Koeficient viskoznega trenja (sila) in primeri

The Viskozno trenje Pojavi se, ko se trden predmet premika na sredini tekočine -un plina ali tekočine-. Lahko ga modeliramo kot silo, sorazmerno z negativnim hitrostim predmeta ali kvadrata.

Uporaba enega ali drugega modela je odvisna od določenih pogojev, na primer vrste tekočine, v kateri se predmet premika in ali je zelo hiter ali ne. Prvi model je znan kot Linearna odpornost, in v njem velikost viskoznega trenja f_dotik Daje ga:

F_dotik = Γv

Slika 1. Paraharidisti med spuščanjem doživljajo viskozno silo, saj Air ponuja odpor. Vir: Pixabay.

Tu je γ konstanta sorazmernosti ali koeficienta viskoznega trenja in V je hitrost predmeta. Uporablja se za telesa, ki se premikajo z nizko hitrostjo tekočine z laminarnim režimom.

V drugem modelu, znan kot Kvadratna odpornost O Rayleight -ov zakon se izračuna velikost trenja v skladu z:

F_dotik = ½ ρ.Do.C_d.v²

Kjer je ρ gostota tekočine, je A prečni prerez predmeta in c_d Je aerodinamični koeficient odpornosti.

Izdelek ½ ρ.Do.C_d  To je stalna aerodinamika, imenovana D, katere enote so torej kg/m, torej:

F_dotik = DV²

Ta model je bolj primeren, kadar je hitrost predmetov srednja ali velika, saj gibanje na svoji poti v tekočini proizvaja turbulence ali vrtine.

Premikajoča se teniška žoga in avtomobili na avtocesti so primeri predmetov, v katerih ta model deluje precej dobro.

Viskozna sila nastane, ker mora trdna snov vzeti plasti tekočine, da se lahko premikajo skozi njega. Obstoj več modelov je, ker je ta sila odvisna od več dejavnikov, kot so viskoznost tekočine, hitrost in oblika predmeta.

Vam lahko služi: kaj je relativna prepustnost?

Obstaja več aerodinamičnih predmetov kot drugi, mnogi pa so zasnovani natančno tako, da odpornost srednjega zmanjša hitrost na minimum.

[TOC]

Primeri trenja viskoze

Vsak človek ali predmet, ki se giblje v tekočini, nujno doživlja odpornost iz okolja, vendar so ti učinki za preproste aplikacije, kot je prosti padec.

V izjavah skoraj vseh težav s prostim padcem je ugotovljeno, da se učinki zračnega odpornosti zaničujejo. To je zato, ker je zrak precej "tanka" tekočina in zato upamo, da trenje, ki ga ponuja.

Vendar obstajajo tudi drugi gibi, v katerih ima viskozno trenje odločnejši vpliv, poglejmo nekaj primerov:

Kamni, ki padejo v vodo in cvetni prah

-Skala, ki navpično pade v cev, polno olja, doživi silo, ki nasprotuje njegovemu spustu, zahvaljujoč odpornosti na tekočino.

-Zrna cvetnega prahu so zelo majhna, zato zanje odpornost zraka ni zanemarljiva, saj jim zaradi te moči dolgo uspeva ostati na plaži, kar povzroča sezonske alergije.

Slika 2. Cvetni zrna so dovolj majhna, da ima zračni odpornost pomemben učinek. Vir: Pikrepo.

Plavalci in kolesarji

-V primeru plavalcev uporabljajo klobuk in se popolnoma obrijejo tako, da odpor vode ne odšteje hitrosti.

-Tako kot plavalci, kolesarji v protireloj doživljajo zračno odpornost, tudi čelade imajo aerodinamične zasnove za izboljšanje učinkovitosti.

Pomembno je tudi položaj kolesarja znotraj skupine v konkurenci. Tisti, ki vodi pohod, očitno dobi največji odpor zraka, medtem ko za tiste, ki zaprejo pohod, je to skoraj nič.

Lahko vam služi: drugo ravnotežno stanje: razlaga, primeri, vaje

Paraharidisti

-Ko padalca odpre padalo, je izpostavljen viskoznemu trenju zraka, ki je najprimernejši model, ki ima kvadrat hitrosti. Na ta način zmanjšuje svojo hitrost in ker drgnjenje nasprotuje padcu, doseže konstantno mejo.

Avtomobili

-Za avtomobile so aerodinamični koeficient odpornosti, konstanta, ki se določi eksperimentalno in površina, ki jo predstavlja ob vetru. Zato so zasnovani z nagnjenimi vetrobranskimi stekli.

Millikanov eksperiment s padcem olja

-V eksperimentu Millikan Oil Drop je fizik Robert Millikan preučil gibanje oljnih padcev sredi enotnega električnega polja in ugotovil, da je kateri koli električni naboj več od obremenitve elektronov.

Za to je bilo treba poznati polmer kapljic, ki ga ni bilo mogoče določiti z neposrednim ukrepom glede na njegovo majhnost. Toda v tem primeru je bilo viskozno trenje pomembno in kapljice so na koncu zavirale. To dejstvo je omogočilo določitev polmera kapljic in nato njegovega električnega naboja.

Vaje

- Vaja 1

V enačbi za viskozno silo trenja z nizko hitrostjo:

F_dotik = Γv

a) Kakšne dimenzije bi moralo imeti koeficient viskoznega trenja γ?

b) Kakšne so γ enote v mednarodnem sistemu enot?

Rešitev

Za razliko od statičnih ali kinetičnih koeficientov trenja ima koeficient viskoznega trenja dimenzije, kar mora biti:

Vam lahko služi: fizično oprijem: kaj je in primeri

Moč / hitrost

Sila ima dimenzije mase x dolžine /časa², Medtem ko so hitrosti dolžine/čas. Z označevanjem na naslednji način:

-Masa: m

-Dolžina: l

-Čas: t

Dimenzije viskoznega koeficienta trenja γ so:

[M.L /t²] / [L / t] = [m.L.T / l.T²] = M/t

Rešitev b

V SI so γ enote kg/s

- Vaja 2

Ob upoštevanju odpornosti, ki ji voda nasprotuje, v primerih najde izraz za končno hitrost kovinske sferita, ki se navpično spusti v cev, polno olja:

a) nizka hitrost

b) visoka hitrost

Slika 3. Prosti karoserijski diagram sferita, ki se spušča znotraj tekočine. Vir: Sears, Z. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko.

Rešitev

Na sliki se pojavi prosti karoserijski diagram, ki prikazujeta obe sili, ki delujeta na sferitu: teža in upor tekočine, sorazmerna s hitrostjo, navzgor. Newtonov drugi zakon za to gibanje določa naslednje:

γv_t - mg = 0

Kjer v_t To je končna hitrost, ki jo daje:

v_t = mg / γ

Rešitev b

Če domnevamo, da je povprečje pri visokih hitrostih, je ustrezen model tisti s kvadratno hitrostjo:

F_dotik = ½ ρ.Do.C_d.v²

Tako:

½ ρ.Do.C_d.v² - mg = 0

D.v² - mg = 0

v = √ [mg / d]

V obeh situacijah, večja kot je masa predmeta, večja je njegova končna hitrost.

Reference

1. Serway, r., Jewett, J. (2008). Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 1. 7. Ed. Cengage učenje.
2. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. Ed. Zvezek 1.
3. Tipler, str. (2006) Fizika za znanost in tehnologijo. 5. izd. Zvezek 1. Uredništvo se je vrtelo.
4. Tippens, str. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja. McGraw Hill
5. Univerza Sevilla. Sile trenja. Okreval od: laplace.nas.je.