс Даламбера

В 1752 году Даламбер доказал , что потенциал течения , состояние-оф-арт 18 - го века невязким теории поддаются математических решений, привело к предсказанию нулевого сопротивления. Это было в противоречии с экспериментальными данными, и стало известно как парадокс Даламбера. В 19 веке уравнения Навье-Стокса для описания вязкого течения были разработаны Сен-Венана , Навье и Стокса . Стокс вывел сопротивление вокруг шара при очень низких числах Рейнольдса , результатом которых называется закон Стокса .

В пределе больших чисел Рейнольдса, уравнение Навьего-Стокс приближается невязкое уравнение Эйлера , из которых решение потенциального потока , рассмотренный Даламбером являются решениями. Однако все эксперименты при больших числах Рейнольдса показали , есть сопротивление. Попытки построить невязку установившегося потока решений уравнений Эйлера, кроме потенциальных решений потока, не приводит к реалистичным результатам.

Понятие граничных слоев -introduced по Прандтля в 1904 году, основано на теории , так и эксперименты, объяснили причины сопротивления при больших числах Рейнольдса. Пограничный слой представляет собой тонкий слой жидкости вблизи границы объекта, где вязкие эффекты остаются важным даже тогда , когда вязкость очень мала (или , что эквивалентно число Рейнольдса очень велико).

Смотрите также

Рекомендации

Список используемой литературы

внешняя ссылка