Odpor vzduchu. Jakub Benda a Milan Rojko, Gymnázium Jana Nerudy, Praha

Podobné dokumenty
m = V = Sv t P i tomto pohybu rozpohybuje i tekutinu, kterou má v cest. Hmotnost této tekutiny je nepochybn

1. Dva dlouhé přímé rovnoběžné vodiče vzdálené od sebe 0,75 cm leží kolmo k rovine obrázku 1. Vodičem 1 protéká proud o velikosti 6,5A směrem od nás.

Pracovní list vzdáleně ovládaný experiment. Obr. 1: Hodnoty součinitele odporu C pro různé tvary těles, převzato z [4].

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

6. Mechanika kapalin a plynů

PROUDĚNÍ KAPALIN A PLYNŮ, BERNOULLIHO ROVNICE, REÁLNÁ TEKUTINA

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Diferenciální rovnice kolem nás

Vodivé plasty zajímavý materiál pro laboratorní práci

Řešení úloh 1. kola 58. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 5, 6, 7), J. Jírů (3), L.

Rozumíme dobře Archimedovu zákonu?

5b MĚŘENÍ VISKOZITY KAPALIN POMOCÍ PADAJÍCÍ KULIČKY

[GRAVITAČNÍ POLE] Gravitace Gravitace je všeobecná vlastnost těles.

Mechanika kapalin a plynů

Síla, vzájemné silové působení těles

Senzory průtoku tekutin

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Měření teplotní roztažnosti

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

Senzory průtoku tekutin

Tlumené kmitání tělesa zavěšeného na pružině

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Hydrodynamika. Archimédův zákon Proudění tekutin Obtékání těles

Měření zrychlení volného pádu

Fyzika - Kvinta, 1. ročník

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Měření magnetické indukce permanentního magnetu z jeho zrychlení

TUHÉ TĚLESO. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Mikrovlny. K. Kopecká*, J. Vondráček**, T. Pokorný***, O. Skowronek****, O. Jelínek*****

Měření modulů pružnosti G a E z periody kmitů pružiny

SCLPX 07 2R Ověření vztahu pro periodu kyvadla

Pohyb tělesa po nakloněné rovině

Hydromechanické procesy Hydrostatika

Měření hodnoty g z periody kmitů kyvadla

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Počítačem podporované pokusy z mechaniky

Vznik vztlaku a Aerodynamika rotoru větrné elektrárny

POHYBY TĚLESA V ODPORUJÍCÍM PROSTŘEDÍ

Vnitřní energie, práce a teplo

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

SCLPX 11 1R Zákon zachování mechanické energie

Kinetická teorie ideálního plynu

Měření povrchového napětí

3. Měření viskozity, hustoty a povrchového napětí kapalin

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

FYZIKA. K učebnici MECHANIKA pro gymnázia

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

VY_52_INOVACE_2NOV51. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 8.

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Fyzika 2 - rámcové příklady Magnetické pole - síla na vodič, moment na smyčku

Fyzikální praktikum 1

1) Tělesa se skládají z látky nebo menších těles mají tvar, polohu a rozměry všechna tělesa se pohybují! 2) Látky se skládají z atomů a molekul

s 1 = d t 2 t 1 t 2 = 71 m. (2) t 3 = d v t t 3 = t 1t 2 t 2 t 1 = 446 s. (3) s = v a t 3. d = m.

Tlak v kapalinách a plynech Vztlaková síla Prodění kapalin a plynů

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM

Měření měrné tepelné kapacity látek kalorimetrem

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Práce, energie a další mechanické veličiny

Stanovení požární odolnosti. Přestup tepla do konstrukce v ČSN EN

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

Chyby nepřímých měření

1. Měření hodnoty Youngova modulu pružnosti ocelového drátu v tahu a kovové tyče v ohybu

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

Výtok kapaliny otvorem ve dně nádrže (výtok kapaliny z danaidy)

Univerzita obrany K-204. Laboratorní cvičení z předmětu AERODYNAMIKA. Měření rozložení součinitele tlaku c p na povrchu profilu Gö 398

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

a) [0,4 b] r < R, b) [0,4 b] r R c) [0,2 b] Zakreslete obě závislosti do jednoho grafu a vyznačte na osách důležité hodnoty.

Řešení úloh 1. kola 60. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D Autor úloh: J. Jírů. = 30 s.

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

pracovní list studenta

Měření permitivity a permeability vakua

2 Zpracování naměřených dat. 2.1 Gaussův zákon chyb. 2.2 Náhodná veličina a její rozdělení

FYZIKA DIDAKTICKÝ TEST

12. VISKOZITA A POVRCHOVÉ NAPĚTÍ

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ TĚŽIŠTĚ

Měření měrné telené kapacity pevných látek

SÍLY A JEJICH VLASTNOSTI. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Téma: Měření voltampérové charakteristiky

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

VLHKOST A NASÁKAVOST STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ. Stavební hmoty I Cvičení 7

STANOVENÍ TÍHOVÉHO ZRYCHLENÍ REVERZNÍM KYVADLEM A STUDIUM GRAVITAČNÍHO POLE

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

HUSTOTA PEVNÝCH LÁTEK

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Pohyb tělesa, síly a jejich vlastnosti, mechanické vlastnosti kapalin a plynů, světelné jevy

Laboratorní úloha č. 5 Faradayovy zákony, tíhové zrychlení

Rychlostní a objemové snímače průtoku tekutin

VY_52_INOVACE_2NOV47. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 7.

Pokud uvažujeme v dynamice tekutin nestlačitelné proudění, lze si vystačit pouze s rovnicí kontinuity a hybnostními rovnicemi. Pokud je ale uvažováno

5. Duté zrcadlo má ohniskovou vzdálenost 25 cm. Jaký je jeho poloměr křivosti? 1) 0,5 m 2) 0,75 m 3) Žádná odpověď není správná 4) 0,25 m

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 3

Pohyby HB v některých význačných silových polích

4 Viskoelasticita polymerů II - creep

Řetězovka (catenary)

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Transkript:

Odpor vzduchu Jakub Benda a Milan Rojko, Gymnázium Jana Nerudy, Praha V kroužku experimentální fyziky jsme ověřovali vztah: F = ½ SCρv (1) V tomto vztahu je F odporová aerodynamická síla působící na těleso obtékané tekutinou, S plošný obsah průřezu kolmý na směr rychlosti, ρ hustota tekutiny, v rychlost obtékání a C tvarový faktor, tzv. součinitel odporu. Tato rovnice běžně uváděná v učebnicích jako Newtonův vztah pro aerodynamickou odporovou sílu se dá odvodit jednoduchým způsobem [1]: Uvažujme těleso pohybující se v tekutině rychlostí v. Maximální (tzv. stínový) průřez tělesa ve směru kolmém na směr rychlosti v označme S. Toto těleso za čas opíše objem V = Sv Při tomto pohybu rozpohybuje i tekutinu, kterou má v cestě. Hmotnost této tekutiny je nepochybně a tedy dodaná (kinetická) energie m = ρ V = ρsv E = 1 1 3 m v = ρ Sv () Abychom udrželi těleso v rovnoměrném pohybu při dané odporové síle, musí být náš výkon W s P = = F = F v, tedy E = F v (3) Po dosazení do vztahu (3) za energii podle () dostáváme 1 3 ρsv F = 1 = F v Tato úvaha byla samozřejmě značně zjednodušená. Například v předpokladu, že těleso uvede do pohybu pouze tekutinu, která odpovídá jeho průřezu. Ve skutečnosti tomu tak téměř nikdy není. Vztah je tedy proto doplňován tzv. tvarovou konstantou C (součinitel odporu), která funguje jako experimentálně zjištěná korekce účinného průřezu daného předmětu. ρsv

Tento vztah jsme nejdříve ověřili jednoduchými prostředky pro obtékání kruhové destičky vzduchem. V druhé fázi jsme hledali hodnotu součinitele C pro 5 různých těles různých tvarů ale stejné hmotnost. K získání proudu vzduchu jsme použili běžný fén. Z klasických laboratorních stojanů jsme vytvořili přibližně dva metry vysoký stativ (na ilustračním foto je zkrácený), a v jeho spodní části jsme upevnili fén. Ze středu jeho ústí bylo svisle napnuto tenké vlákno, které sloužilo jako vedení pro tělesa vystavená tlakové síle proudícího vzduchu (viz. obr.1). Při prvních pokusech jsme používali jako vodící vlákno tenký pozinkovaný drátek. Fluktuace v proudění vzduchu ale způsobovaly, že i při konstantních podmínkách byla poloha tělesa na drátě silně nestabilní (neustále se pohybovalo s vertikální odchylkou až 10 cm). Tyto fluktuace se podařilo snížit použitím textilního vlákna na polovinu. K pokusům jsme použili různě těžké kruhové kotoučky s průměrem 38 mm a 5 stejně těžkých tělísek shodného průřezu. Středem každého z těles procházela vodící trubička - kousek náplně do propisky, kterou jsme pečlivě vyčistili lihem.(viz obr.) Obr.1 detail Obr. Tab.1 hmotnosti těles. těleso 4 těliska kotouč 1 kotouč kotouč 3 kotouč 4 kotouč 5 kotouč 6 kotouč 7 hmotnost 3,55 0,6 1,07,19 3,0 3,55 7,80 1,0 g tíhová síla mn 34,8 6,08 10,5 1,5 31,4 34,8 76,5 118,1 Princip námi zvolené metody je jednoduchý. Anemometrem změříme velikost rychlosti proudu vzduchu v různé vzdálenosti od ústí fénu. Vystavíme-li pak těleso dané hmotnosti proudu vzduchu, ustálí se s přijatelnými

fluktuacemi v takové poloze, při níž je tlaková síla proudícího vzduchu v rovnováze s tíhovou silou na něj působící. Výsledky měření rychlosti proudu vzduchu v v závislosti na vzdálenosti od ústí fénu uvádí Tab. a graf na obr.3. Tab. vzdálenost od ústí 0 10 0 30 40 50 60 80 100 10 140 160 180 cm rychlost vzduchu m s -1 16,4 11,7 11,1 9,4 8,4 7,0 6,3 4,6 3,8 3,0,0 1,9 1,6 rychlost[m/s] 18 16 14 1 10 8 6 4 0 0 50 100 150 00 vzdálenost [cm] Obr.3 Získaný průběh je, s výjimkou nejbližší vzdálenosti od fénu, blízký exponenciální křivce, 0,018 x pro kterou nám Excel poskytnul rovnici v = 14 e. Podle tohoto vztahu pro vzdálenost x od ústí fénu v centimetrech vychází rychlost vzduchu v v metrech za sekundu. Výsledky měření výšek ve kterých se ustálil kotouček dané hmotnosti a odpovídající rychlost přiřazenou uvedenou exponenciální funkcí popisuje Tab.3. Tab.3. číslo kotoučku 1 3 4 5 6 7 vzdálenost od ústí 175 19 90 64 6 5 4 cm rychlost vzduchu m s -1 1,5,7 4,5 6, 6,3 10, 13, F Graf na obr.4 ukazuje závislost v ( ).

Závislost odporová síla - čtverec rychlosti vzduchu čtverec rychlosti (m^.s^-) 00 180 160 140 10 100 80 60 40 0 0 0,000 0,00 0,040 0,060 0,080 0,100 0,10 0,140 odporová síla (N) Obr.4 Linearita grafu na obr.4 dostatečně průkazně ukazuje, že v námi proměřovaném intervalu rychlostí je Newtonův vzorec použitelný pro popis závislosti odporové síly na rychlosti. v Ze směrnice tohoto grafu k = = 1560 mkg -1 můžeme ještě odhadnout součinitele F odporu C kruhové destičky. 1 C = 0,9 což je hodnota, která leží v oblasti hodnot, které jsou pro kruhovou ρ S k desku uváděny v literatuře. Výsledky druhé skupiny měření pro určení součinitelů odporu C jednotlivých těles jsou přehledně zachyceny v následující tabulce. Tab.4 vzdálenost od fénu m rychlost vzduchu rychlost vzduchu m s -1 m s - součinitel odporu 0,005 16 56 0, 0,03 13 169 0,3 0,17 11 11 0,4 0,6 6,3 40 0,9 0,68 5,8 34 1,3 Chyby při popisových měřeních jsou v rozhodující míře jsou dány nepřesným určením rovnovážných poloh těles. Chyba ve stanovení těchto vzdálenosti od fénu klesala od pěti

centimetrů u největší vzdálenosti (pro nejlehčí kruhovou destičku) až k milimetrové hodnotě pro kapkovitý tvar. Chybové úsečky v grafu na obrázku 4 i výsledné hodnoty pro součinitele C ukazují, že tyto nepřesnosti kvalitativně výsledek neovlivňují. Nakonec drobná poznámka pro ty, kteří by podobné měření chtěli provádět. Obtížnější je optimální nastavení svislého vodícího vlákna do osy vzduchového proudu z fénu. Nám se to podařilo nejlépe tak, že jsme vlákno s nejlehčím kotoučkem upevnili do směru, ve kterém kotouček vystoupal do nevětší výšky. Literatura: [1] Vybíral, B., Zdeborová, L.: Odporové síly MAFY Hradec Králové 001 s. 0