Force de traînée

Pourquoi est-il plus difficile de marcher dans l'eau que dans l'air ? La réponse est la force de traînée. L'eau contribue à une force de traînée plus élevée que l'air, il est donc plus difficile de marcher dans l'eau parce qu'une force plus importante agit contre toi. La force de traînée ralentit les objets qui se déplacent dans un fluide. Cet article traite de la définition, des types et des exemples de force de traînée, de l'équation de la force de traînée et d'un exemple de recherche de la force de traînée.

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Dans quelle direction la force de traînée agit-elle ?

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Quelle condition ne s'applique pas à la capacité d'utiliser l'équation de la force de traînée avec précision ?

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Qu'est-ce que la loi de Stokes ?

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Lequel des éléments suivants n'est pas un exemple de force de traînée ?

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Que représente \(A\) dans l'équation de la force de traînée ?

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Si la densité du fluide augmente, la force de traînée diminue.

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Si la section transversale effective de l'objet diminue, la force de traînée augmente.

$$ D=\frac{1}{2}C\rho Av^2$$


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Les objets ayant un coefficient de traînée plus élevé créeront plus de traînée que ceux ayant un coefficient plus faible.

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Un modèle de fusée est placé dans une soufflerie avec la pointe dans la direction du vent. Elle a un diamètre de \(5\N,\Nmathrm{cm}\N) et une longueur de \N(10\N,\Nmathrm{cm}\N). Quelle est la surface de la section transversale effective ?

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    La force de traînée en physique

    Cet article est sur le point de te déverser beaucoup d'informations d'un coup, alors je vais essayer de ne pas en faire une corvée.

    En physique, la force de traînée est la force qui s'oppose au mouvement relatif entre un objet et un fluide.

    Un fluide est tout ce qui s'écoule, comme un liquide ou un gaz. Lorsque le fluide est de l'air, la force de traînée est appelée résistance de l'air.

    L'objet peut se déplacer dans le fluide, ou le fluide peut se déplacer autour de l'objet- dans les deux cas, la force de traînée agit dans la direction opposée au mouvement relatif. De cette façon, la force de traînée est similaire à la friction, mais le mouvement se fait entre un solide et un fluide au lieu de deux solides. L'image ci-dessous montre un homme qui court dans l'air (un fluide). Comme le mouvement de l'homme se fait vers la droite, la force de traînée agirait à l'opposé de ce mouvement, vers la gauche, comme le montrent les flèches sur la figure.

    Et si l'homme reste immobile et que l'air passe devant lui sous forme de vent, comme dans l'image ci-dessous ? Comme tu peux le voir sur les flèches de la figure, la force de traînée agirait dans la direction du vent ; c'est parce que le mouvement relatif entre l'homme et l'air est le même que dans l'image ci-dessus, mais au lieu que l'homme se déplace vers la droite, l'air se déplace simplement vers la gauche.

    Et si l'homme courait dans le sens du vent ? À ce stade, tout dépend s'il court plus vite ou plus lentement que le vent. Il peut être utile de penser que la direction de la traînée est la direction dans laquelle tu sentirais la pression, ou la force, du fluide. S'il sent la brise sur son front, la force de résistance est dirigée vers son front ; s'il sent la brise sur son dos, la force de résistance est dirigée vers son dos.

    S'il court à la même vitesse que le vent et ne ressent donc pas de brise, il n'y aura pas de force de résistance puisqu'il n'y aura pas de mouvement relatif entre lui et l'air qui l'entoure. En revanche, s'il sautait d'un balcon, il sentirait le vent vers le haut, de sorte que la force de traînée pointerait vers le haut.

    La force de traînée est un élément important à prendre en compte dans les conceptions techniques. Comprendre la force de traînée et comment la réduire permet de concevoir des structures et des ponts plus solides qui résistent mieux au vent, des voitures et des avionsplus efficaces, et une collecte plus efficace de l'énergie éolienne et de l'énergie hydroélectrique.

    Types de force de traînée

    Il existe différents types de force de traînée, en particulier lorsqu'on considère le vol des avions :

    • Traînée parasite - Traînéecausée par la forme, le matériau et le type de construction de l'objet.
      • Traînée de forme-Latraînée due à la forme de l'objet qui se déplace dans le fluide.
      • Traînée de frottement de la peau -Traînée due à la rugosité de la surface de l'objet.
      • Traînée d'interférence -Traînée résultant de la rencontre et de l'interférence de deux flux d'air de vitesses différentes.
    • Traînée induite -Traînée résultant de la portance.
    • Traînée par les ondes :traînée due aux ondes de choc.

    Si la densité des mots pouvait être prise en compte, cet article aurait une force de traînée massive.

    Exemples de force d'entraînement

    C'est reparti pour un tour -encore plus d'exemples. C'est comme marcher dans du miel.

    La résistance est présente lorsqu'il y a un mouvement relatif entre un objet et un fluide. Voici quelques exemples de la force de traînée :

    • Tout objet qui tombe dans l'air. Par exemple, les parachutistes utilisent les principes de la force de traînée pour se déplacer et se positionner dans l'air, et lorsqu'ils ouvrent leur parachute, la force de traînée plus importante qui est créée les aide à ralentir pour atterrir.
    • La force de traînée ralentit les voitures, les avions et les bateaux lorsqu'ils se déplacent. Les ingénieurs augmentent donc l'aérodynamisme de ces véhicules afin de réduire la traînée et d'augmenter l'efficacité des véhicules.
    • Les nageurs luttent contre la force de traînée lorsqu'ils nagent. Même le fait de se raser peut réduire la traînée et augmenter la vitesse des nageurs.
    • Les écureuils volants utilisent leur peau en forme d'aile pour utiliser la force de traînée afin de contrôler leur vol et leurs atterrissages.
    • Si tu te plaçais au sommet d'un train qui se déplace rapidement, il ne serait pas aussi facile de se tenir debout ou de courir que les films le laissent entendre, car une force de traînée s'exercerait sur toi.
    • La force de traînée fait voler les cerfs-volants. Tu dois courir vers l'avant avec le cerf-volant pour que la force de traînée pousse contre lui et le soulève dans les airs.

    Équation de la force de traînée

    L'équation ou la formule courante de la force de traînée est présentée ci-dessous :

    $$D=\frac{1}{2}\\C\rho Av^2\mathrm{.}$$

    Cette équation n'est exacte que dans certaines conditions : le mouvement est suffisamment rapide pour que le fluide derrière l'objet soit turbulent, le fluide n'est pas plus dense que l'air et l'objet n'est pas minuscule. Comme pour les autres forces, la force de traînée est mesurée en \(\mathrm{newtons}\) \(\mathrm{N}\).

    Formule de la force de traînée

    Ci-dessus, tu as probablement vu un tas de variables que tu n'avais jamais vues auparavant. Pour t'aider à comprendre ce qu'est la force de traînée, nous allons passer en revue chacune de ces variables.

    \(C\) est le coefficient de traînée, qui est un nombre sans unité qui a été déterminé expérimentalement. \(\rho\) représente la densité du fluide en \(\mathrm{kg/m^3}\) ; plus la densité augmente, plus la force de traînée augmente. Dans notre premier exemple, l'eau contribue à une force de traînée plus élevée que l'air parce qu'elle a une densité plus élevée.

    \(A\) est la section transversale effective de l'objet en \(\mathrm{m^2}\) - ils'agit de la section de l'objet qui est perpendiculaire au mouvement. Ainsi, par exemple, lorsque tu passes ta main par la fenêtre d'une voiture en mouvement, si tu inclines ta main de façon à ce que le côté soit orienté vers l'avant de la voiture, tu ressentiras moins de force que si tu passes ta main avec la paume orientée vers l'avant : c'est parce que ta main a une plus petite section transversale dans la première orientation.

    \(v\) est la vitesse relative entre l'objet et le fluide en \(\mathrm{m/s}\). Si tu mets ta main dans l'eau et que tu l'abaisses d'un coup sec, tu sentiras une force plus importante lutter contre toi que si tu l'abaisses lentement. La force de traînée diffère de la friction parce que la friction ne dépend pas de la vitesse de l'objet.

    Loi de Stokes

    As-tu apprécié les jeux de mots terribles jusqu'à présent ? Je ne veux pas attiser le feu qui brûle dans ton cœur à cause de toutes ces blagues de papa, mais je me dois de le faire.

    Lorsque les conditions ne répondent pas aux exigences énumérées ci-dessus, nous pouvons utiliser la loi de Stokes pour trouver la force de frottement :

    $$F_s = 6\pi \eta r v$$

    où \(\eta \) est la viscosité du fluide en unités SI de Pascal-secondes \(\mathrm{Pa\,s}\), ce qui correspond aux kilogrammes par mètre-seconde \(\mathrm{kg/m\,s}\), \(r\) est le rayon de l'objet en mètres, et \(v\) est la vitesse en mètres par seconde \(\mathrm{m/s}\). Dans ce cas, la force de traînée est proportionnelle à la vitesse plutôt qu'à la vitesse au carré. Avec cette équation, la force de traînée peut être qualifiée de force de traînée visqueuse, où la force de traînée dépend de la viscosité du fluide.

    Force de traînée en chute libre- Vitesse terminale

    Si tu laisses tomber une balle rebondissante de l'empire state building, la force agissant contre la balle est initialement négligeable puisque la vitesse commence à zéro. Au lieu de cela, la principale force qui agit sur elle est la force de gravité, qui la tire vers le bas et la fait accélérer. Au fur et à mesure que la vitesse augmente, la force de traînée qui s'oppose à la chute de la balle augmente. Cette force opposée ralentit l'accélération de la balle jusqu'à ce que la force de traînée soit égale à la force de gravité et que la balle n'accélère plus. À ce moment-là, la balle atteindra une vitesse constante à sa vitesse terminale.

    Exemple de problème utilisant la force de traînée

    Il est maintenant temps de donner un exemple.

    Une boîte tombe dans l'air à une vitesse de \(12,\mathrm{m/s}\). Ses dimensions sont de \(0,5\,\mathrm{m} \cdot 0,5\,\mathrm{m} \cdot 2\,\mathrm{m}\), orientées verticalement comme le montre l'image ci-dessous. La densité de l'air est de \(1,225\,\mathrm{kg/m^3}\), et le coefficient de traînée pour la boîte est de \(2,1\). Quelle est la force de traînée ?

    Force de traînée Boîte qui tombe StudySmarterFig. 3 - Boîte tombant avec une section transversale de \(0,5\,\mathrm{m}\cdot 0,5\,\mathrm{m}\)

    La plupart des variables sont assez explicites et nous pouvons les insérer directement dans notre équation de la force de traînée. La variable la plus délicate à utiliser est la surface. Nous avons besoin de la surface de section efficace, qui est la surface de la boîte qui fait face au mouvement- dans ce cas, nous pouvons considérer qu'il s'agit de la surface qui fait face au vent lorsqu'il tombe. Cette surface est \N(0,5\N,\Nmathrm{m} \cdot 0,5\N,\Nmathrm{m}\N), ou \N(0,25\N,\Nmathrm{m^2}\N). Nous pouvons maintenant écrire notre équation

    $$D=\frac{1}{2}\\C\rho A v^2\mathrm{,}$$$

    et insérer le tout dans l'équation

    $$D=\frac{1}{2}\\(2.1)(1.225\,\mathrm{kg/m^3})(0.25\,\mathrm{m^2})(12\,\mathrm{m/s^2})^2\mathrm{,}$$

    ce qui nous donne la réponse

    $$D=46.3\,\mathrm{N.}$$

    Si nous vérifions à nouveau les unités dans notre équation, nous pouvons voir qu'elles s'annulent toutes pour nous donner \(\mathrm{kg\,m/s^2}\), ce qui est la même chose que \(\mathrm{newtons}\).

    Avec un peu de chance, terminer cet article n'a pas été trop pénible - c'est plutôtcomme marcher dans une brise luxuriante que dans du miel froid. Si ta réponse était le miel, pas de panique, tu as presque terminé : voici les points les plus importants que tu dois retenir.

    Force de traînée - Points essentiels à retenir

    • La force de traînée est la force qui s'oppose au mouvement relatif entre un objet et un fluide.
    • La direction de la force de traînée est toujours opposée au mouvement relatif.
    • Les types courants de force de traînée comprennent la traînée parasite, la traînée de forme, la traînée de frottement de la peau, la traînée d'interférence, la traînée induite et la traînée de vague.
    • Pour la plupart des scénarios simples (si la vitesse est élevée, si la viscosité du fluide est faible et si l'objet n'est pas minuscule), l'équation de la force de traînée est \(D=\frac{1}{2}\C\rho Av^2\).
    • Nous pouvons utiliser la loi de Stokes pour trouver la force de traînée lorsqu'une situation ne remplit pas les conditions nécessaires à l'utilisation de la force de traînée.
    Questions fréquemment posées en Force de traînée
    Qu'est-ce que la force de traînée?
    La force de traînée est une force qui s'oppose au mouvement d'un objet à travers un fluide, comme l'air ou l'eau.
    Comment la force de traînée affecte-t-elle les objets en mouvement?
    La force de traînée ralentit les objets se déplaçant à travers un fluide, nécessitant plus d'énergie pour maintenir la vitesse.
    Quels facteurs influencent la force de traînée?
    Les facteurs incluent la vitesse de l'objet, la densité du fluide, la surface de l'objet et sa forme.
    Comment réduire la force de traînée?
    Pour réduire la force de traînée, on peut améliorer l'aérodynamisme de l'objet en rendant sa forme plus profilée et en diminuant sa surface frontale.

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