Работа сопротивления воздуха формула. Движение тела в поле тяжести с учётом сопротивления воздуха

Дорожная эксплуатационная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений, весьма велика (см. рис.). Например, для поддержания равномерного движения (190 км/ч ) четырех дверного седана, массой 1670 кг , площадью миделя 2,05 м 2 , С х = 0,45 требуется около 120 кВт мощности, причем 75 % мощности затрачивается на аэродинамическое сопротивление. Мощности, затрачиваемые на преодоление аэродинамического и дорожного (качения) сопротивления приблизительно равны на скорости 90 км/ч, и в сумме составляют 20 – 25 кВт .

Примечание к рисунку : сплошная линия – аэродинамическое сопротивление; пунктирная линия – сопротивление качению.

Сила сопротивления воздуха Р w обусловлена трением в прилегающих к поверхности автомобиля слоях воздуха, сжатием воздуха движущейся машиной, разрежением за машиной и вихреобразованием в окружающих автомобиль слоях воздуха. На величину аэродинамического сопротивления автомобиля влияет ряд и других факторов, главным из которых является его форма. В качестве упрощенного примера влияния формы автомобиля на его аэродинамическое сопротивление проиллюстрировано на схеме, приведенной ниже.

Направление движения автомобиля

Значительная часть всей силы сопротивления воздуха составляет лобовое сопротивление, которое зависит от лобовой площади (наибольшей площади поперечного сечения автомобиля).

Для определения силы сопротивления воздуха используют зависимость:

Р w = 0,5·с х ·ρ·F·v n ,

где с х – коэффициент, характеризующий форму тела и аэродинамическое качество машины (коэффициент аэродинамического сопротивления );

F - лобовая площадь автомобиля (площадь проекции на плоскость, перпендикулярную продольной оси), м 2 ;

v - скорость движения машины, м/с ;

n - показатель степени (для реальных скоростей движения автомобилей принимается равным 2).

ρ - плотность воздуха:

, кг/м 3 ,

где ρ 0 = 1,189 кг/м 3 , р 0 = 0,1 МПа , Т 0 = 293К – плотность, давление и температура воздуха при нормальных условиях;

ρ , р , Т – плотность, давление и температура воздуха при расчетных условиях.

При расчетах лобовую площадь F легковых автомобилей со стандар­тным кузовом определяют по приближенной формуле:

F = 0,8В г Н г ,

где В г - габаритная ширина автомобиля, м ;

Н г - габаритная высота автомобиля, м .

Для автобусов и грузовых автомобилей с кузовом в виде фургона или с тентом:

F = 0,9В Г Н Г .

Для условий работы автомобиля плотность воздуха изменяется мало (ρ = 1,24…1,26 кг/м 3 ). Заменив произведение (0,5·с х ·ρ ) , через к w , получим:

Р w = к w ·F·v 2 ,

где к w – коэф­фициент обтекаемости ; по определению он представляет собой удельную силу в Н , необходимую для движения со скоростью 1 м/с в воздушной среде тела данной формы с лобовой площадью 1 м 2:

, Н·с 2 /м 4 .

Произведение (к w ·F )называют фактором сопротивления воздушной среды или фактором обтекаемости , характеризующим размеры и форму автомобиля в отношении свойств обтекаемости (его аэродинамические качества).

Средние значения коэффициентов с х , k w и лобовых площадей F для различных типов автомобилей приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Параметры, характеризующие аэродинамические качества автомобилей :

Известные значения аэродинамических коэффициентов c x и k w и площади габаритного поперечного (миделевого) сечения F для некоторых серийно выпускаемых автомобилей (по данным заводов-изготовителей) приведены в табл. 2.1.-а .

Таблица 2.1-а.

Аэродинамические коэффициенты и лобовая площадь автомобилей:

Примечание: c x , Н·с 2 /м·кг; к w , Н·с 2 /м 4 – аэродинамические коэффициенты;

F , м 2 – лобовая площадь автомобиля.

Для автомобилей, имеющих высокие скорости движения, сила Р w имеет доминирующее значение. Сопротивление воздушной среды определяется относительной скоростью автомобиля и воздуха, поэтому при её определении следует учитывать влияние ветра.

Точка приложения результирующей силы сопротивления воздуха Р w (центр парусности) лежит в поперечной (лобовой) плоскости симметрии автомобиля. Высота расположения этого центра над опорной поверхностью дороги h w оказывает значительное влияние на устойчивость автомобиля при движении его с высокими скоростями.

Увеличение Р w может привести к тому, что продольный опрокидывающий момент Р w ·h w настолько разгрузит передние колеса машины, что последняя потеряет управляемость вследствие плохого контакта управляемых колес с дорогой. Боковой ветер может вызвать занос автомобиля, который будет тем более вероятен, чем выше расположен центр парусности.

Попадающий в пространство между нижней части автомобиля и дорогой воздух создает дополнительное сопротивление движению за счет эффекта интенсивного образования вихрей. Для снижения этого сопротивления желательно передней части автомобиля придавать конфигурацию, которая препятствовала бы попадание встречного воздуха под его нижнюю часть.

По сравнению с одиночным автомобилем коэффициент сопротивления воздуха автопоезда с обычным прицепом выше на 20…30%, а с седельным прицепом – примерно на 10%. Антенна, зеркало внешнего вида, багажник над крышей, дополнительные фары и другие выступающие детали или открытые окна увеличивают сопротивление воздуха.

При скорости движения автомобиля до 40 км/ч сила Р w меньше силы сопротивления качению Р f на асфальтированной дороге. При скоростях свыше 100 км/ч сила сопротивления воздуха представляет собой основную составляющую тягового баланса автомобиля.

Грузовые автомобили имеют плохо обтекаемые формы с резкими углами и большим числом выступающих частей. Чтобы снизить Р w , на грузовиках устанавливают над кабиной обтекатели и другие приспособления.

Подъемная аэродинамическая сила . Появление подъемной аэродинамической силы обусловлено перепадом давлений воздуха на автомобиль снизу и сверху (по аналогии подъемной силы крыла самолета). Преобладание давления воздуха снизу над давлением сверху объясняется тем, что скорость воздушного потока, обтекающего автомобиль снизу, гораздо меньше, чем сверху. Значение подъемной аэродинамической силы не превышает 1,5% от веса самого автомобиля. Например, для легкового автомобиля ГАЗ-3102 «Волга» подъемная аэродинамическая сила при скорости движения 100 км/ч составляет около 1,3% от собственного веса автомобиля.

Спортивным автомобилям, движущимся с большими скоростями, придают такую форму, при которой подъемная сила направлена вниз, которая прижимает автомобиль к дороге. Иногда с этой же целью такие автомобили оснащают специальными аэродинамическими плоскостями.

3.5. Законы сохранения и изменения энергии

3.5.1. Закон изменения полной механической энергии

Изменение полной механической энергии системы тел происходит при совершении работы силами, действующими как между телами системы, так и со стороны внешних тел.

Изменение механической энергии ∆E системы тел определяется законом изменения полной механической энергии :

∆E = E 2 − E 1 = A внеш + A тр(сопр) ,

где E 1 - полная механическая энергия начального состояния системы; E 2 - полная механическая энергия конечного состояния системы; A внеш - работа, совершаемая над телами системы внешними силами; A тр(сопр) - работа, совершаемая силами трения (сопротивления), действующими внутри системы.

Пример 30. На некоторой высоте покоящееся тело имеет потенциальную энергию, равную 56 Дж. К моменту падения на Землю тело имеет кинетическую энергию, равную 44 Дж. Определить работу сил сопротивления воздуха.

Решение. На рисунке показаны два положения тела: на некоторой высоте (первое) и к моменту падения на Землю (второе). Нулевой уровень потенциальной энергии выбран на поверхности Земли.

Полная механическая энергия тела относительно поверхности Земли определяется суммой потенциальной и кинетической энергии:

• на некоторой высоте

E 1 = W p 1 + W k 1 ;

• к моменту падения на Землю

E 2 = W p 2 + W k 2 ,

где W p 1 = 56 Дж - потенциальная энергия тела на некоторой высоте; W k 1 = 0 - кинетическая энергия покоящегося на некоторой высоте тела; W p 2 = 0 Дж - потенциальная энергия тела к моменту падения на Землю; W k 2 = 44 Дж - кинетическая энергия тела к моменту падения на Землю.

Работу сил сопротивления воздуха найдем из закона изменения полной механической энергии тела:

где E 1 = W p 1 - полная механическая энергия тела на некоторой высоте; E 2 = W k 2 - полная механическая энергия тела к моменту падения на Землю; A внеш = 0 - работа внешних сил (внешние силы отсутствуют); A сопр - работа сил сопротивления воздуха.

Искомая работа сил сопротивления воздуха, таким образом, определяется выражением

A сопр = W k 2 − W p 1 .

Произведем вычисление:

A сопр = 44 − 56 = −12 Дж.

Работа сил сопротивления воздуха является отрицательной величиной.

Пример 31. Две пружины с коэффициентами жесткости 1,0 кН/м и 2,0 кН/м соединены параллельно. Какую работу нужно совершить, чтобы растянуть систему пружин на 20 см?

Решение. На рисунке показаны две пружины с разными коэффициентами жесткости, соединенные параллельно.

Внешняя сила F → , растягивающая пружины, зависит от величины деформации составной пружины, поэтому расчет работы указанной силы по формуле для вычисления работы постоянной силы неправомерен.

Для расчета работы воспользуемся законом изменения полной механической энергии системы:

E 2 − E 1 = A внеш + A сопр,

где E 1 - полная механическая энергия составной пружины в недеформированном состоянии; E 2 - полная механическая энергия деформированной пружины; A внеш - работа внешней силы (искомая величина); A сопр = 0 - работа сил сопротивления.

Полная механическая энергия составной пружины представляет собой потенциальную энергию ее деформации:

• для недеформированной пружины

E 1 = W p 1 = 0,

• для растянутой пружины

E 2 = W p 2 = k общ (Δ l) 2 2 ,

где k общ - общий коэффицент жесткости составной пружины; ∆l - величина растяжения пружины.

Общий коэффициент жесткости двух пружин, соединенных параллельно, есть сумма

k общ = k 1 + k 2 ,

где k 1 - коэффициент жесткости первой пружины; k 2 - коэффициент жесткости второй пружины.

Работу внешней силы найдем из закона изменения полной механической энергии тела:

A внеш = E 2 − E 1 ,

подставив в данное выражение формулы, определяющие E 1 и E 2 , а также выражение для общего коэффициента жесткости составной пружины:

A внеш = k общ (Δ l) 2 2 − 0 = (k 1 + k 2) (Δ l) 2 2 .

Выполним расчет:

A внеш = (1,0 + 2,0) ⋅ 10 3 ⋅ (20 ⋅ 10 − 2) 2 2 = 60 Дж.

Пример 32. Пуля массой 10,0 г, летящая со скоростью 800 м/с, попадает в стену. Модуль силы сопротивления движению пули в стене постоянен и составляет 8,00 кН. Определить, на какое расстояние пуля углубится в стену.

Решение. На рисунке показаны два положения пули: при ее подлете к стене (первое) и к моменту остановки (застревания) пули в стене (второе).

Полная механическая энергия пули яв­ляется кинетической энергией ее движения:

• при подлете пули к стене

E 1 = W k 1 = m v 1 2 2 ;

• к моменту остановки (застревания) пули в стене

E 2 = W k 2 = m v 2 2 2 ,

где W k 1 - кинетическая энергия пули при подлете к стене; W k 2 - кинетическая энергия пули к моменту ее остановки (застревания) в стене; m - масса пули; v 1 - модуль скорости пули при подлете к стене; v 2 = 0 - величина скорости пули к моменту остановки (застревания) в стене.

Расстояние, на которое пуля углубится в стену, найдем из закона изменения полной механической энергии пули:

E 2 − E 1 = A внеш + A сопр,

где E 1 = m v 1 2 2 - полная механическая энергия пули при подлете к стене; E 2 = 0 - полная механическая энергия пули к моменту ее остановки (застревания) в стене; A внеш = 0 - работа внешних сил (внешние силы отсутствуют); A сопр - работа сил сопротивления.

Работа сил сопротивления определяется произведением:

A сопр = F сопр l cos α ,

где F сопр - модуль силы сопротивления движению пули; l - расстояние, на которое углубится пуля в стену; α = 180° - угол между направлениями силы сопротивления и направлением движения пули.

Таким образом, закон изменения полной механической энергии пули в явном виде выглядит следующим образом:

− m v 1 2 2 = F сопр l cos 180 ° .

Искомое расстояние определяется отношением

l = − m v 1 2 2 F сопр cos 180 ° = m v 1 2 2 F сопр

l = 10,0 ⋅ 10 − 3 ⋅ 800 2 2 ⋅ 8,00 ⋅ 10 3 = 0,40 м = 400 мм.

Каждый велосипедист, мотоциклист, шофер, машинист, летчик или капитан корабля знает, что у его машины есть предельная скорость; превысить которую не удается никакими усилиями. Можно сколько угодно нажимать на педаль газа, но «выжать» из машины лишний километр в час невозможно. Вся развиваемая скорость идет на преодоление сил сопротивления движению .

Преодоление различного трения

• на преодоление трения в подшипниках и между шестеренками расходуется около шестнадцати процентов силы тяги мотора,
• на преодоление трения качения колес по дороге - примерно двадцать четыре процента,
• на преодоление сопротивления воздуха расходуется шестьдесят процентов силы тяги автомобиля.

Сопротивление воздуха

• трение скольжения с увеличением скорости немного уменьшается,
• трение качения изменяется очень незначительно,
• сопротивление воздуха , совершенно незаметное при медленном движении, становится грозной тормозящей силой, когда скорость возрастает.

Сопротивлением воздуха заинтересовались артиллеристы

Полоса завихренного воздуха

Трение частиц воздуха

• уплотнения воздуха впереди,
• образования завихрений позади,
• небольшого трения воздуха о боковую поверхность предмета.

Сопротивление движению со стороны воды

Силами сопротивления называются силы, препятствующие движению автомобиля. Эти силы направлены против его движе­ния.

При движении на подъеме, характеризуемом высотой H п, длиной проекции В п на гори­зонтальную плоскость и углом подъема дороги α, на автомобиль действуют следующие силы со­противления (рис. 3.12): сила со­противления качению Р к , равная сумме сил сопротивления каче­нию передних (Р К|) и задних (Р К2) колес, сила сопротивления подъе­му Р п , сила сопротивления воз­духа Д и сила сопротивления раз­гону Р И . Силы сопротивления ка­чению и подъему связаны с особенностями дороги. Сумма этих сил называется силой сопротивления дороги Р Д .

Рис. 3.13. Потери энергии на внутреннее трение в шине:

а - точка, соответствующая мак­симальным значениям нагрузки и прогиба шины

Сила сопротивления качению

Возникновение силы сопротивления качению при движении обусловлено потерями энергии на внутреннее трение в шинах, поверхностное трение шин о дорогу и образование колеи (на деформируемых дорогах).О потерях энергии на внутреннее трение в шине можно судить по рис. 3.13, на котором приведена зависимость между вертикаль­ной нагрузкой на колесо и деформацией шины - ее прогибом f ш .

При движении колеса по неровной поверхности шина, испы­тывая действие переменной нагрузки, деформируется. Линия αО, которая соответствует возрастанию нагрузки, деформирующей шину, не совпадает с линией аО, отвечающей снятию нагрузки. Площадь области, заключенной между указанными кривыми, ха­рактеризует потери энергии на внутреннее трение между отдель­ными частями шины (протектор, каркас, слои корда и др.).

Потери энергии на трение в шине называются гистерезисом, а линия ОαО - петлей гистерезиса.

Потери на трение в шине необратимы, так как при деформа­ции она нагревается и из нее выделяется теплота, которая рассе­ивается в окружающую среду. Энергия, затрачиваемая на дефор­мацию шины, не возвращается полностью при последующем вос­становлении ее формы.

Сила сопротивления качению Р к достигает наибольшего зна­чения при движении по горизонтальной дороге. В этом случае

где G - вес автомобиля, Н; f - коэффициент сопротивления качению.

При движении на подъеме и спуске сила сопротивления каче­нию уменьшается по сравнению с Р к на горизонтальной дороге, и тем значительнее, чем они круче. Для этого случая движения сила сопротивления качению

где α - угол подъема, °.

Зная силу сопротивления качению, можно определить мощ­ность, кВт,

затрачиваемую на преодоление этого сопротивления:

где v -скорости автомобиля,м/c 2

Для горизонтальной дороги соs0°=1 и

З
ависимости силы сопротивления качениюР к и мощности N К от скорости автомобиля v показаны на рис. 3.14

Коэффициент сопротивления качению

Коэффициент сопротивления качению существенно влияет на потери энергии при движении автомобиля. Он зависит от многих конструктивных и эксплуатационных

Рис 3.15. Зависимости коэффициента сопротивления качению от

Скорости движения (а), давления воздуха в шине (б) и момента, передаваемого через колесо (в)

факторов и определяется экспериментально. Его средние значения для различных дорог при нормальном давлении воздуха в шине составляют 0,01 ...0,1.Рассмотрим влияние различных факторов на коэффициент сопротивления качению.

Скорость движения . При изменении скорости движения в ин­тервале 0...50 км/ч коэффициент сопротивления качению изме­няется незначительно и его можно считать постоянным в указан­ном диапазоне скоростей.

При повышении скорости движения за пределами указанного интервала коэффициент сопротивления качению существенно уве­личивается (рис. 3.15, а) вследствие возрастания потерь энергии в шине на трение.

Коэффициент сопротивления качению в зависимости от ско­рости движения можно приближенно рассчитать по формуле

где - скорость автомобиля, км/ч.

Тип и состояние покрытия дороги. На дорогах с твердым по­крытием сопротивление качению обусловлено главным образом деформациями шины.

При увеличении числа дорожных неровностей коэффициент сопротивления качению возрастает.

На деформируемых дорогах коэффициент сопротивления ка­чению определяется деформациями шины и дороги. В этом случае он зависит не только от типа шины, но и от глубины образую­щейся колеи и состояния грунта.

Значения коэффициента сопротивления качению при рекомен­дуемых уровнях давления воздуха и нагрузки на шину и средней скорости движения на различных дорогах приведены ниже:

Асфальто- и цементобетонное шоссе:

в хорошем состоянии..................................... 0,007...0,015

в удовлетворительном состоянии............... 0,015...0,02

Гравийная дорога в хорошем состоянии.... 0,02...0,025

Булыжная дорога в хорошем состоянии...... 0,025...0,03

Грунтовая дорога сухая, укатанная.............. 0,025...0,03

Песок.................................................................... 0,1...0,3

Обледенелая дорога, лед............................... 0,015...0,03

Укатанная снежная дорога............................. 0,03...0,05

Тип шины. Коэффициент сопротивления качению во многом зависит от рисунка протектора, его износа, конструкции каркаса и качества материала шины. Изношенность протектора, уменьше­ние числа слоев корда и улучшение качества материала приводят к падению коэффициента сопротивления качению вследствие снижения потерь энергии в шине.

Давление воздуха в шине . На дорогах с твердым покрытием при уменьшении давления воздуха в шине коэффициент сопро­тивления качению повышается (рис. 3.15, б). На деформируемых дорогах при снижении давления воздуха в шине уменьшается глу­бина колеи, но возрастают потери на внутреннее трение в шине. Поэтому для каждого типа дороги рекомендуется определенное давление воздуха в шине, при котором коэффициент сопротивле­ния качению имеет минимальное значение.

Момент, передаваемый через колесо . При передаче момента через колесо коэффициент сопротивления качению возрастает (рис. 3.15, в) вследствие потерь на проскальзывание шины в месте ее контакта с дорогой. Для ведущих колес значение коэффициента сопротивления качению на 10... 15 % больше, чем для ведомых.

Коэффициент сопротивления качению оказывает существен­ное влияние на расход топлива и, следовательно, на топливную экономичность автомобиля. Исследования показали, что даже не­большое уменьшение этого коэффициента обеспечивает ощути­мую экономию топлива. Поэтому неслучайно стремление конст­рукторов и исследователей создать такие шины, при использова­нии которых коэффициент сопротивления качению будет незна­чительным, но это весьма сложная проблема.

Решение.

Для решения задачи рассмотрим физическую систему «тело – гравитационное поле Земли». Тело будем считать материальной точкой, а гравитационное поле Земли - однородным. Выделенная физическая система является незамкнутой, т.к. во время движения тела взаимодействует с воздухом.
Если не учитывать выталкивающую силу, действующую на тело со стороны воздуха, то изменение полной механической энергии системы равняется работе силы сопротивления воздуха, т.е. ∆ E = A c .

Нулевой уровень потенциальной энергии выберем на поверхности Земли. Единственной внешней силой в отношении системы «тело – Земля» является сила сопротивления воздуха, направленная вертикально вверх. Начальная энергия системы E 1 , конечная E 2 .

Работа силы сопротивления A.

Т.к. угол между силой сопротивления и перемещением равен 180° , то косинус равен -1, поэтому A = - F c h . Приравняем A.

Рассматриваемую незамкнутую физическую систему можно также описать теоремой от изменении кинетической энергии системы взаимодействующих между собой объектов, согласно которой изменение кинетической энергии системы равно работе, совершенной внешними и внутренними силами при ее переходе из начального состояния в конечное. Если не учитывать выталкивающую силу, действующую на тело со стороны воздуха, а внутренней – сила тяжести. Следовательно ∆ E к = A 1 + A 2 , где A 1 = mgh – работа силы тяжести, A 2 = F c hcos 180° = - F c h – работа силы сопротивления; ∆ E = E 2 – E 1 .