Comment calculer la force de traînée

Wingtips sur les avions sont conçus pour réduire les forces de traînée.

Tout le monde est intuitivement familier avec le concept de force de traînée. Lorsque vous pataugez dans l'eau ou que vous faites du vélo, vous remarquez que plus vous exercez de travail et plus vite vous bougez, plus vous obtenez de résistance de l'eau ou de l'air environnant, considérés comme fluides par les physiciens. En l'absence de forces de traînage, le monde pourrait avoir droit à des courses de base de 1 000 pieds au baseball, à des records du monde beaucoup plus rapides en athlétisme et à des voitures aux niveaux surnaturels d'économie de carburant.

Les forces de traînée, étant restrictives plutôt que propulsives, ne sont pas aussi spectaculaires que les autres forces naturelles, mais elles sont essentielles dans le génie mécanique et les disciplines connexes. Grâce aux efforts des scientifiques soucieux des mathématiques, il est possible non seulement d'identifier les forces de traînée dans la nature, mais aussi de calculer leurs valeurs numériques dans une variété de situations de tous les jours.

L'équation de force de traînée

La pression, en physique, est définie comme la force par unité de surface: P = F / A. En utilisant "D" pour représenter la force de traînée spécifiquement, cette équation peut être réarrangée pour D = CPA, où C est une constante de proportionnalité qui varie d'un objet à l'autre. La pression sur un objet se déplaçant dans un fluide peut être exprimée comme (1/2) ρv2, où ρ (la lettre grecque rho) est la densité du fluide et v est la vitesse de l'objet.

Donc, D = (1/2) (C) (ρ) (v2)(UNE).

Notez plusieurs conséquences de cette équation: La force de traînée augmente proportionnellement à la densité et à la surface, et elle augmente avec le carré de la vitesse. Si vous courez à 10 miles par heure, vous subirez quatre fois plus de traînée aérodynamique que vous faites à 5 miles par heure, avec tout le reste constant.

Faites glisser la force sur un objet qui tombe

Une des équations de mouvement pour un objet en chute libre de la mécanique classique est v = v0 + à. Dans celui-ci, v = vitesse à l'instant t, v0 est la vitesse initiale (habituellement zéro), a est l'accélération due à la gravité (9,8 m / s)2 sur Terre), et t est le temps écoulé en secondes. Il est clair d'un coup d'oeil qu'un objet tombé d'une grande hauteur tomberait à une vitesse toujours plus grande si cette équation était strictement vraie, mais ce n'est pas parce qu'il néglige la force de traînée.

Lorsque la somme des forces agissant sur un objet est nulle, il n'accélère plus, bien qu'il puisse se déplacer à une vitesse élevée et constante. Ainsi, un parachutiste atteint sa vitesse finale lorsque la force de traînée est égale à la force de gravité. Elle peut manipuler cela à travers sa posture corporelle, ce qui affecte A dans l'équation de traînée. La vitesse terminale est d'environ 120 miles par heure.

Faites glisser la force sur un nageur

Les nageurs de compétition font face à quatre forces distinctes: la gravité et la flottabilité, qui se contrecarrent dans un plan vertical, et la traînée et la propulsion, qui agissent dans des directions opposées dans un plan horizontal. En fait, la force propulsive n'est rien de plus qu'une force de traînée appliquée par les pieds et les mains du nageur pour vaincre la force de traînée de l'eau, qui, comme vous l'avez probablement deviné, est significativement plus grande que celle de l'air.

Jusqu'en 2010, les nageurs olympiques étaient autorisés à utiliser des combinaisons spécialement aérodynamiques qui n'existaient que depuis quelques années. Le conseil d'administration de Natation a interdit les poursuites parce que leur effet était si prononcé que les records du monde ont été brisés par des athlètes qui étaient autrement banal (mais toujours de classe mondiale) sans les costumes.

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