Сопротивление воды формула

Виды сопротивления воды

Сопротивление воды формула

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ, СПОРТА И ЗДОРОВЬЯ

имени П.Ф. ЛЕСГАФТА, САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

Кафедра теории и методики плавания

Контрольная работа:   Виды сопротивления воды

Исполнитель:

Студент 2 курса 1 группы

Заочного факультета

Карасик Александр Маркович

Санкт-Петербург, 2013

Введение 2

Лобовое сопротивление 3

Волновое сопротивление 5

Подъемная сила и сила тяги 6

Сопротивление трения 8

Вихревое сопротивление 9

Вывод 11

Список  литературы 12

Введение

  Скорость продвижения пловца является результатом действия двух сил. Одна из них тормозит. Это сопротивление (или торможение), вызываемое водой, которую пловец проталкивает вдоль тела. Другая сила, продвигающая пловца вперед называется движущей и создастся с помощью движений рук и ног. Чтобы плыть быстрее, спортсмену необходимо:

– уменьшать сопротивление

– увеличивать движущую силу (или использовать сочетание этих двух факторов).

Эта задача может быть решена только при нахождении рациональной техники. Возможно, что самым большим усовершенствованием в технике плавания за последние годы было уменьшение сопротивления.

Занятия общей физической подготовкой способствуют развитию силы, необходимой для быстрого передвижения на дистанции при наименьшем сопротивлении воды. По мере утомления пловец прикладывает меньшую движущую силу и обтекаемость его тела ухудшается. Изучение спортивного плавания сводится к решению этих проблем.

[attention type=yellow]

   Итак, вода оказывает сопротивление движущемуся в ней телу. Сила сопротивления воды действует навстречу телу и тормозит продвижение. При равномерном движении сопротивление пропорционально квадрату скорости и квадрату линейных размеров тела.

[/attention]

При неравномерном движении – а именно таков характер движений внутри каждого цикла – приходится дополнительно преодолевать инерцию тела и инерцию окружающей его водной среды. Гидродинамическое сопротивление обусловлено действием на движущееся тело сил трения и давления.

Сила трения направлена по касательной к поверхности тела, сила давления -перпендикулярна к ней. Для уменьшения сопротивления воды пловцу необходимо иметь представления о силах, мешающих ему это сделать.

Таких сил в плавании четыре: лобовое сопротивление, волнообразование, трение и завихрение. Об этих силах и пойдет речь в данной работе.

Лобовое сопротивление

Фронтальное, или лобовое, сопротивление создается водой непосредственно впереди или в любой части тела (на рис. 1 оно изображено стрелами). При анализе техники плавания этот вид сопротивления очень важен.

Лобовое сопротивление может быть вычислено по следующей формуле:

R =CxSPxV2

где Сх – коэффициент лобового сопротивления (величина безразмерная),       S — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения тела, Р – плотность.

Чем больше коэффициент лобового сопротивления, тем сильнее тормозится телом набегающий поток.

C увеличением угла атаки коэффициент лобового сопротивления непрерывно повышается и достигает максимума, когда тело занимает положение, перпендикулярное к потоку (а = 90°). Отклонение рабочей плоскости на 15—20° от перпендикулярного положения не оказывает существенного влияния на величину коэффициента.

По экспериментальным данным , полученным путем буксировки испытуемых в положении скольжения, средняя величина коэффициента сопротивления воды у женщин на 9 % меньше, чем у мужчин (Сжен= 0,366 ± 0,017; Смуж= 0,402 ± 0,024) .

Волновое сопротивление

При движении тела пловца вблизи свободной поверхности возникает волновое сопротивление. Оно появляется при давлении передней части тела на воду, вызывая подъем и спад воды с различным изменением формы ее поверхности, от которой образуются расходящиеся и поперечные волны.

Если посмотреть на пловца сбоку, то можно видеть, что у линии головы и плеч поднимается передняя волна. Следующая волна поднимается сзади. Впадина между передней и задней волнами расположена примерно у поясницы. Выделяют систему расходящихся волн и систему поперечных волн.

Гребни расходящихся волн расположены по отношению к диаметральной плоскости под углом 40°. Линии, проходящие через начало косых волн, составляют угол примерно 20° к диаметральной плоскости. При медленном плавании волны практически не видны.

С увеличением скорости движения волны выделяются все более и более отчетливо.

Исследования показали, что доля волнового сопротивления в общем, гидродинамическом, сопротивлении возрастает с увеличением скорости. При скорости меньше 2 м/с доля волнового сопротивления составляет порядка 10—15 %, на скоростях более 2 м/с эта доля возрастает до 25 % и выше.

[attention type=red]

При выполнении гребковых движений положение тела пловца непрерывно меняется, что также сказывается на волнообразовании, увеличивая его.

[/attention]

Неблагоприятное влияние волнообразования проявляется еще и в том, что если скорость пловца по каким-то причинам меняется, например, замедляется, волны уходят вперед, отражаются от стенки бассейна и движутся навстречу, создавая дополнительное сопротивление.

Аналогичная картина наблюдается, если два пловца плывут рядом с различной скоростью. Ряд исследователей высказывают мнение, что именно волновое сопротивление является лимитирующим фактором, ограничивающим скорость плавания.

  Подъемная сила и сила тяги

Рассмотрим вопрос о возникновении подъемной силы и силы тяги при поступательном движении. Возьмем пластинку (рис. 4) которая имеет незначительную толщину (h->0), и поместим ее в воду под некоторым углом (а), который носит название угла “атаки”.

В центре тяжести тела (О) приложим внешнюю силу тяги – Fтяги, которая будет передвигать тело в воде с постоянной поступательной скоростью. Движение тела вызовет возникновение гидродинамического сопротивления (R), направленного в противоположную сторону движения тела. Первоначально разложим силу R на два направления: ось тела (ОК) и линию, перпендикулярную оси (ОМ).

Получилось две силы: сила трения – Ftp и сила нормального давления Rj, которая состоит из вихревого и волнового сопротивлений. При дальнейшем разложении силы Rj на горизонтальное и вертикальное направление получим две силы: горизонтальную силу давления Fx и вертикальную силу давления Fy, которая и будет подъемной силой.

Итак, при поступательном движении пластинки в воде под некоторым углом “атаки”, не равным нулю, на нее действует лишь одна положительная сила – подъемная.

Рассмотрим, как изменяются силы Rj, Fx, Fy и FTp при различных значениях угла (а).

1. Если угол а равен нулю, то Rj = 0. Следовательно, Fx=0 и Fy=0, а сила FTP=R. В этом случае отсутствует вихревое и волновое сопротивление.

2. Если угол а равен 45°, то Rj = FTp=0,7R. Силы Fx=Fy= R/2

В этом случае наблюдается действие всех видов сопротивления: общее сопротивление значительно превышает его величину при угле а=0.

3. Если угол а равен 90°, то Rj=R, но так как Fy=0, то FX=R. В этом случае действует сила горизонтального давления, есть вихри и волны, а общее сопротивление является наибольшим.

[attention type=green]

Сопоставляя все три варианта положения пластинки, можно сделать вывод о том, что наилучшее положение ее при движении в воде будет такое, при котором она приближается к горизонтальному положению (угол а=3-5°), так как в этом случае будут действовать необходимая поддерживающая гидродинамическая сила, малая сила горизонтального давления и почти максимальная сила трения.

[/attention]

Теперь представим себе, что вместо пластинки в воде с помощью внешней силы тяги Fтяги с равномерной скоростью движется человек. Тогда при горизонтальном положении на него, кроме силы трения, будет действовать отрицательная сила горизонтального давления Fx, которая возникает в связи с наличием у человека миделева сечения.

Теоретически горизонтальное положение пловца в воде будет наилучшим, так как сопротивление будет наименьшим, а плавучесть обеспечивается действием гидростатической подъемной силы.

Однако в связи с наличием миделева сечения и наклоном нижней поверхности тела положение пловца в воде определяется положительными (а в отдельных случаях и отрицательными) углами “атаки”, которые колеблются в пределах от 0 до 12° и обеспечивают постоянное действие гидродинамической подъемной силы.

Сопротивление трения

Возникновение сопротивления трения обусловлено вязкостью воды и проявляется в слоях непосредственно прилегающих к телу. Этот прилегающий к телу слой воды получил название пограничного слоя. У поверхности тела частицы воды движутся с той же скоростью, что и тело.

По мере удаления от тела скорость движения частиц воды снижается до 0 м/с. Если частицы воды движутся, не смешиваясь, без завихрений, то такой вид течения жидкости в пограничном слое называется ламинарным. Если слои воды смешиваются, то образуются завихрения – такой вид течения жидкости в пограничном слое называется турбулентным.

В турбулентном слое тело испытывает большее сопротивление, чем в ламинарном.

Все способы уменьшения сопротивления трения в спортивном плавании сводятся к возможно большей обтекаемости ламинарным потоком в пограничном слое:

– сглаживание выступов и неровностей на теле и в купальном костюме;

использование купального костюма с минимальными показателями шероховатости;

– фиксация положения туловища, так как всякого рода качания тела способствуют возникновению поперечных течений и возмущений пограничного слоя.

В момент смены ламинарного потока турбулентным происходит скачкообразное увеличение сопротивления. Для различных тел скорость, при которой один вид течения жидкости вблизи тела сменяется другим, будет различна. Эта скорость получила название критической и зависит она от ряда факторов: формы, площади, поверхности, шероховатости и т. п.

 Вихревое сопротивление

Вихревое сопротивление возникает в связи с разностью сил давления воды впереди и сзади пловца. Когда пловец перемещается в воде, то впереди него образуется область повышенного давления, в которой он приводит в движение частицы воды. На это затрачивается определенная часть его энергии.

В это же время сзади пловца образуется область пониженного давления. Попав в область пониженного давления, частицы воды по закону трения “прилипают” на мгновение к нижней поверхности тела (ногам) и некоторое время движутся вперед.

В следующий момент эта часть воды отрывается (отстает) от нижней поверхности тела и на ее место поступают новые порции воды, движущиеся непрерывно спереди назад. Далее они также изменяют направление движения на обратное и т. п. Для того чтобы непрерывно изменять направление движения этих частиц воды, т. е.

[attention type=yellow]

преодолевать вихревое сопротивление, пловец должен затрачивать большое количество энергии.

[/attention]

Величина вихревого сопротивления зависит от скорости и формы тела. Проделаем следующий опыт. Возьмем неполный цилиндр (рис 3) и будем двигать его в воде с равномерной скоростью.

 Полученное сопротивление примем за единицу.

 Если закруглить передний конец у цилиндра и замерить его сопротивление при той же скорости, то оно уменьшится в 2,5 раза; если закруглить задний конец, то сопротивление будет в 3,5 раза меньше; если закруглить оба конца, то сопротивление уменьшится в 5 раз, а если придать цилиндру сигарообразную форму, сохранив при этом миделево сечение, то сопротивление уменьшится в 25-30 раз.

Отсюда следует, что для уменьшения вихревого сопротивления необходимо улучшить обтекаемость тела пловца: определить оптимальные пределы положения тела на поверхности воды (углы “атаки”), правильный угол выноса рук вперед во время подготовительных движений, уменьшить выход ног из плоскости тела, найти оптимальный прогиб в пояснице и др.

Вывод

Тренер или пловец, который хочет знать только «как», а не «почему», не способен анализировать и в лучшем случае сможет выполнять только посредственную работу. Пловец должен использовать не только свои мышцы, но и мышление. Именно изучение сил сопротивления поспособствовали  улучшению показателей в плаванье.

Так, В. Н. Платонов 1 указывает, что начиная с 1960-х годов пловцы для достижения более высокого результата перед соревнованиями сбривали волосы. Исследования показали, что после бритья существенно повышается экономичность работы и эффективность движений, значительно увеличивается длина скольжения. Улучшение результата при бритье преимущественно связано с уменьшением сопротивления трения.

В 1997 году были разработаны плавательные костюм (они покрывали тело пловца от шеи до щиколоток), позволяющие за счет особого материала уменьшить сопротивление при контакте с водой. На Олимпиаде 2000 года в Сиднее большинство спортсменов уже использовали гидрокостюмы.

К Олимпиаде 2008 года в Пекине производители начали выпускать костюмы, на 80 % состоящие из полиуретана – материала, который существенно повышает эффект плавучести, а также усиливает жесткость конструкции тела, уменьшая таким образом его сопротивление в воде.

То, что раньше считалось особым талантом (таким, например, отличался Александр Попов), с появлением комбинезонов стало доступно любому середняку. Только за 2008 год было установлено более 100 мировых рекордов.

С 2010 года Международная федерация плавания (FINA) запретила использование гидрокостюмов2.

 Плавание / Т. М. Абсалямов, М. М. Булатова, Н. Ж. Булгакова и др.; под ред. В. Н. Платонова. – Киев : Олимп. лит, 2000. – 495 с.

2 Вайцеховская, Е. Тот, кто научил костюмы плавать : интервью Геннадия Турецкого на чемпионате мира в Риме / Е. Вайцеховская // «Спорт-Экспресс». – 2009. – 3 авг. – С. 14.

Источник: https://www.myunivercity.ru/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_%D0%B8_%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82/%D0%92%D0%B8%D0%B4%D1%8B_%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B/206583_2423171_%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B01.html

Гидравлическое сопротивление

Сопротивление воды формула

Гидравлическое сопротивление или гидравлические потери – это суммарные потери при движении жидкости по водопроводящим каналам. Их условно можно разделить на две категории:

Потери трения – возникают при движении жидкости в трубах, каналах или проточной части насоса.

Потери на вихреобразование – возникают при обтекании потоком жидкости различных элементов. Например, внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п. Такие потери принято называть местными гидравлическими сопротивлениями.

Коэффициент гидравлического сопротивления

Гидравлические потери выражают либо в потерях напора Δh в линейных единицах столба среды, либо в единицах давления ΔP:

Δh= ΔP/(ρg)

где ρ — плотность среды, g — ускорение свободного падения.

В производственной практике перемещение жидкости в потоках связано с необходимостью преодолеть гидравлическое сопротивление трубы по длине потока, а также различные местные сопротивления:
  Поворотов
  Диафрагм
  Задвижек
  Вентилей
  Кранов
  Различных ответвлений и тому подобного

На преодоление местных сопротивлений затрачивается определенная часть энергии потока, которую часто называют потерей напора на местные сопротивления. Обычно эти потери выражают в долях скоростного напора, соответствующего средней скорости жидкости в трубопроводе до или после местного сопротивления.

[attention type=red]

Аналитически потери напора на местные гидравлические сопротивления выражаются в виде.

[/attention]

hr = ξ υ2 / (2g)

где ξ – коэффициент местного сопротивления (обычно определяется опытным путем).

Данные о значении коэффициентов различных местных сопротивлений приводятся в соответствующих справочниках, учебниках и различных пособиях по гидравлике в виде отдельных значений коэффициента гидравлического сопротивления, таблиц, эмпирических формул, диаграмм и т.д.

Исследование потерь энергии (потери напора насоса), обусловленных различными местными сопротивлениями, ведутся уже более ста лет.

В результате экспериментальных исследований, проведенных в России и за рубежом в различное время, получено огромное количество данных, относящихся к разнообразнейшим местным сопротивлениям для конкретных задач.

Что же касается теоретических исследований, то им пока поддаются только некоторые местные сопротивления.

В этой статье будут рассмотрены некоторые характерные местные сопротивления, часто встречающиеся на практике.

Местные гидравлические сопротивления

Как уже было написано выше, потери напора во многих случаях определяются опытным путем. При этом любое местное сопротивление похоже на сопротивление при внезапном расширении струи. Для этого имеется достаточно оснований, если учесть, что поведение потока в момент преодоления им любого местного сопротивления связано с расширением или сужением сечения.

Гидравлические потери на внезапное сужение трубы

Сопротивление при внезапном сужении трубы сопровождается образованием в месте сужения водоворотной области и уменьшения струи до размеров меньших, чем сечение малой трубы. Пройдя участок сужения, струя расширяется до размеров внутреннего сечения трубопровода. Значение коэффициента местного сопротивления при внезапном сужении трубы можно определить по формуле.

ξвн. суж = 0,5(1- (F2/F1))

Значение коэффициента ξвн. суж от значения отношения (F2/F1)) можно найти в соответствующем справочнике по гидравлике.

Гидравлические потери при изменении направления трубопровода под некоторым углом

[attention type=green]

В этом случае вначале происходит сжатие, а затем расширение струи вследствие того, что в месте поворота поток по инерции как бы отжимается от стенок трубопровода. Коэффициент местного сопротивления в этом случае определяется по справочным таблицам или по формуле

[/attention]

ξ поворот = 0,946sin(α/2) + 2.047sin(α/2)2

где α – угол поворота трубопровода.

Местные гидравлические сопротивления при входе в трубу

В частном случае вход в трубу может иметь острую или закругленную кромку входа. Труба, в которую входит жидкость, может быть расположена под некоторым углом α к горизонтали.

Наконец, в сечении входа может стоять диафрагма, сужающая сечение. Но для всех этих случаев характерно начальное сжатие струи, а затем её расширение.

Таким образом и местное сопротивление при входе в трубу может быть сведено к внезапному расширению струи.

Если жидкость входит в цилиндрическую трубу с острой кромкой входа и труба наклонена к горизонту под углом α, то величину коэффициента местного сопротивления можно определить по формуле Вейсбаха:

ξвх = 0,505 + 0,303sin α + 0,223 sin α2

Местные гидравлические сопротивления задвижки

На практике часто встречается задача расчета местных сопротивлений, создаваемых запорной арматурой, например, задвижками, вентилями, дросселями, кранами, клапанами и т.д. В этих случаях проточная часть, образуемая разными запорными приспособлениями, может иметь совершенно различные геометрические формы, но гидравлическая сущность течения при преодолении этих сопротивлений одинакова.

Гидравлическое сопротивление полностью открытой запорной арматуры равно

ξвентиля = от 2,9 до 4,5

Величины коэффициентов местных гидравлических сопротивлений для каждого вида запорной арматуры можно определить по справочникам.

Гидравлические потери диафрагмы

Процессы, происходящие в запорных устройствах, во многом похожи на процессы при истечении жидкости через диафрагмы, установленные в трубе.

В этом случае также происходит сужение струи и последующее её расширение.

[attention type=yellow]

Степень сужения и расширения струи зависит от ряда условий:
  режима движения жидкости
  отношения диаметров отверстия диафрагмы и трубы
  конструктивных особенностей диафрагмы.

[/attention]

Для диафрагмы с острыми краями:

ξдиафр = d02 / D02

Местные гидравлические сопротивления при входе струи под уровень жидкости

Преодоление местного сопротивления при входе струи под уровень жидкости в достаточно большой резервуар или в среду, не заполненную жидкостью, связано с потерей кинетической энергии. Следовательно, коэффициент сопротивления в этом случае равен единице.

ξвхода = 1

о гидравлическом сопротивлении

На преодоление гидравлических потерь затрачивается работа различных устройств (насосов и гидравлических машин)

Для снижения влияния гидравлических потерь рекомендуется в конструкции трассы избегать использования узлов способствующих резким изменениям направления потока и стараться применять в конструкции тела обтекаемой формы.

Даже применяя абсолютно гладкие трубы приходится сталкиваться с потерями: при ламинарном режиме течения(по Рейнольдсу) шероховатость стенок не оказывает большого влияния, но при переходе к турбулентному режиму течения как правило возрастает и гидравлическое сопротивление трубы.

В дополнение к статье “Гидравлическое сопротивление” Вам может быть интересно:

Источник: https://www.nektonnasos.ru/article/gidravlika/gidravlicheskoe-soprotivlenie/

Глава 10 Сопротивление воды движению судна

Сопротивление воды формула

Способность суднаперемещаться с заданной скоростью поддействием приложенной к нему движущейсилы, создаваемой судовыми движителямиили внешней тягой, называется ходкостью.

Ходкостьобеспечивается судовой энергетическойустановкой и движителем, создающимисилу тяги, которая передается на корпуси преодолевает сопротивление движениюсудна.

Судовойдвижитель – устройство, преобразующееработу двигателя (или естественногоисточника энергии) в движение транспортногосредства.

Припроектировании судна стремятся получитьзаданную скорость хода при наименьшейзатрате мощности двигателей за счетвыбора оптимальных характеристиккорпуса и движителей.

С точки зренияходкости основной интерес представляетпрямолинейное движение судна с постояннойскоростью v. Чтобы обеспечитьтакое движение, сила тяги судовогодвижителя Редолжна

бытьравна по величине и противоположная понаправления силе буксировочногосопротивления Rдвижениюсудна:

Ре =R,

или Ре v=Rv.

Полезная мощность,развиваемая движителем называетсябуксировочной мощностью Nб(EPS), затрачивается напреодоление сопротивленияR:

Nб=Rv(кВт).

Мощность, которуюнеобходимо подвести от двигателя ксудовому движителю для создания имтребуемой тяги, называется валовоймощностьюилимощностью на гребномвалуNр:

Nр=Nб/ηд,

где ηд-пропульсивный коэффициент движителя,который равен произведениюкоэффициентаполезного действиядвижителя-ηрнакоэффициент влияния корпусаηк(§11.7.4.), зависящий от формыкормовых обводов, расположения гребноговинта и ряда других факторов. Длясовременных судов: ηр= 0,500,75,ηк= 0,951,10.

Мощность,вырабатываемая главным двигателем,определяется по формуле Nе:

Nе=Nб/ηд ηвηп =Nб/η,

гдеηв-коэффициентполезного действия валопровода(0,950,99);

ηп-коэффициент полезного действияпередачи(редуктора, гидромуфты ит.п.), ηп = 0,940,98;

η– пропульсивный коэффициент судна.

Чем выше пропульсивныекачества судна, тем меньше требуетсямощность двигателя для обеспечениязаданной скорости хода, тем совершеннеесудно с точки зрения ходкости.

[attention type=red]

Для приближеннойоценки мощности двигателя, необходимогодля обеспечения заданной скорости,можно использовать формулу адмиралтейскихкоэффициентов:

[/attention]

Nе= Δ2/3v3 / Се,

где Δ – водоизмещение(масса) судна; v- скоростьсудна (уз);

Се-адмиралтейский коэффициент.

Значение Сеопределяется по известным величинамNеиvблизких по размерам однотипных судов.Обычно у морских промысловых судов Се= 350540.

§ 10.2. Составляющие сопротивления движению судна

Движущиеся судноприводит в движение массы окружающейводы и испытывает при этом реакцию состороны воды в виде гидродинамическихсил, действующих на смоченную поверхностькорпуса.

Эти силы можно привести к силеFгд , приложенной вцентре тяжести судна (в точкеG)или в любом другом центре приведения,и к паре сил с моментом Мгд , равномуглавному моменту гидродинамическихсил относительно ЦТ (рис.89).

Составляющая Fхгидродинамической силыFгд,направленная противоположно скоростиvдвижения ЦТ судна,называется сопротивлением воды движениюсудна. СоставляющаяFz, направленная по нормали к скоростиv, называется подъемнойсилой и при горизонтальном движениисудна может рассматриваться какгидродинамическая сила поддержания.Для водоизмещающих судов величина ееочень мала.

Рис.89.Схема действия гидродинамических сил

и моментов придвижении судна

Сопротивлениеводы зависит от скорости судна, формы,размеров и состояния наружной поверхностикорпуса, от количества, формы и расположенияна ней выступающих деталей и вырезов,а также от эксплуатационных факторов(продолжительности плавания судна послепостройки и докования, наличия волненияморя, ограниченности фарватера и др.)

Расчеты сопротивленияводы выполняются для равномерногопрямолинейного движения судна прирасчетной нагрузки на тихой глубокойводе, предполагается, что судно имеетновый свежевыкрашенный корпус. Прирасчетах полагают также, что суднодвижется с нулевыми углами атаки идрейфа, т.е. горизонтально, без дрейфаи

присовпадении вектора скорости с ДП. Наличиеуглов атаки и дрейфа в пределах 30не вызывает заметного увеличениясопротивления.

Изменениесопротивления воды в зависимости отводоизмещения судна, состояния корпусаи внешних условий плавания в необходимыхслучаях учитывается дополнительно (§10.8.)

При изучении ирасчетном определении сопротивлениеводы условно разделяется на составляющие,которые предполагаются независимымидруг от друга (рис.90).

При таком разделениисоставляющие сопротивления увязываютсяс направлениями составляющих поверхностныхгидродинамических сил (касательные инормальные) и с основными физическимисвойствами воды (вязкость и весомость).

В соответствии с этим сила сопротивленияводы движению судна:

R=Rт +Rд,

гдеRт-сопротивлениетрения(Rт=cos(τ,x)dΩ);

Rд-сопротивление давления(Rд=cos(p,x)dΩ).

Рис.90.Гидродинамические силы действующие наэлементарную

площадкуподводной (смоченной) поверхности суднаdΩ

Силатрения Rтобусловленакасательными силами, которые зависятот свойств вязкости, т.е. от числаРейнольдса. Силы давления состоят издвух составляющих. Одну из них – силувязкостной природы, зависящую от числаРейнольдса, называютсопротивлениемформы Rф. Другуюсоставляющую силы давления, зависящуюот сил гравитации, т.е. от числа Фруда,называютволновым сопротивлениемRв.

[attention type=green]

Определениевсех составляющих сопротивления водыдвижению судна теоретическим путемпредставляет большие трудности, главнымобразом из-за сложности обводов корпуса.

[/attention]

Поэтому широко используетсяэкспериментальная оценка сопротивленияпо результатам испытаний моделей судов.

При пересчете результатов модельныхиспытаний на натурное судно пользуютсягипотезой Фруда, который предложилразделять сопротивление воды насопротивление трения

Rтиостаточное сопротивление Rо,т.е.

R=Rт+Rф+Rв=Rт+Rо.

Каквидно, остаточное сопротивление притаком подходе представляет собой суммусопротивления формы и волновогосопротивления, т.е. сумму сил разнойприроды. Тем не менее, метод Фруда вразделении и перерасчете сопротивленияполучил широкое распространение приэкспериментальной работах и в расчетнойпрактике, благодаря своей простоте иприемлемой точности конечных результатов.

Вподводной части корпуса судна имеютсявыступающие части (скуловые кили,рудерпост, кронштейны, шахты лага,эхолота), которые создают дополнительноесопротивление выступающих частейRвч.

Движениесудна происходит не только в водной, нои в воздушной среде. Поэтому для негополное сопротивление включает такжевоздушное (аэродинамическое)сопротивлениеRвозднадводной части судна, которое по своейприроде является вязкостным.

Однакопри движении судна в безветренную погодудоляRвоздочень невелика по сравнению с сопротивлениемводы и его можно не принимать во внимание(это объясняется прежде всего тем, чтоплотность воздуха примерно в 800 разменьше плотности воды).

При наличииветра достаточной силы рольRвоздрезко возрастает, и оно подлежит учету(§10.6).

[attention type=yellow]

Такимобразом, в развернутой форме буксировочноесопротивление (полное сопротивление)судна может быть представлено ввиде следующей суммы его отдельныхсоставляющих:

[/attention]

R=Rт+Rф+Rв+Rвч+Rвозд.

Доляразличных составляющих полногосопротивления зависит от относительнойскорости судна, которая выражаетсячислом ФрудаFr=v/.

Суда, у которыхFr< 0,25,называют тихоходными (большие рыболовныетраулеры, плавучие базы, производственныерефрижераторы и приемно-транспортныесуда),Fr= 0,250,35 - среднескоростными (средние и малыетраулеры, сейнеры).

Суда, плавающие приFr> 0,35, называютсябыстроходными. Промысловые суда притаких режимах не плавают.

Утихоходных судов основную долю полногосопротивления (около 80%) составляетсопротивление трения (рис.91). Усреднескоростных и быстроходных судов,наоборот, растет доля остаточногосопротивления (сопротивлений формы иволнового), которое дости-

гает5065%полного. Поэтому при проектированиитихоходных судов особое вниманиеобращают на уменьшение сопротивлениятрения, а при проектировании среднескоростныхи быстроходных, на

уменьшениесопротивления формы и волновогосопротивления.

Всоответствии с общей формулой длягидродинамических сил (§2.4) сопротивлениеводы движению судна, можно представить:

R= 0,5 ζ ρv2Ω= 0,5 (ζт+ ζф + ζв+ ζвч) ρv2Ω,

гдеζ- безразмерный коэффициент полногосопротивления;

ζт- коэффициент сопротивления трения;

ζф- коэффициент сопротивления формы;

ζв-коэффициент волнового сопротивления;

ζвч- коэффициент сопротивления выступающихчастей;

ρ- плотность воды;

Ω- площадь смоченной поверхности корпусасудна.

Каждойскорости хода отвечает определенноезначение коэффициента сопротивления.Основной задачей при расчетахсопротивления воды движению суднаявляется определение основных составляющихкоэффициента сопротивления ζ, так какгеометрические характеристики суднаи скорость его при таких расчетахзадаются.

ПлощадьΩ смоченной поверхности «голого» корпусасудна иногда приводят на кривых Рис.91.Зависимостьсоставляющих

элементовтеоретического сопротивленияот числа Фруда

чертежа(КЭТЧ) в функции

отосадки судна.

Приналичии теоретического чертежа площадьΩ для заданной осадки судна можновычислить по методу трапеций:

Ω= 2,

гдеli-полупериметры погруженных теоретическихшпангутов;n- числошпангоутов ;L- длинасудна.

[attention type=red]

Приотсутствии таких данных пользуютсяприближенными зависимостями. Дляпромысловых судов используют формулыМумфорда с коэффициентами С.П.Мурагина:

[/attention]

Ω= Ld(1,36 + 1,13δ),

и В.А.Семеки: Ω = Ld(1,97 +1,37(δ– 0,274)).

Приопределении площади для корпуса суднас выступающими частями к площадисмоченной поверхности «голого» корпуса,вычисляемой по выше приведенным формулам,необходимо прибавить площадь смоченнойповерхности всех выступающих частей.Для промысловых судов надбавка наплощадь выступающих частей составляет38% смоченной поверхности.

Источник: https://studfile.net/preview/5125446/page:37/

Краткая теория

В упомянутой выше статье теория вкратце рассматривалась. Освежим в памяти основные моменты.

Движение жидкостей по трубам и каналам сопровождается потерей давления, которая складывается из потерь на трение по длине трубопровода и потерь в местных сопротивлениях – в изгибах, отводах, сужениях, тройниках, запорной арматуре и других элементах.

В гидравлике в общем случае потери давления вычисляются по формуле Вейсбаха:

∆Р=ζ·ρ·w²/2, Па, где:

  • ζ – безразмерный коэффициент местного сопротивления;
  • ρ – объёмная плотность жидкости, кг/м3;
  • w – скорость потока жидкости, м/с.

Если с плотностью и скоростью всё более или менее понятно, то определение коэффициентов местных сопротивлений – достаточно непростая задача!

Как было отмечено выше, в гидравлических расчетах принято разделять два вида потерь давления в сетях трубопроводов.

  1. В первом случае «местным сопротивлением» считается трение по длине прямого участка трубопровода. Перепад давления для потока в круглой трубе рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха:

∆Ртр=ζтр·ρ·w²/2=λ·L·ρ·w²/(2·D), Па, где:

  • L – длина трубы, м;
  • D – внутренний диаметр трубы, м;
  • λ – безразмерный коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

Таким образом, при учете сопротивления трению коэффициент потерь – коэффициент местного сопротивления – и коэффициент гидравлического трения связаны для круглых труб зависимостью:

ζтр=λ·L/D

  1. Во втором случае потери давления в местных сопротивлениях вычисляются по классической формуле Вейсбаха:

∆Рм=ζм·ρ·w²/2, Па

Коэффициенты местных сопротивлений определяются для каждого вида «препятствия» по индивидуальным эмпирическим формулам, полученным из практических опытов.

Выполним ряд математических преобразований. Для начала выразим скорость потока через массовый расход жидкости:

w=G/(ρ·π·D²/4), м/с, где:

  • G – расход жидкости, кг/с;
  • π – число Пи.

Тогда:

∆Ртр=8·λ·L·G²/(ρ·π²·D5), Па;

∆Рм=8·ζм·G²/(ρ·π²·D4), Па.

Введем понятие гидравлических сопротивлений:

Sтр=λ·L·/(ρ·π²·D5), Па/(кг/с)²;

Sм=8·ζм·/(ρ·π²·D4), Па/(кг/с)².

И получим удобные простые формулы для вычисления потерь давления при прохождении жидкости в количестве G через эти гидравлические сопротивления:

∆Ртр=Sтр·G², Па;

∆Рм=Sм·G², Па.

Размерность гидравлического сопротивления (Па/(кг/с)²) определена массовой скоростью (кг/с) движения жидкости, а физические процессы в транспортных системах зависят от её объёмной скорости (м3/с), что учтено в формулах присутствием объёмной плотности ρ транспортируемой жидкости.

Для удобства последующих расчётов целесообразно введение понятия «гидравлическая проводимость» – а.

Для последовательного и параллельного соединений гидравлических сопротивлений справедливы формулы:

Sпосл=S1+S2+…+Sn, Па/(кг/с)²;

Sпар=1/(а1+a2+…+an, Па/(кг/с)²;

ai=(1/Si)0,5, (кг/с)/Па0,5.

Коэффициент гидравлического трения

Для определения гидравлического сопротивления от трения о стенки трубы Sтр необходимо знать параметр Дарси λ – коэффициент гидравлического трения по длине.

В технической литературе приводится значительное количество формул разных авторов, по которым выполняется вычисление коэффициента гидравлического трения в различных диапазонах значений числа Рейнольдса.

Обозначения в таблице:

  • Re – число Рейнольдса;
  • k – эквивалентная шероховатость внутренней стенки трубы (средняя высота выступов), м.

В [1] приведена еще одна интересная формула расчета коэффициента гидравлического трения:

λ=0,11·[(68/Re+k/D+(1904/Re)14)/(115·(1904/Re)10+1)]0,25

Вячеслав Леонидович выполнил проверочные расчеты и выявил, что вышеприведенная формула является наиболее универсальной в широком диапазоне чисел Рейнольдса!

Значения, полученные по этой формуле чрезвычайно близки значениям:

  • функции λ=64/Re для зоны ламинарного характера потока в диапазоне 10

Источник: http://al-vo.ru/teplotekhnika/gidravlicheskoe-soprotivlenie.html

Закон Ома – физика процесса на примере движения воды. Формулы зависимости сопротивления, напряжения, силы тока и мощности

Сопротивление воды формула

Существует всего 2 базовых формулы которые помогут вам понять взаимосвязь между силой тока(Амер), напряжением(Вольт), сопротивлением (Ом) и мощностью (Ватт). Зная хотя бы два из перечисленных параметра вы всегда можете рассчитать два других.

Базовая формула P=I*E E=I*R
Расчет напряжения E=P/I E=I*R E=SQR(P*R)
Расчет силы тока I=P/E I=E/R I=SQR(P/R)
Расчет мощности P=I*E P=E 2 /R P=I 2 *R
Расчет сопротивления R=E 2 /P R=E/I R=P/I 2

P – Мощность (Ватт) E – Напряжение (Вольт) I – Сила тока (Ампер) R – Электрическое сопротивление (Ом) SQR – квадратный корень

Для справки:

Мы используем переменную E для обозначения напряжения, иногда вы можете встретить  обозначение V для напряжения. Не дайте себя запутать названиям переменных.

Изменение сопротивления:

На следующей схеме вы видите разность сопротивлений между системами изображенными на правой и левой стороне рисунка. Сопротивление давлению воды в кране противодействует задвижка, в зависимости от степени открытия задвижки изменяется сопротивление.

Сопротивление в проводнике изображено в виде сужения проводника, чем более узкий проводник тем больше он противодействует прохождению тока.

Вы можете заметить что на правой и на левой стороне схемы напряжение и давление воды одинаково.

Вам необходимо обратить внимание на самый важный факт.

В зависимости от сопротивления  увеличивается и уменьшается сила тока.

Слева при полностью открытой задвижке мы видим самый большой поток воды. И при самом низком сопротивлении, видим самый большой поток электронов (Ампераж) в проводнике.

Справа задвижка закрыта намного больше и поток воды тоже стал намного больше.

[attention type=green]

ужение проводника тоже уменьшилось вдвое, я значит вдвое увеличилось сопротивление протеканию тока. Как мы видим через проводник из за выского сопротивления протекает в два раза меньше электронов.

[/attention]

Обратите внимание что сужение проводника изображенное на схеме используется только для примера сопротивления протеканию тока. В реальных условиях сужения проводника не сильно влияет на протекающий ток. Значительно большее сопротивление могут оказывать полупроводники и диэлектрики.

Сужающийся проводник на схеме изображен лишь для примера, для понимания сути происходящего процесса.

Формула закона Ома – зависимость сопротивления и силы тока

I = E/R

Как вы видите из формулы, сила тока обратнапропорциональна сопротивлению цепи.

Больше сопротивление = Меньше ток

* при условии что напряжение постоянно.
 

Изменение напряжения

На изображенной схеме во всех системах сопротивление имеет одинаковую величину.
В этот раз на картинке изменяется сопротивление/давление.

Вы можете увидеть что при увеличении напряжения приводит к увеличению протекающего тока даже при постоянном сопротивлении.

Формула закона Ома – зависимость напряжения и силы тока

I = E/R Обратите внимание что сила тока протекающего в проводнике прямопропорциональна напряжению.

Больше напряжение = Больше сила тока

* при условии что сопротивление постоянно.
 

Математический рассчет

Рассмотрим пример. У нас есть аккумуляторная батарея с напряжением питания 12 Вольт. К ней напрямую подключен резистор (сопротивление) 10 Ом. Для того что бы рассчитать какая мощность приложена к нашему резистору, можно воспользоваться формулой. P = E2/R P = 122/10 P = 144/10.

P = 14.4 watts

Мощность рассеиваемая на резисторе состовляет 14,4 Ватта.

Если вы хотите определить величину тока протекающего через проводник, мы используем другую формулу I = E/R I = 12/10

I = 1.2 amps

Сила тока протекающего через цепь составляет 1,2 Ампера

—————- Калькуляторы зависимости напряжения, силы тока и сопротивления.

1. Калькулятор рассеиваемой мощности  и протекающей силы тока в зависимости от сопротивления и приложенного напряжения

Демо закона Ома в реальном времени. Для справки В данном примере вы можете увеличивать напряжение и сопротивление цепи. Данные изменения в реальном времени будут изменять силу тока протекающего в цепи и мощность рассеиваемую на сопротивлении. Если рассматривать аудио системы – вы должны помнить что усилитель выдает определенное напряжение на определенную нагрузку (сопротивление).

Соотношение двух этих величин определяет мощность. Усилитель может выдать ограниченную величину напряжения в зависимости от внутреннего блока питания и источника тока. Так же точно ограничена и мощность которую может подать усилитель на определенную нагрузку (к примеру 4 Ома).

Для того что бы получить больше мощности, вы можете подключить к усилителю нагрузку с меньшим сопротивлением (к примеру 2 Ома). Учтите что при использовании нагрузки с меньшим сопротивлением – скажем в два раза (было 4 Ома, стало 2 Ома) – мощность тоже возрастет в два раза.(при условии что данную мощность может обеспечить внутренний блок питания и источник тока).

Если мы возьмем для примера моно усилитель мощностью 100 Ватт на нагрузку 4 Ома, зная что он может выдать напряжение не более 20 Вольт на нагрузку. Если вы поставите на нашем калькуляторе бегунки Напряжение 20 Вольт Сопротивление 4 Ома Вы получите Мощность 100 Ватт     Если вы сдвинете бегунок сопротивления на величину 2 Ома, вы увидите как мощность удвоится и составит 200 Ватт.

В общем примере источником тока является аккумуляторная батарея (а не усилитель звука) но зависимости силы тока, напряжения, сопротивления и сопротивления одинаковы во всех цепях.

Источник: https://www.insidecarelectronics.com/zakon-oma-fizika-processa-na-primere-dvizheniya-vodi-formuli-zavisimosti-soprotivleniya-napryazheniya-sili-toka-i-moshchnosti/

Сам себе врач
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: