Koeficient odporu a rychlost: vztah, různé aspekty a fakta

Drag je síla spojená s objektem v pohybu v tekutém prostředí. Síla odporu je specifikována bezrozměrnou entitou nazývanou koeficient odporu, která pomáhá popsat povahu pohybu v tekutině.

Součinitel odporu vždy definuje odpor nabízený objektu v pohybu v tekutině. Protože objekt v pohybu má určitou rychlost, koeficient odporu a rychlost souvisejí. Tento příspěvek stručně vysvětluje vztah mezi koeficientem odporu a rychlostí v různých aspektech.

Vztah mezi koeficientem odporu a rychlostí

Součinitel odporu CD je vždy definována pomocí pojmů, jako je hustota tekutiny, referenční plocha průřezu objektu, rychlost a Reynoldsovo číslo; vztah mezi součinitelem odporu a rychlostí lze tedy zapsat pomocí rovnice.

CD= 2FD/v2

Kde FD je odporová síla, ρ je hmotnostní hustota tekutiny; A je referenční oblast a v je relativní rychlost objektu v tekutině.

Z výše uvedeného výrazu vyplývá vztah mezi součinitelem odporu CD a relativní rychlost v je dáno jako

CD∝ 1/v2

Výše uvedený výraz znamená že čtvercové zvýšení rychlosti snižuje koeficient odporu. Koeficient odporu a rychlost jsou tedy vzájemně nepřímo úměrné.

koeficient odporu a rychlost
Ilustrace koeficientu odporu a rychlosti

Vztah tažné síly a rychlosti

Tažná síla vždy zpomaluje tok předmětu v tekutině. S rostoucí rychlostí se úměrně mění odporová síla, která je s ní spojena. Tažná síla působící na předmět v tekutině je dána vztahem

FD= 1/2 CDv2

Z výše uvedené rovnice v mechanice tekutin je vztah mezi odporem a rychlostí vysvětlen tím, že rychlost objektu je považována za nízkou a vysokou rychlost. Brzdná síla se liší různě pro nízké a vysoké rychlosti.

Pro nízkorychlostní proudění je odporová síla úměrná rychlosti dané

FD∝ v

Pro vysokorychlostní proudění je odporová síla úměrná druhé mocnině rychlosti dané jako

FD∝ v2

Jak rychlost ovlivňuje odpor?

Závislost odporu na druhé mocnině rychlosti je v dynamice tekutin zcela přirozená, protože rychlost při změně vykazuje určitou odchylku odporu.

Objekt plovoucí v tekutině je spojen se zdvojnásobením rychlosti – to znamená, že když se rychlost zvýší na svou čtvercovou hodnotu, odpor se zvýší čtyřnásobně. Čtyřnásobné zvýšení odporu je způsobeno jinými entitami spojenými s odporem. Vliv rychlosti na odpor je dán

D∝ v2

Výše uvedenou úměrnost tedy můžeme napsat jako

D=konstanta×v2

Konstanta ve výše uvedeném výrazu je považována za hustotu, plochu a koeficient aerodynamického odporu související s odporem.

Tedy jako relativní rychlost zvýší na svou čtvercovou hodnotu, odpor se zvýší čtyřikrát.

Tažná síla a úhlová rychlost

Úhlová rychlost je vždy spojena s rotačním pohybem předmětu. Abychom mohli popsat odporovou sílu s úhlovou rychlostí, musíme uvažovat lineární vyjádření odporu; je to uvedeno níže:

FD= 1/2 CDv2

Nicméně, mluvíme o rotační pohyb, kroutící moment související s tažnou silou danou jako

τ ∝ rv2

Protože pohyb je rotační pohyb, lze tedy úhlovou rychlost objektu vztáhnout k lineární rychlosti jako

v=ω×r, kde r je poloměr rotační dráhy a ω je úhlová rychlost spojená s rotujícím objektem.

pouťové gbbdbc9801 640
Kredity obrázku: Obrázek uživatele dday1971 od Pixabay 

Dosazením hodnoty v dostaneme

τ ∝ r3 ω2

Z výše uvedeného výrazu přetáhněte síla je ekvivalentní točivému momentu působící na rotující objekt.

Tak lze odporovou sílu zapsat jako

FD= 1/2 CDr3 ω2

Tažná síla a konečná rychlost

Když objekt volně padá z tekutiny, maximální rychlost získaná objektem se nazývá konečná rychlost.

Vezměme si příklad parašutisty; když se potápí, padá pod vlivem gravitace. Na potápěče působí dvě síly, jedna je gravitační síla a druhá je odporová síla. Jak se však zvyšuje rychlost potápěče, zvyšuje se také velikost odporové síly, dokud se nerovná velikost gravitační síly.

sky diving ga4188940f 640
Údaje o obrázku: Obrázek od Dimitris Vetsikas od Pixabay 

Jakmile se velikost odporu a gravitační síly vyrovná, čistá síla působící na potápěče se vynuluje, takže zrychlení bude také nulové. V tomto případě potápěč dosáhl konstantní rychlost nazývaná koncová rychlost.

Vztah mezi brzdnou silou a konečnou rychlostí

V předchozí části jsme diskutovali o vztahu mezi koeficientem odporu a rychlostí a silou odporu a úhlovou rychlostí. Podobně vztah mezi tažná síla a konečná rychlost může být dáno zvážením padajícího předmětu.

tažná síla a konečná rychlost
Vztah tažné síly a konečné rychlosti

Jak víme, když objekt dosáhne konečné rychlosti, zažije dvě síly, odpor a gravitační sílu. Gravitační síla může být dána hmotností předmětu. Čistá síla je tedy dána

Fsíť=WFDkde W=mg

Když objekt dosáhne konečné rychlosti, čistá síla Fsíť=ma=0

Tak FD= W = mg

Dosazením výše uvedené rovnice dostaneme

FD= 1/2 CDVT2

mg = 1/2 CDVT2

Přeuspořádáním podmínek dostaneme konečnou rychlost jako

vT2= 2 mg/CD

vT=√2 mg/CD

Co je tažná síla?

Na pohybující se předmět vždy působí síla překážky, která klade pohybu odpor.

Tažná síla působí na pohybující se předmět v tekutině (kapalině nebo plynu). Lze ji definovat jako sílu působící na pevný předmět pohybující se v tekutině, působící proti relativnímu pohybu tekutiny.

Vyřešené problémy týkající se síly odporu, koeficientu odporu a rychlosti

Odporná síla působící na těleso je 235N, hustota je udávána 1.11kg/m3a plocha průřezu tělesa je 2.33 m2. Koeficient aerodynamického odporu těla je vypočítán jako 0.14, proto se vypočítává rychlost těla.

Řešení:

Tažná síla FD= 235N

Hustota ρ=1.11kg/m3.

Průřezy jsou A=2.33m2

Součinitel odporu CD= 0.14

Rychlost těla

v=√2FD/CD

v= √2(235)/(0.14) * 1.11 Aρ

v=36.02 m/s.

Vypočítejte odporovou sílu předmětu rotujícího po kruhové dráze o poloměru 3 m ve vzduchu rychlostí 12 m/s. Plocha průřezu je 3.4m2a koeficient odporu je 0.55.

Řešení:

Součinitel odporu CD= 0.55

Poloměr dráhy r=3m

Plocha průřezu A=3.4m2

Úhlová rychlost ω=12 m/s

Hustota vzduchu ρ=1.21kg/m3

FD= 1/2 CDr3 ω2

FD= 1/2 * 0.55 * 33 * 122* 3.4 * 1.21

FD= 4.3 × 103N

Potápěč o hmotnosti 79 kg se potápí z padáku. Součinitel odporu potápěče je udán 0.73 a plocha průřezu je uvažována 0.17 m.2. Vypočítejte konečnou rychlost potápěče.

Řešení:

Daná – hmotnost potápěče m=79kg

Součinitel odporu CD= 0.73

Plocha průřezu A=0.17m2

Z výše uvedených údajů může být koncová rychlost dána jako

vT=√2 mg/CD

Hustota vzduchu ρ=1.21kg/m3

Gravitační zrychlení g=9.8m/s2

vT=√2(79*9.8)/0.73*0.17*1.21

vT= 101.600 m/s.

Také čtení: