Viscous -Reibungskoeffizient (Kraft) und Beispiele

Der viskose Reibung Es entsteht, wenn sich ein festes Objekt in der Mitte eines flüssigen Gass oder einer Flüssigkeit bewegt-. Es kann als eine Kraft modelliert werden, die proportional zum Negativ der Geschwindigkeit des Objekts oder des Quadrats.

Die Verwendung eines oder ein anderes Modell hängt von bestimmten Bedingungen ab, z. B. der Art der Flüssigkeit, in der das Objekt bewegt wird und ob es sehr schnell ist oder nicht. Das erste Modell ist bekannt als Linearer Widerstand, und darin die Größe der viskosen Reibung f_berühren Es wird gegeben durch:

F_berühren = Γv

Abbildung 1. Paracharidisten erleben während ihres Abstiegs eine viskose Kraft, da Air Widerstand bietet. Quelle: Pixabay.

Hier ist γ die Konstante der Verhältnismäßigkeit oder des viskosen Reibungskoeffizienten und V ist die Schnelligkeit des Objekts. Es gilt für Körper, die sich bei niedrigen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten mit laminarem Regime bewegen.

Im zweiten Modell, bekannt als Quadratischer Widerstand O Raylebles Gesetz, die Größe der Reibungskraft wird gemäß:

F_berühren = ½ ρ.ZU.C_D.v²

Wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit ist, ist a die Kreuzungsfläche des Objekts und c_D Es ist der aerodynamische Widerstandskoeffizient.

Das Produkt ½ ρ.ZU.C_D  Es ist eine konstante Aerodynamik namens D, deren Einheiten kg/m sind, deshalb:

F_berühren = DV²

Dieses Modell ist angemessener, wenn die Geschwindigkeit der Objekte mittel oder hoch ist, da die Bewegung Turbulenzen erzeugt oder auf ihrem Weg in der Flüssigkeit wirbelt.

Ein bewegender Tennisball und die Autos auf der Autobahn sind Beispiele für Objekte, bei denen dieses Modell ganz gut funktioniert.

Die Viskose -Kraft tritt auf, weil der Feststoff die Flüssigkeitsschichten nehmen muss. Das Vorhandensein mehrerer Modelle liegt daran, dass diese Kraft von mehreren Faktoren abhängt, wie der Viskosität der Flüssigkeit, der Geschwindigkeit und Form des Objekts.

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Es gibt mehr aerodynamische Objekte als andere und viele sind genau so konzipiert, dass der Widerstand des Middels seine Geschwindigkeit auf ein Minimum reduziert.

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Beispiele für Viskose -Reibung

Jede Person oder Objekt, die sich in einer Flüssigkeit bewegt.

In den Aussagen fast aller Probleme mit freiem Fall wird angemerkt, dass sich die Auswirkungen des Luftwiderstandes selbst verachten. Dies liegt daran.

Es gibt jedoch andere Bewegungen, bei denen viskose Reibung einen entscheidenderen Einfluss hat. Sehen wir uns einige Beispiele an:

Steine, die in Wasser und Pollenkörner fallen

-Ein Stein, der vertikal in eine Röhre voller Öl fallen lässt.

-Die Pollenkörner sind sehr klein, daher ist für sie der Widerstand der Luft nicht vernachlässigbar, denn dank dieser Stärke gelingt es ihnen, lange Zeit über Wasser zu bleiben, was saisonale Allergien verursacht.

Figur 2. Pollenkörner sind klein genug, damit der Luftwiderstand einen signifikanten Effekt hat. Quelle: Pikrepo.

Schwimmer und Radfahrer

-Im Falle von Schwimmern verwenden sie einen Hut und rasieren vollständig, damit der Widerstand des Wassers die Geschwindigkeit nicht subtrahiert.

-Wie Schwimmer erleben Radfahrer im Counterreloj Luftwiderstand, folglich haben Helme aerodynamische Konstruktionen, um die Effizienz zu verbessern.

Auch die Position des Radfahrers innerhalb einer Gruppe im Wettbewerb ist relevant. Derjenige, der den Marsch leitet, erhält offensichtlich den größten Widerstand der Luft, während für diejenigen, die den Marsch schließen, fast nil ist.

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Paracharidisten

-Sobald ein Fallschirmjäger den Fallschirm geöffnet ist. Auf diese Weise verringert es seine Geschwindigkeit und wenn das Reiben dem Sturz entgegenwirkt, erreicht es einen konstanten Grenzwert.

Autos

-Für Autos sind der aerodynamische Widerstandskoeffizient, eine Konstante, die experimentell und die Oberfläche gegen den Wind vorsieht. Deshalb sind sie mit geneigten Windschutzscheiben gestaltet.

Millikans Ölabfall -Experiment

-Im Millikan Oil Drop -Experiment untersuchte der Physiker Robert Millikan die Bewegung von Öltropfen in der Mitte eines gleichmäßigen elektrischen Feld.

Dafür musste der Radius der Tropfen, die aufgrund seiner geringen Größe nicht durch direkte Maßnahme bestimmt werden konnten. In diesem Fall war die viskose Reibung erheblich und die Tropfen bremsen. Diese Tatsache, die den Radius der Tropfen und dann die elektrische Ladung bestimmen darf.

Übungen

- Übung 1

In der Gleichung für viskose Reibungskraft bei niedriger Geschwindigkeit:

F_berühren = Γv

a) Welche Abmessungen sollten der viskose Reibungskoeffizient γ haben?

b) Was sind die γ -Einheiten im internationalen Einheitensystem?

Lösung für

Im Gegensatz zu statischen oder kinetischen Reibungskoeffizienten hat der viskose Reibungskoeffizient Abmessungen, die sein müssen:

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Stärke / Geschwindigkeit

Die Kraft hat Abmessungen der Masse x Länge /Zeit², Während Geschwindigkeiten Länge/Zeit sind. Indem Sie sie wie folgt bezeichnen:

-Messe: m

-Länge: l

-Zeit: t

Die Abmessungen des viskosen Reibungskoeffizienten γ sind:

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

Lösung b

In der SI sind die γ -Einheiten kg/s

- Übung 2

Unter Berücksichtigung des Widerstandes, den Wasser ausspricht, findet in Fällen ein Ausdruck für die Klemmengeschwindigkeit eines Metallkugels, der vertikal in ein Rohr voller Öl fällt:

a) niedrige Geschwindigkeit

b) hohe Geschwindigkeit

Figur 3. Freies Körperdiagramm eines Spherits, der in einer Flüssigkeit herabsteigt. Quelle: Sears, Z. Universitätsphysik mit moderner Physik.

Lösung für

In der Abbildung erscheint das freie Körperdiagramm, das die beiden Kräfte zeigt, die auf den Spherit wirken: das Gewicht nach unten und den Widerstand der Flüssigkeit, proportional zur Geschwindigkeit, nach oben nach oben. Newtons zweites Gesetz für diese Bewegung legt Folgendes fest:

γV_T - mg = 0

Wo v_T Es ist die Terminalgeschwindigkeit, gegeben von:

v_T = mg / γ

Lösung b

Wenn wir bei hohen Geschwindigkeiten durchschnittlich annehmen, ist das entsprechende Modell das mit quadratischen Geschwindigkeit:

F_berühren = ½ ρ.ZU.C_D.v²

So:

½ ρ.ZU.C_D.v² - mg = 0

D.v² - mg = 0

v = √ [mg / d]

In beiden Situationen ist die Masse des Objekts umso größer, je größer seine Endgeschwindigkeit ist.

Verweise

1. Serway, r., Jewett, J. (2008). Physik für Wissenschaft und Ingenieurwesen. Band 1. 7. Ed. Cengage Lernen.
2. Sears, Zemansky. 2016. Universitätsphysik mit moderner Physik. 14. Ed. Band 1.
3. Tipler, p. (2006) Physik für Wissenschaft und Technologie. 5. ed. Band 1. Redaktion zurückgekehrt.
4. Tippens, p. 2011. Physik: Konzepte und Anwendungen. 7. Ausgabe. McGraw Hill
5. Sevilla University. Reibungskräfte. Erholt von: Laplace.uns.Ist.