抗力の計算方法

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著者: Monica Porter
作成日: 22 行進 2021
更新日: 19 11月 2024
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【物理基礎】 運動と力19 重力と接触力 (18分)
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誰もが抗力の概念を直感的によく知っています。水の中を歩いたり自転車に乗ったりすると、運動量が増えて動きが速くなると、周囲の水や空気から抵抗が増すことに気づきます。どちらも物理学者によって流体と見なされています。ドラッグフォースがない場合、世界は野球での1,000フィートのホームラン、陸上競技場でのはるかに速い世界記録、そして超自然的なレベルの燃料経済を備えた車に扱われるかもしれません。

推進力ではなく制限力である抗力は、他の自然の力ほど劇的ではありませんが、機械工学および関連分野では重要です。数学を志向する科学者の努力のおかげで、自然界の抗力を特定できるだけでなく、日常のさまざまな状況で数値を計算することもできます。

抗力方程式

物理学では、圧力は単位面積あたりの力として定義されます。 P = F / A。 「D」を使用してドラッグ力を具体的に表すと、この方程式は D = CPAここで、Cはオブジェクトごとに異なる比例定数です。流体内を移動するオブジェクトへの圧力は、(1/2)ρvで表すことができます2ここで、ρ(ギリシャ文字rho)は流体の密度、vはオブジェクトの速度です。

したがって、 D =(1/2)(C)(ρ)(v2)(A).

この方程式のいくつかの結果に注意してください。抗力は密度と表面積に正比例して上昇し、速度の2乗とともに上昇します。時速10マイルで走っている場合、時速5マイルで行うときの4倍の空力抵抗が発生しますが、他のすべては一定です。

落下する物体に力をかける

古典力学からの自由落下のオブジェクトの運動方程式の1つは v = v0 +で。その中で、v =時間tでの速度、v0 は初期速度(通常はゼロ)、aは重力による加速度(9.8 m / s2 地球上)、tは経過時間(秒単位)です。この式が厳密に当てはまる場合、大きな高さから落下したオブジェクトが絶えず増加する速度で落下することは一見しただけでは明白ですが、それはドラッグ力を無視するためではありません。

オブジェクトに作用する力の合計がゼロになると、オブジェクトは加速しなくなりますが、高速で一定の速度で動いている可能性があります。したがって、スカイダイバーは、抗力と重力が等しいときに最終速度に達します。彼女は体の姿勢を介してこれを操作できます。これは、ドラッグ方程式のAに影響します。最終速度は時速120マイルです。

スイマーのドラッグフォース

競泳選手は4つの明確な力に直面します。重力と浮力は垂直面で互いに反作用し、抗力と推進力は水平面で反対方向に作用します。実際、推進力は、おそらくあなたが推測したように、空気のそれよりもはるかに大きい水の抗力を克服するためにスイマーの足と手によって加えられる抗力にすぎません。

2010年まで、オリンピック水泳選手は数年前から存在していた特別な空力スーツの使用を許可されていました。体を支配する水泳は、スーツの効果が非常に顕著であったためスーツを禁止しました。さもなければ、スーツなしでは目立たない(しかしまだ世界クラスの)アスリートによって世界記録が破られています。