Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно. Венсан Бокео
с помощью той же отталкивающей электростатической силы.
• В газе молекулы не связаны друг с другом, и каждая перемещается по своей траектории. Часто происходит их столкновение между собой. Перемещение тела в таком типе текучей среды еще легче, чем в жидкости.
Происхождение разницы этих трех состояний материи мы детально рассмотрим в главе 11.
Когда вы плаваете в воде или едете на велосипеде против ветра, вы чувствуете сопротивление текучей среды: оно происходит из-за электростатического отталкивания между молекулами текучей среды и вашими атомами. Чтобы продвигаться вперед, вам необходимо расталкивать эти молекулы, что требует приложения некоторой силы. Чем выше ваша скорость, тем больше молекул вам приходится «отталкивать» за определенный промежуток времени и тем большую силу приходится прикладывать.
Таким образом, сила вязкого трения, действующая на объект, повышается по мере того, как увеличивается скорость объекта по отношению к текучей среде.
Вывод совершенно логичный, однако у твердых тел с трением все обстоит совсем не так: как мы видели, у твердых тел оно не зависит от скорости, а зависит лишь от рода вещества и силы, приложенной перпендикулярно опоре.
Напрашивается вывод, что трение текучей среды пропорционально относительной скорости тела по отношению к среде. Однако это не всегда так, и закон тут совсем не прост.
В случае с вязкой текучей средой, такой как масло, эта пропорциональность хорошо проверена: в данном случае F = kν, где ν – относительная скорость, а k – коэффициент динамической вязкости.
Но в воздухе, особенно при высоких скоростях, сила трения скорее пропорциональна относительной скорости в квадрате: F = kν². Это значит, что с ростом скорости трение увеличивается гораздо быстрее[5]. Для других случаев ни один из этих законов по-настоящему не проверен, и мы постепенно переходим от одного к другому.
Нам пока что достаточно констатировать, что трение растет при увеличении скорости, что уже позволяет сделать несколько интересных выводов.
Когда вы прыгаете из летящего самолета, на вас действуют две силы: ваш вес и сила сопротивления воздуха. По мере того как вы падаете, ваша скорость увеличивается благодаря весу. Но чем выше ваша скорость, тем сильнее трение воздуха, тогда как ваш вес не увеличивается ни на грамм. Таким образом, вы быстро достигнете скорости, при которой сила трения станет равна вашему весу: на этом этапе две силы уравновесят друг друга, и ускорение исчезнет. Ваша скорость станет стабильной и останется такой до конца.
Это значит, что прыжок со скалы высотой 1000 м или с самолета на пятикилометровой высоте даст почти один и тот же эффект: в момент, когда вы коснетесь земли, ваша скорость в обоих случаях будет идентичной, потому что вы успеете достичь предельной скорости, когда обе силы будут уравновешены. Единственный способ изменить
Это уже будет сила сопротивления воздуха, или аэродинамическое сопротивление.