Гипотеза 2. - Ya

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И СОЦИАЛЬНОПРАВОВОЙ ЗАЩИТЫ ДЕТСТВА АДМИНИСТРАЦИИ
ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА
МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 63
СУГЛУБЛЁННЫМ ИЗУЧЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ»
Научное общество учащихся
Исследование силы сопротивления воздуха
Выполнил: Павлова Диана
ученик 9т класса
Научный руководитель:
М. В. Самсонова
учитель физики
первой квалификационной
категории
г. Нижний Новгород
2014
Содержание
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………3
ГЛАВА 1.Теоретические вопросы, связанные с сопротивлением
при движении.…………………………………………………………………5
1.1. Аэродинамика - как наука изучающая сопротивление воздуха…...5
1.2.Сопротивление воздуха при движение тел……………………….….6
1.3. Баллистика…………………………………………………………….7
1.4.Деривация……………………………………………………………...8
Глава 2. Экспериментальные методы и сложности измерения силы
сопротивления…………………………………………………………….…..9
Глава 3. Экспериментальная часть………………………………..………..10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………...13
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………....….14
ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………….......15
2
Введение
Актуальность темы. Мы настолько привыкли к тому, что окружены
воздухом, что зачастую не обращаем на это внимания. Несмотря на это сила
сопротивления воздуха напоминает о себе практически при любом действии,
едем ли мы на автомобиле, летим ли на самолете, даже если просто кидаем
камень. Нам показалось интересным изучить, что собой представляет сила
сопротивления воздуха на примере таких простых случаев. Поэтому нашей
основной задачей является выяснение того, от каких факторов зависит
сопротивление воздуха.
Область исследования: Механика
Предмет исследования: Сопротивление воздуха
Проблема. Исходя из того что, сила сопротивления воздуха складывается из
двух величин – сопротивления трения поверхности тела и сопротивления
формы тела, необходимо добиваться уменьшения силы трения
и
уменьшения неровностей и шероховатостей на внешних деталях при
изготовлении автомобилей и любых иных транспортных средств. Это
приводит к уменьшению сопротивления, а значит повышается скорость
автомобиля и уменьшается расход топлива при движении.
Цель моей работы ответить на вопрос, что такое сопротивление воздуха и
изучить причины возникновения силы сопротивления воздуха, исследовать
зависимость силы сопротивления воздуха от внешних факторов.
Задачи данной работы:
1. Изучить причины возникновения силы сопротивления воздуха.
2. Изучить методы измерения силы сопротивления воздуха.
3. Используя доступные методы, измерить сопротивление воздуха.
4. Исследовать зависимость силы сопротивления от формы, массы и скорости
тела.
5. Представить в виде таблиц и графиков результаты измерений силы
сопротивления воздуха.
3
Методы исследования: сбор информации, анализ, обобщение, изучение
теоретического материала, проведение лабораторной работы.
4
ГЛАВА 1.Теоретические вопросы, связанные с сопротивлением
при движении.
1.1 Аэродинамика - как наука изучающая сопротивление воздуха
Раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности
движения воздуха и других газов, а также характеристики тел, движущихся в
воздухе. К аэродинамическим характеристикам тел относятся подъемная
сила и сила сопротивления и их распределения по поверхности, а также
тепловые потоки к поверхности тела, вызванные его движением в воздухе. В
аэродинамике рассматриваются такие тела, как самолеты, ракеты, воздушнокосмические летательные аппараты и автомобили.
В аэродинамике принимаются во внимание такие свойства воздуха, как
плотность, давление, температура и молекулярный состав.
 Давление представляет собой силу, действующую на единицу
площади.
 Плотность определяется как масса воздуха, содержащегося в единице
объема.
 Температура воздуха (или какого-либо другого газа) служит мерой
средней
кинетической
энергии
молекул
(равной
половине
произведения массы на квадрат скорости), отнесенной к единице
массы.
Важной
физической
характеристикой
газа,
зависящей
только
от
температуры, является скорость звука. Скорость звука a (м/с) в воздухе
можно вычислить, зная абсолютную температуру T (K), по формуле.
Связь между давлением p, плотностью r и абсолютной температурой T
дается формулой p = rRT, где R – газовая постоянная величина. Изменение
плотности прямо пропорционально изменению давления.
1.2 Сопротивление воздухапри движение тел
5
Что такое сила сопротивления воздуха? Речь здесь идет, прежде всего, о
прикладных технических задачах, при решении которых на первых порах
забывается, что существует сила сопротивления воздуха. Она напоминает о
себе практически при любом действии. Вы не задумывались, почему
автомобили имеют такую обтекаемую форму и ровную поверхность? А ведь
все на самом деле очень понятно. Сила сопротивления воздуха складывается
из двух величин – из сопротивления трения поверхности тела и
сопротивления формы тела. С целью уменьшения силы трения и добиваются
уменьшения неровностей и шероховатостей на внешних деталях при
изготовлении автомобилей и любых иных транспортных средств. Для этого
их грунтуют, окрашивают, полируют и лакируют. Подобная обработка
деталей приводит к тому, что сопротивление воздуха, воздействующее на
автомобиль, уменьшается, повышается скорость автомобиля и уменьшается
расход топлива при движении. Наличие силы сопротивления объясняется
тем, что при движении автомобиля воздух сжимается и перед ним создается
область местного повышенного давления, а за ним, соответственно, область
разрежения. Надо отметить, что при повышенных скоростях движения
машины основной вклад в сопротивление вносит форма авто.Сила
сопротивления, формула расчета которой приведена ниже, определяет
факторы, от которых она зависит.
Сила сопротивления = Сх*S*V2*r/2
где S – площадь передней проекции машины;Cx – коэффициент,
учитывающий аэродинамическое сопротивление;V – скорость движения;r плотность воздуха.
Основной вклад вносят два компонента: квадрат скорости и форма
автомобиля. Чем более обтекаемым будет автомобиль, тем меньше
сопротивление воздуха.
1.3 Баллистика
6
Баллистика— наука о движении тел, брошенных в пространстве, основанная
на математике и физике. Она занимается, главным образом, исследованием
движения снарядов, выпущенных из огнестрельного оружия, ракетных
снарядов и баллистических ракет. Различают внутреннюю баллистику,
занимающуюся исследованием движения снаряда в канале орудия; внешняя
баллистика исследует движение снаряда по выходу из орудия. Под внешней
баллистикой понимают, как правило, науку о движении тел в воздушном и
безвоздушном пространстве под действием только внешних сил. Слово
«внешний» в данном термине происходит от рассмотрения движения
артиллерийского снаряда вне орудийного ствола.Главной задачей научной
баллистики является математическое решение задачи о зависимости кривого
полета (траектории) брошенных и выстрелянных тел от ее факторов (силы
пороха, силы тяжести, сопротивления воздуха, трения).
Баллистическая траектория – это траектория, по которой движется тело,
обладающее некоторой начальной скоростью, под действием силы тяготения
и силы аэродинамического сопротивления воздуха.
Без учёта сопротивления воздуха баллистическая траектория, согласно
первому
закону
Кеплера,
представляет
собой
расположенную
над
поверхностью Земли часть эллипса, один из фокусов которого совпадает с
гравитационным центром Земли. Поскольку большая часть траектории
баллистических ракет достаточно большой дальности (более 500 км)
проходит в разреженных слоях атмосферы, где сопротивление воздуха
практически отсутствует, их траектории на этом участке являются
эллиптическими.
1.4 Деривация
Деривация (от лат. derivatio — отведение, отклонение) в военном деле —
отклонение траектории полёта пули или артиллерийского снаряда (это
касается
только
нарезного
оружия)
под
воздействием
вращения,
7
придаваемого нарезами, то есть вследствие гироскопического эффекта.
Явление деривации при движении продолговатых снарядов было впервые
описано в трудах российского военного инженера генерала Н. В. Маиевского.
Траектория (пули/снаряда) — линия не прямая, а приближающаяся к
параболе, которая всё более отклоняется вниз от направления оси вращения
пули в момент её вылета из ствола. Вследствие одновременного воздействия
на пулю вращательного движения и сопротивления воздуха, стремящегося
опрокинуть пулю головной частью назад, ось пули отклоняется от
направления полёта в сторону вращения. Происходит это потому, что
аэродинамический поток постоянно стремится приподнять головную часть
пули. Поэтому она начинает занимать всё более выгодное с точки зрения
сопротивления положение, так, чтобы ось вращения максимально совпадала
с касательной к траектории. Это уводит её по направлению вращения.
Направление
Поскольку
деривации
в
совпадает
подавляющем
с
направлением
большинстве
нарезки
современных
ствола.
моделей
огнестрельного оружия нарезы идут слева-верх-направо, деривационное
отклонение (пули/снаряда) также происходит вправо.
На деривацию в частности, влияют следующие факторы:
 Шаг нарезов в стволе оружия. Круче нарезка, сильнее деривация.
 Вес (пули/снаряда). Тяжёлые пули меньше отклоняются деривацией.
 Возвышение ствола оружия при стрельбе (т. н. угол бросания)
 Температура воздуха. Чем она ниже, тем, как правило, сильнее
деривация.
ГЛАВА 2. Экспериментальные методы и сложности измерения силы
сопротивления.
Полет на высотах в диапазоне высот от 30 км до 130 км, где реализуется
свободномолекулярное течение, чрезвычайно трудно проанализировать
8
теоретически. Экспериментальные исследования также осложняются тем, что
вследствие низкой плотности потока требуется высокоточная измерительная
аппаратура, с помощью которой можно было бы измерить малые подъемную
силу и силу сопротивления, действующие на тело.
Для экспериментального исследования законов аэродинамики используется
один из двух подходов: либо летательный аппарат, оборудованный
соответствующей измерительной аппаратурой, совершает полет, либо
неподвижное тело, оборудованное измерительными датчиками, обтекается
воздушным потоком. Как отмечалось выше, в отношении явлений обтекания
оба случая эквивалентны.
Практически
все
экспериментальные
исследования
аэродинамических
явлений, связанных с обтеканием самолета, проводятся на маломасштабных
моделях.
Выбор метода аэродинамического исследования зависит от его цели, однако
наиболее простым, дешевым и надежным средством экспериментальных
исследований является аэродинамическая труба. Модель выставляется в
искусственно создаваемый воздушный поток таким образом, чтобы можно
было измерить действующие на нее силы и моменты сил или исследовать
особенности течения около модели.
Еще
одним
способом,
используемым
в
некоторых
специальных
исследованиях, является испытание моделей в свободном полете. Модель
выстреливается в длинную трубу, в которой давление может изменяться в
широком диапазоне.
9
ГЛАВА 3 .Экспериментальная часть.
Опыт№1.
В этой части моей работы я хотела провести эксперименты, связанные с
сопротивлением воздуха. Главные задачи моей работы были: исследовать
зависимость силы сопротивления воздуха от материала и формы тела, а
также установить зависимость сопротивления воздуха при движении тела.
Для первой работы я слепила из пластилина тела разной обтекаемостью с
одинаковой массой. После, подобрала другие детали, но уже из другого
материала.
Проведя эксперименты, с данными телами, я высчитала их среднею скорость
и занесла все показатели в таблицу.
Высота, с которой я проводила эксперимент, была равна 2,5 м
Пластилин
1 Кнопка
m, г
150г
tср. с
0,834с
2 Прямоуголь- 150г
ник
3 Шар
150г
1,148с
4 Пуля
0,768с
150г
0,794с
5 Копье
150г 0,762с
Зная среднею скорость падения
Другие
Прут
m, г
500
г
Деревянный брусок 100
г
Металлический
200
шарик
г
Замок
150
г
Заглушка для ванны 50г
каждого предмета, нужно найти
tср. с
0,665с
0,7975с
0,74с
0,805с
0,705с
ускорение,
для ответа на поставленную задачу. Для этого преобразуем формулу: h=at2/2
=>a=2h/t2
Подсчитываем все данные и заносим в таблицу.
Пластилин
1 Кнопка
а, м/с2
7,19м/с2
2 Прямоугольник
3,79м/с2
F, Н
391,5
Н
901,5
Н
Другие
Прут
а, м/с2
11,7м/с2
F, Н
925 Н
Деревянный
брусок
7,86м/с2
194 Н
10
3 Шар
7,93м/с2
4 Пуля
5 Копье
8,48м/с2
8,61м/с2
280,5
Н
198 Н
178,5
Н
Металлический
9,13м/с2
шарик
Замок
7,72м/с2
Заглушка
для 10,1м/с2
ванны
134 Н
312 Н
503 Н
В результате проведенных экспериментов мы убедились, что сила
сопротивления воздуха не зависит от массы тел, но сильно зависит от формы.
Опыт№2.
Задача состоит в том, чтобы установить зависимость силы сопротивления
при движении тела в воздухе от скорости тела (для этого опыта из бумаги
сделаем 4 бумажныхворонки). Для этого нам нужно опровергнуть или
подтвердить две гипотезы, для выявления точного результата и вывода.
Гипотеза 1. При большом сопротивлением воздуха сила сопротивления
может быть пропорциональной квадрату скорости и в том случае, когда
скорость мала. Этот эксперимент мы будет проводить на бумажных
воронках. Пусть F~v, тогда n вложенных друг в друга воронок с высоты nh
падают такое же время, как одна воронка с высоты h. Проведя данный опыт,
гипотеза не была подтверждена.
Гипотеза 2.Теперь пусть будет F~v2. Докажем, что время падение 4 воронок
с высоты 2h, будет равно времени падения 1 воронки с высоты h.
Число
воронок
1
1
2
2
4
4
Высота
t1,с
t2,с
t3,с
tср.
vср., м/с
1м
2м
1м
2м
1м
2м
0,62с
0,97с
0,64с
0,8с
0,65с
0,69с
0,62с
0,89с
0,64с
0,96с
0,6с
0,71с
0,69с
0,89с
0,47с
0,86с
0,6с
0,71с
0,64с
0,87с
0,58с
0,87с
0,62с
0,7с
1,56м/с
2,3м/с
1,72м/с
2,29м/с
1,61м/с
2,82м/с
Гипотеза 2 подтвердилась, а это значит, что сила сопротивления воздуха
прямо пропорциональна скорости движения в квадрате.
11
Заключение
В ходе проведенной работы, я много узнала о сопротивление воздуха и в
результате опытов, получила следующие результаты:
1. Были изучены причины возникновения и методы измерения силы
сопротивления
2. Сила сопротивления зависит от формы тела (чем больше обтекаемость,
тем меньше сопротивление)
3. Сила сопротивления зависит от массы тела (на более тяжелое тело,
сила действует больше, чем на легкое)
4. Сила сопротивления зависит от скорости тела F~v2(сила сопротивление
прямо пропорциональна скорости движения в квадрате)
12
Список используемой литературы
1. Разумовский В.Г., Орлов В.А., Никифиров Г.Г., Маейр В.В., Сауров
Ю.А. Физика. Учебник для учащихся 10 классов общеобразовательных
учреждений. Часть 1.-М.: Гуманитарный издат. Центр Владос, 2011 г.
2. http://www.vigivanie.com/nauka/1472-sila.html
3. http://aviaciaportal.ru/sila-polnogo-soprotivlenija-vozduha/
4. Бетяев С. Определение гидродинамического сопротивления //Квант.
1999. №3. С. 44-45.
13
Приложение 1.
(1)кнопка
(2)прямоугольник
(3)шар
(4)пуля
14
деревянный брусок, металлический шар, замок, заглушка для ванны,
прут
бумажные воронки
Опыт№2
15