Аеродинамично съпротивление на превозното средство. Съпротивление (аеродинамика)
Едно от проявите на силата на взаимната гравитация е гравитацията, т.е. сила на привличане на телата към Земята. Ако само силата на гравитацията действа върху тялото, тогава то прави свободно падане. Следователно свободното падане е падането на тела в безвъздушно пространство под въздействието на привличане към Земята, започващо от състояние на покой.
Това явление за първи път е изследвано от Галилей, но поради липсата на въздушни помпи той не може да проведе експеримент в безвъздушно пространство, така че Галилей провежда експерименти във въздуха. Отхвърляйки всички незначителни явления, срещани по време на движението на телата във въздуха, Галилей открива законите на свободното падане на телата. (1590)
- 1-ви закон. Свободното падане е праволинейно равномерно ускорено движение.
- 2-ри закон. Ускорението на свободното падане на дадено място на Земята е еднакво за всички тела; средната му стойност е 9,8 m/s.
Зависимостите между кинематичните характеристики на свободното падане се получават от формулите за равномерно ускорено движение, ако в тези формули поставим a = g. За v0 = 0 V = gt, H = gt2 \2, v = √2gH .
На практика въздухът винаги се противопоставя на движението на падащо тяло и за дадено тяло съпротивлението на въздуха е толкова по-голямо, колкото е по-голяма скоростта на падане. Следователно с увеличаване на скоростта на падане съпротивлението на въздуха се увеличава, ускорението на тялото намалява и когато съпротивлението на въздуха стане равно на гравитацията, ускорението на свободно падащо тяло ще стане нула. В бъдеще движението на тялото ще бъде равномерно движение.
Истинското движение на телата в земната атмосфера става по балистична траектория, която се различава значително от параболичната поради съпротивлението на въздуха. Например, ако куршум е изстрелян от пушка със скорост 830 m/s под ъгъл α = 45o спрямо хоризонта и действителната траектория на трасиращия куршум и мястото на падането му се записват с помощта на филмова камера, тогава обхватът на полета ще бъде приблизително 3,5 км. И ако изчислите по формулата, тогава ще бъде 68,9 км. Разликата е огромна!
Въздушното съпротивление зависи от четири фактора: 1) РАЗМЕР на движещия се обект. Очевидно голям обект ще получи по-голяма съпротива от малък. 2) ФОРМА на движещо се тяло. Плоска плоча с определена площ ще осигури много по-голяма устойчивост на вятъра от опростено тяло (форма на капка), имащо същата площ на напречното сечение за същия вятър, всъщност 25 пъти повече! Кръглият обект е някъде по средата. (Това е причината корпусите на всички автомобили, самолети и парапланери да са възможно най-закръглени или с форма на сълза: намалява съпротивлението на въздуха и ви позволява да се движите по-бързо с по-малко усилия върху двигателя и следователно с по-малко гориво.) 3) ПЛЪТОСТ НА ВЪЗДУХА. Вече знаем, че един кубичен метър тежи около 1,3 кг на морското равнище и колкото по-високо се качвате, толкова по-малко плътен става въздухът. Тази разлика може да играе известна практическа роля при излитане само от много големи височини. 4) СКОРОСТ. Всеки от трите фактора, разгледани досега, има пропорционален принос за въздушното съпротивление: ако удвоите един от тях, съпротивлението също се удвоява; ако намалите наполовина някое от тях, съпротивлението намалява наполовина.
ВЪЗДУШНОТО СЪПРОТИВЛЕНИЕ е ПОЛОВИНАТА ОТ ПЛЪТНОСТТА НА ВЪЗДУХА по КОЕФИЦИЕНТ КОЕФИЦИЕНТ НА СЪПРОТИВЛЕНИЕТО ПЛОЩ по СЕКЦИЯ по КВАДРАТ НА СКОРОСТТА.
Въвеждаме следните символи: D - въздушно съпротивление; p - плътност на въздуха; А - площ на сечение; cd е коефициентът на съпротивление; υ - скорост на въздуха.
Сега имаме: D \u003d 1/2 x p x cd x A x υ 2
Когато тялото пада в реални условия, ускорението на тялото няма да бъде равно на ускорението на свободното падане. В този случай 2-ри закон на Нютон ще приеме формата ma = mg - Fresist -Farch
Фаркс. =ρqV , тъй като плътността на въздуха е ниска, може да се пренебрегне, тогава ma = mg - ηυ
Нека анализираме този израз. Известно е, че върху тялото, движещо се във въздуха, действа съпротивителна сила. Почти очевидно е, че тази сила зависи от скоростта на движение и размерите на тялото, например площта на напречното сечение S, като тази зависимост е от типа "колкото повече υ и S, толкова по-голямо е F". Все още можете да прецизирате формата на тази зависимост, въз основа на съображения за размери (мерни единици). Действително силата се измерва в нютони ([F] = N) и N = kg m/s2. Вижда се, че вторият на квадрат се включва в знаменателя. От тук веднага става ясно, че силата трябва да е пропорционална на квадрата на скоростта на тялото ([υ2] = m2/s2) и плътността ([ρ] = kg/m3) - разбира се, на средата, в която тялото ходове. Така,
И да подчертаем, че тази сила е насочена срещу вектора на скоростта.
Вече научихме много, но това не е всичко. Със сигурност силата на съпротивление (аеродинамичната сила) също зависи от формата на тялото - неслучайно самолетите са направени „добре рационализирани“. За да се вземе предвид тази предполагаема зависимост, е възможно да се въведе безразмерен фактор в полученото по-горе съотношение (пропорционалност), което няма да наруши равенството на размерите в двете части на това съотношение, а ще го превърне в равенство:
Нека си представим топка, движеща се във въздуха, например пушка, изстреляна хоризонтално с начална скорост - Ако нямаше въздушно съпротивление, тогава на разстояние x във времето изстрелът ще се движи вертикално надолу. Но поради действието на съпротивителната сила (насочена срещу вектора на скоростта), времето на полета на пелетата до вертикалната равнина x ще бъде по-голямо от t0. Следователно силата на гравитацията ще действа върху пелетата за по-дълго време, така че тя ще падне под y0.
И като цяло пелетата ще се движи по друга крива, която вече не е парабола (нарича се балистична траектория).
При наличие на атмосфера падащите тела освен силата на гравитацията изпитват и силите на вискозно триене във въздуха. В грубо приближение, при ниски скорости, силата на вискозното триене може да се счита за пропорционална на скоростта на движение. В този случай уравнението на движението на тялото (вторият закон на Нютон) има формата ma = mg - η υ
Силата на вискозно триене, действаща върху сферични тела, движещи се с ниски скорости, е приблизително пропорционална на тяхната площ на напречното сечение, т.е. квадратът на радиуса на телата: F = -η υ= - const R2 υ
Масата на сферично тяло с постоянна плътност е пропорционална на неговия обем, т.е. куб с радиус m = ρ V = ρ 4/3π R3
Уравнението се записва, като се вземе предвид посоката надолу на оста OY, където η е коефициентът на въздушно съпротивление. Тази стойност зависи от състоянието на околната среда и параметрите на тялото (телесно тегло, размер и форма). За сферично тяло, съгласно формулата на Стокс η =6(m(r, където m е масата на тялото, r е радиусът на тялото, ( е коефициентът на вискозитет на въздуха.
Помислете например за падането на топки от различни материали. Вземете две топки с еднакъв диаметър, пластмаса и желязо. Да приемем за по-голяма яснота, че плътността на желязото е 10 пъти по-голяма от плътността на пластмасата, така че желязната топка ще има маса 10 пъти по-голяма, съответно нейната инерция ще бъде 10 пъти по-висока, т.е. под същата сила, той ще се ускори 10 пъти по-бавно.
Във вакуум само гравитацията действа върху топките, 10 пъти повече върху железните топки, отколкото върху пластмасовите, съответно те ще се ускорят със същото ускорение (10 пъти по-голямата гравитация компенсира 10 пъти по-голяма инерция на желязната топка). При еднакво ускорение и двете топки ще изминат едно и също разстояние за едно и също време, т.е. с други думи, те ще паднат едновременно.
Във въздуха: аеродинамичното съпротивление и архимедовата сила се добавят към ефекта на гравитацията. И двете от тези сили са насочени нагоре, срещу действието на гравитацията, и двете зависят само от размера и скоростта на топките (не зависят от масата им) и при равни скорости са равни и за двете топки.
Да се. резултантата на трите сили, действащи върху желязната топка, вече няма да бъде 10 пъти по-голяма от аналогичната на дървената топка, а повече от 10, докато инерцията на желязната топка остава по-голяма от инерцията на дървената от същото 10 пъти .. Съответно ускорението на желязната топка ще бъде по-голямо от това на пластмасовата и той ще падне по-рано.
1. Движението на превозното средство е свързано с движението на въздушните частици, което изразходва част от мощността на двигателя. Тези разходи се състоят от следното:
2. Фронтално съпротивление, което се появява поради разликата в налягането пред и зад движещ се автомобил (55-60% от съпротивлението на въздуха).
3. Съпротивление, създадено от изпъкнали части - огледало за обратно виждане и др. (12-18%).
4. Съпротивление, произтичащо от преминаването на въздух през радиатора и двигателния отсек.
5. Устойчивост поради триене на близки повърхности върху въздушни слоеве (до 10%).
6. Съпротивление, причинено от разлика в налягането между горната и долната част на автомобила (5-8%).
За да опростим изчисленията на въздушното съпротивление, ние заместваме съпротивлението, разпределено по цялата повърхност на автомобила, със силата на въздушното съпротивление, приложена в една точка, наречена ветроходен центъркола.
От опит е установено, че силата на въздушното съпротивление зависи от следните фактори:
От скоростта на автомобила и тази зависимост е квадратична;
От предната част на автомобила Ф;
От коефициента на рационализиране К в, което е числено равно на силата на въздушното съпротивление, създадено от един квадратен метър от предната площ на превозното средство, когато се движи със скорост 1 m / s.
Тогава силата на въздушното съпротивление.
При определяне Физползвайте емпирични формули, които определят приблизителната област на съпротивление. За камиони Фобикновено: F=H×B(произведението на височината и ширината), подобно на автобусите. Приема се за автомобили F=0.8H×B. Има и други формули, които отчитат следата на автомобила, вероятността от промяна на височината на превозното средство и т.н. K в ×FНаречен фактор за рационализиранеи обозначават У.
За определяне на коефициента на рационализиране се използват специални устройства или методът на инерция, който се състои в определяне на промяната в пътя на свободно търкалящ се автомобил при движение с различни начални скорости. Когато колата се движи във въздушния поток, силата на въздушното съпротивление R вмогат да бъдат разложени на компоненти по осите на ATS. В този случай формулите за определяне на проекциите на силите се различават само по коефициенти, които отчитат разпределението на силата по осите. Коефициентът на рационализиране може да се определи от израза:
където C X е коефициент, определен емпирично и като се вземе предвид разпределението на силата на въздушното съпротивление по оста "x". Този коефициент се получава чрез продухване в аеродинамичен тунел, 
;
r - плътност на въздуха, съгласно GOST r \u003d 1,225 kg / m 3 при нула.
Получаваме 
.
Продуктът е скоростна глава, равна на кинетичната енергия на кубичен метър въздух, движещ се със скоростта на автомобил спрямо въздуха.
Коефициент К вима измерение.
Между К ви C Xима зависимост: K в \u003d 0,61С X.
Ремаркето на превозното средство увеличава силата на съпротивление средно с 25%.
Инструкция
Намерете силата на съпротивление на движение, която действа върху равномерно праволинейно движещо се тяло. За да направите това, с помощта на динамометър или по друг начин измерете силата, която трябва да бъде приложена към тялото, така че да се движи равномерно и по права линия. Според третия закон на Нютон тя ще бъде числено равна на силата на съпротивление на движението на тялото.
Определете силата на съпротивление на движението на тяло, което се движи по хоризонтална повърхност. В този случай силата на триене е право пропорционална на силата на реакция на опората, която от своя страна е равна на силата на гравитацията, действаща върху тялото. Следователно силата на съпротивление на движение в този случай или силата на триене Ftr е равна на произведението от телесната маса m, която се измерва чрез тегла в килограми, от ускорението на свободно падане g≈9,8 m/s² и коефициента на пропорционалност μ, Ftr = μ∙m∙g. Числото μ се нарича коефициент на триене и зависи от повърхностите, които влизат в контакт по време на движение. Например, за триенето на стомана върху дървото този коефициент е 0,5.
Изчислете силата на съпротивление на движението на движещо се тяло. В допълнение към коефициента на триене μ, телесната маса m и ускорението на свободно падане g, зависи от ъгъла на наклон на равнината към хоризонта α. За да намерите силата на съпротивление на движение в този случай, трябва да намерите произведението на коефициента на триене, масата на тялото, ускорението на свободно падане и косинуса на ъгъла, при който равнината спрямо хоризонта е Ftr=μ∙m∙ g∙сos(α).
Когато тялото се движи във въздуха с ниски скорости, силата на съпротивление на движение Fс е право пропорционална на скоростта на тялото v, Fc=α∙v. Коефициентът α зависи от свойствата на тялото и вискозитета на средата и се изчислява отделно. При движение с висока скорост, например, когато тяло падне от значителна височина или се движи автомобил, силата на съпротивление е право пропорционална на квадрата на скоростта Fc=β∙v². Коефициентът β се изчислява допълнително за високи скорости.
Източници:
- 1 Обща формула за силата на въздушното съпротивление На фигурата
За определяне сила съпротивление въздухсъздават условия, при които тялото ще започне да се движи равномерно и праволинейно под въздействието на гравитацията. Изчислете стойността на гравитацията, тя ще бъде равна на силата на съпротивлението на въздуха. Ако едно тяло се движи във въздуха, набирайки скорост, силата на съпротивлението му се намира по законите на Нютон, а силата на съпротивлението на въздуха може да се намери и от закона за запазване на механичната енергия и специалните аеродинамични формули.
Ще имаш нужда
- далекомер, кантар, скоростомер или радар, линийка, хронометър.
Инструкция
Преди измерване съпротивлениеизползван резистор, не забравяйте да го разпоите от старата платка или блок. В противен случай той може да бъде шунтиран от други части на веригата и ще получите неправилни показания от него. съпротивление.
Подобни видеа
За да намерите електрическото съпротивление на проводник, използвайте съответните формули. Съпротивлението на секцията на веригата се намира според закона на Ом. Ако материалът и геометричните размери на проводника са известни, неговото съпротивление може да се изчисли по специална формула.
Ще имаш нужда
- - тестер;
- - шублер;
- - владетел.
Инструкция
Спомнете си какво означава концепцията за резистор. В този случай под резистор трябва да се разбира всеки проводник или елемент от електрическа верига, който има активно съпротивление. Сега е важно да попитаме как промяната в стойността на съпротивлението влияе върху текущата стойност и от какво зависи тя. Същността на явлението съпротивление се крие във факта, че резисторите образуват един вид бариера за преминаване на електрически заряди. Колкото по-високо е съпротивлението на дадено вещество, толкова по-плътно са разположени атомите в решетката на резистивното вещество. Този модел обяснява закона на Ом за секцията на веригата. Както знаете, законът на Ом за секция на веригата е следният: силата на тока в секцията на веригата е право пропорционална на напрежението в секцията и обратно пропорционална на съпротивлението на самата секция на веригата.
Начертайте върху лист хартия графика на зависимостта на тока от напрежението на резистора, както и от неговото съпротивление, въз основа на закона на Ом. Ще получите графика с хипербола в първия случай и графика с права линия във втория случай. По този начин силата на тока ще бъде по-голяма, колкото по-голямо е напрежението на резистора и толкова по-ниско е съпротивлението. Освен това зависимостта от съпротивлението е по-изразена тук, защото има формата на хипербола.
Имайте предвид, че съпротивлението на резистора също се променя с промяна на температурата му. Ако нагреете резистивния елемент и наблюдавате промяната в силата на тока, можете да видите как силата на тока намалява с повишаване на температурата. Този модел се обяснява с факта, че с повишаване на температурата вибрациите на атомите в възлите на кристалната решетка на резистора се увеличават, като по този начин се намалява свободното пространство за преминаване на заредени частици. Друга причина, която намалява силата на тока в този случай, е фактът, че с повишаване на температурата на веществото се увеличава хаотичното движение на частици, включително заредени. По този начин движението на свободните частици в резистора става по-хаотично, отколкото насочено, което се отразява на намаляването на силата на тока.
Подобни видеа
Всички компоненти на въздушното съпротивление са трудни за определяне аналитично. Ето защо на практика е използвана емпирична формула, която има следната форма за диапазона от скорости, характерни за реалния автомобил:
където с х - без размер коефициент на въздушния поток, в зависимост от формата на тялото; ρ в - плътност на въздуха ρ в \u003d 1,202 ... 1,225 kg / m 3; НО- средна площ (площ на напречната проекция) на автомобила, m 2; V– скорост на превозното средство, m/s.
Намерено в литературата коефициент на въздушно съпротивление к в :
Ф в = к в НОV 2 , където к в = с х ρ в /2 , - коефициент на въздушно съпротивление, Ns 2 /m 4.
…и рационализиращ факторq в : q в = к в · НО.
Ако вместо това с хзаместител с z, тогава получаваме аеродинамичната повдигаща сила.
Средна зона за автомобили:
A=0,9 B макс · Н,
където AT max - най-голямата следа на автомобила, m; Х– височина на превозното средство, m.
Силата се прилага в метацентъра, създавайки моменти.
Скоростта на съпротивлението на въздушния поток, като се вземе предвид вятърът:
, където β е ъгълът между посоките на автомобила и вятъра.
С х някои коли
|
ВАЗ 2101…07 |
Опел Астра Седан | |||
|
ВАЗ 2108…15 | ||||
|
Land Rover Free Lander | ||||
|
ВАЗ 2102…04 | ||||
|
ВАЗ 2121…214 | ||||
|
камион | ||||
|
камион с ремарке |
Сила на съпротивление на повдигане
Ф П = г а грях α.
В пътната практика големината на наклона обикновено се оценява от големината на издигането на пътното платно, свързано с големината на хоризонталната проекция на пътя, т.е. тангенса на ъгъла и обозначете и, изразяваща получената стойност като процент. При сравнително малък наклон е допустимо да се използва не гряхα. и стойността и в относително изражение. При големи стойности на наклона, подмяната гряхα по стойността на допирателната ( и/100) не е позволено.
Сила на съпротивление при овърклок
Когато автомобилът ускорява, прогресивно движещата се маса на автомобила се ускорява, а въртящите се маси се ускоряват, увеличавайки съпротивлението на ускорение. Това увеличение може да се вземе предвид при изчисленията, ако приемем, че масите на автомобила се движат напред, но използваме някаква еквивалентна маса мъъъ, малко по-голямо м a (в класическата механика това се изразява с уравнението на Кьониг)
Използваме метода на Н.Е. Жуковски, приравнявайки кинетичната енергия на транслационно движеща се еквивалентна маса на сумата от енергии:
,
където Дж д- момент на инерция на маховика на двигателя и свързаните части, N s 2 m (kg m 2); ω де ъгловата скорост на двигателя, rad/s; Дж да сее моментът на инерция на едно колело.
Тъй като ω до = V а / r к , ω д = V а · и kp · и о / r к , r к = r к 0 ,
тогава получаваме 
.
Момент на инерцияДжавтомобилни трансмисионни възли, кг м 2
|
Автомобил |
Маховик с колянов вал Дж д |
задвижвани колела (2 колела със спирачни барабани), Дж k1 |
Задвижващи колела (2 колела със спирачни барабани и оси) Дж k2 |
Нека заменим: м ъъъ = м а · δ,
Ако превозното средство не е напълно натоварено: 
.
Ако автомобилът се движи по инерция: δ = 1 + δ 2
Сила на съпротивление на ускорението на превозното средство (инерция): Ф и = м ъъъ · а а = δ · м а · а а .
Като първо приближение можем да вземем: δ = 1,04+0,04 и kp 2
Той е компонент на общата аеродинамична сила.
Силата на съпротивление обикновено се представя като сума от два компонента: съпротивление при нулево повдигане и индуцирано съпротивление. Всеки компонент се характеризира със собствен безразмерен коефициент на съпротивление и определена зависимост от скоростта на движение.
Фронталното съпротивление може да допринесе както за обледеняване на самолета (при ниски температури на въздуха), така и за нагряване на предните повърхности на самолета при свръхзвукови скорости чрез йонизация на удара.
Съпротивление при нулево повдигане
Този компонент на съпротивление не зависи от величината на създадената подемна сила и се състои от съпротивлението на профила на крилото, съпротивлението на конструктивните елементи на самолета, които не допринасят за подемната сила, и съпротивлението на вълната. Последното е важно при движение с близка до и свръхзвукова скорост и се причинява от образуването на ударна вълна, която отнася значителна част от енергията на движението. Вълново съпротивление се получава, когато самолетът достигне скорост, съответстваща на критичното число на Мах, когато част от потока около крилото на самолета придобие свръхзвукова скорост. Критичното число M е толкова по-голямо, колкото по-голям е ъгълът на замах на крилото, толкова по-заострен е предният ръб на крилото и е по-тънък.
Силата на съпротивлението е насочена срещу скоростта на движение, нейната стойност е пропорционална на характерната площ S, плътността на средата ρ и квадрата на скоростта V:
° С х 0 - безразмерен коефициент на аеродинамично съпротивление, получен от критерии за сходство, например числа на Рейнолдс и Фруд в аеродинамиката.Определението на характерната зона зависи от формата на тялото:
- в най-простия случай (топка) - площ на напречното сечение;
- за крила и оперение - площта на крилото / оперението в план;
- за витла и ротори на хеликоптери - или площта на лопатките, или площта на пометката на витлото;
- за продълговати тела на революция ориентирани заеднопоток (фюзелаж, корпус на дирижабъла) - намалена обемна площ, равна на V 2/3, където V е обемът на тялото.
Мощността, необходима за преодоляване на даден компонент на силата на съпротивление, е пропорционална на Кубаскорост.
Индуктивно реактивно съпротивление
Индуктивно реактивно съпротивление(Английски) съпротивление, предизвикано от повдигане) е следствие от образуването на подемна сила на крилото с краен размах. Асиметричният поток около крилото води до факта, че въздушният поток излиза от крилото под ъгъл спрямо потока върху крилото (т.нар. скосяване на потока). Така по време на движението на крилото има постоянно ускорение на масата на входящия въздух в посока, перпендикулярна на посоката на полета и насочена надолу. Това ускорение, първо, е придружено от образуване на повдигаща сила, и второ, води до необходимостта от придаване на кинетична енергия на ускоряващия се поток. Количеството кинетична енергия, необходимо за предаване на скоростта на потока, перпендикулярно на посоката на полета, ще определи стойността на индуктивното съпротивление.
Величината на индуктивното съпротивление се влияе не само от големината на подемната сила, но и от нейното разпределение в размаха на крилото. Минималната стойност на индуктивното реактивно съпротивление се постига с елиптично разпределение на повдигащата сила по участъка. При проектирането на крило това се постига чрез следните методи:
- избор на рационална форма на крилото в план;
- използването на геометричен и аеродинамичен усук;
- монтаж на помощни повърхности - вертикални върхове на крилата.
Индуктивно реактивно съпротивление, пропорционално на квадратподемна сила Y, и обратноплощ на крилото S, неговото удължение λ, средна плътност ρ и квадратскорост V:
По този начин индуктивното съпротивление има значителен принос при летене с ниска скорост (и в резултат на това при големи ъгли на атака). Освен това се увеличава с увеличаване на теглото на самолета.
Пълно съпротивление
Това е сумата от всички видове съпротивителни сили:
х = х 0 + х иТъй като съпротивлението при нула повдигане х 0 е пропорционално на квадрата на скоростта и индуктивната х ие обратно пропорционална на квадрата на скоростта, те допринасят различно при различни скорости. С увеличаване на скоростта, х 0 расте и х и- пада, и графиката на зависимостта на общото съпротивление хна скорост („необходима крива на тяга“) има минимум в точката на пресичане на кривите х 0 и х и, при което и двете съпротивителни сили са равни по големина. При тази скорост самолетът има най-малко съпротивление за дадено повдигане (равно на теглото) и следователно най-високо аеродинамично качество.
Фондация Уикимедия. 2010 г.