siły oporu
Siły oporu, siły oporu ruchu – siły bierne działające na poruszające się ciała fizyczne, przeciwdziałające ruchowi tych ciał, o zwrocie skierowanym przeciwnie do kierunku do sił wprawiających te ciała w ruch. Siły oporu występują podczas przemieszczania się względem siebie ciał stałych stykających się ze sobą powierzchniami (siły tarcia) bądź poruszania się ciała stałego w ośrodku płynnym (siły oporu ośrodka).
Siły oporu ruchu
Siły oporu (Fop), określane również mianem sił oporu ruchu bądź oporami ruchu, są siłami biernymi działającymi na poruszające się ciała fizyczne, które przeciwdziałają ruchowi tych ciał i są skierowane przeciwnie do kierunku sił wprawiających te ciała w ruch oraz kierunku poruszania się tych ciał.
Siły oporu występują podczas przemieszczania się względem siebie dwóch ciał stałych stykających się ze sobą powierzchniami (siły tarcia), np. w przypadku ślizgania się lub toczenia się jednego ciała stałego po powierzchni drugiego ciała, bądź podczas poruszania się ciała stałego w ośrodku płynnym (ciekłym lub gazowym) (siły oporu ośrodka).
Wartość siły oporu jest wprost proporcjonalna do szybkości ciała (v), czyli rośnie wraz ze wzrostem szybkości poruszania się ciała względem danego ośrodka (Fop~v). Siła oporu ruchu zależy również od kształtu i rozmiaru danego ciała oraz od właściwości ośrodka, w którym porusza się to ciało, które definiowane są przez współczynnik proporcjonalności (b) (Fop= bv).
Siły tarcia
Tarcie jest zjawiskiem fizycznym polegającym na powstawaniu siły przeciwdziałającej ruchowi dwóch przemieszczających się względem siebie ciał stałych stykających się ze sobą na określonej powierzchni (tarcie zewnętrzne) bądź, w przypadku płynów i plastycznych ciał stałych, przesuwających się względem siebie warstw płynu podczas ich przepływu (tarcie wewnętrzne). Tarcie jest procesem dysypatywnym, zachodzącym z rozpraszaniem energii podczas ruchu, czyli zamianą energii mechanicznej ruchu ciał stałych na energię cieplną, powodującą ich ogrzanie.
Siła tarcia skierowana jest przeciwnie do kierunku ruchu ciał stałych i prędkości poruszania się tych ciał. Jej źródłem są mechaniczne opory ruchu wynikające z nierówności powierzchni ciał stałych (powodujące zaczepianie, odkształcanie lub odrywanie ich fragmentów) oraz oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy ich cząsteczkami. Siła tarcia zależy od rodzaju stykających się powierzchni ciał stałych, stanu ich ruchu (tarcie statyczne i dynamiczne, tarcie suwne i toczne) oraz warunków zewnętrznych (np. temperatury). Jej wartość jest wprost proporcjonalna do siły nacisku utrzymującej powierzchnie tych ciał w zetknięciu:
gdzie:
T – siła tarcia
μ – współczynnik tarcia (zależny od rodzaju powierzchni)
N – siła nacisku
Tarcie statyczne występuje pomiędzy nieruchomymi ciałami stałymi. Siła tarcia statycznego równoważy działające na nie siły zewnętrzne i jest styczna do powierzchni ich przylegania. Ciała stałe zaczynają się poruszać, gdy siła nacisku jest większa od maksymalnej wartości siły tarcia statycznego, wyrażanej wzorem:
gdzie:
Ts – maksymalna siła tarcia statycznego
μs – współczynnik tarcia statycznego
N – siła nacisku
Tarcie dynamiczne występuje podczas przesuwania się ciał względem siebie (tarcie suwne) bądź podczas toczenia się jednego ciała po powierzchni ciała drugiego (tarcie toczne). Siła tarcia dynamicznego jest styczna do powierzchni przylegania ciał i skierowana przeciwnie do kierunku ruchu jednego ciała względem drugiego. Wartość tej siły dla ciał poruszających się z niewielką szybkością wyraża się wzorem:
gdzie:
Td – siła tarcia dynamicznego
μd – współczynnik tarcia dynamicznego
N – siła nacisku
Współczynnik tarcia statycznego jest większy od współczynnika tarcia dynamicznego, gdyż siła oporu występująca przy wprawianiu danego ciała stałego w ruch jest przeważnie większa od sił oporu występujących podczas ruchu ciał stałych względem siebie.
Siły oporu ośrodka
Siły oporu ośrodka (siły oporu czołowego) występują podczas poruszania się ciała stałego w ośrodku płynnym – ciekłym (opór hydrodynamiczny) bądź gazowym (opór aerodynamiczny), niezależnie od sił tarcia wewnętrznego (lepkości) występujących pomiędzy warstwami tego płynnego ośrodka.
Opór hydro(aero)dynamiczny stanowi składową wektora siły hydro(aero)dynamicznej działającej na ciało stałe poruszające się w danym ośrodku płynnym, która wynika z siły parcia spowodowanej ciśnieniem wywieranym przez ośrodek na powierzchnię tego ciała oraz sił lepkości ośrodka w jego pobliżu. Siły oporu ośrodka są równoległe do kierunku ruchu ciała względem ośrodka oraz skierowane przeciwnie do kierunku poruszania się tego ciała.
Siły oporu ośrodka dla ciała poruszającego się z niewielką szybkością zależą głównie od sił tarcia lepkiego i są wprost proporcjonalne do szybkości tego ciała, zgodnie z poniższą zależnością:
gdzie:
Fop – siła oporu ośrodka
k1 – współczynnik zależny od kształtu i rozmiaru ciała stałego, stanu jego powierzchni oraz właściwości ośrodka (jego lepkości)
v – szybkość ciała stałego w ośrodku
Siły oporu ośrodka dla ciała stałego poruszającego się z dużą prędkością związane są głównie z oporem ciśnieniowym wynikającym z różnicy ciśnień w ośrodku przed i za poruszającym się w nim ciałem i są proporcjonalne do kwadratu szybkości tego ciała, zgodnie z zależnością:
gdzie:
Fop – siła oporu ośrodka
k2 – współczynnik zależny od kształtu i rozmiaru ciała stałego
v2 – kwadrat szybkości ciała stałego w ośrodku
Opór ośrodka (opór hydrodynamiczny bądź aerodynamiczny) wynikający z różnicy ciśnień dla danych rozmiarów poprzecznych ciała stałego w dużej mierze zależy od jego kształtu (opór kształtu). Najmniejszy opór stawiają ciała o kształcie opływowym (dobrze opływanym przez ośrodek), największy opór – ciała o kształcie oporowym.
