§ 30. Опір середовища

• Є рекорди швидкості в природі та техніці. Чому ж так важко їх перевищувати?
• Чому конструктори надають літакам заокругленої форми? Чому в більшості мешканців моря видовжена й округла форма тіла?
• Як бігти легше: берегом моря або річки чи по коліно у воді? Поміркуйте, чому.

Багато хто любить спостерігати за спортивними змаганнями. Ми дуже радіємо перемогам наших спортсменів, особливо встановленню ними нових рекордів. А чи замислювалися ви, чому людина бігає суходолом у п’ять разів швидше, ніж пливе у воді? Адже плавець використовує і руки, й ноги, а бігун здебільшого лише ноги. Така різниця у швидкості руху людини у воді й на суші зумовлена тим, що вода густіша за повітря й чинить більший опір руху.

Ці та ще багато інших прикладів є проявом опору середовища руху тіл. Це явище виникає, коли будь-яке тіло рухається в газоподібному або рідкому середовищі.

Опір середовища — це явище перешкоджання руху тіл у газах і рідинах.
Найчастіше ми стикаємося з опором середовища під час руху тіла в повітрі або воді.

Із боку середовища (повітря або води) на тіло, що рухається, діє сила опору, яка спрямована в бік, протилежний напрямку руху.

Цим сила опору подібна до сили тертя ковзання, яка також спрямована в бік, протилежний напрямку руху й перешкоджає цьому руху. Але існують певні відмінності між цими двома силами.

Сила опору залежить від швидкості тіла — зі зростанням швидкості сила також зростає. До того ж для малих швидкостей це зростання досить повільне, а на великих швидкостях (наприклад, для повітря це сотні метрів за секунду) сила опору стрімко зростає під час спроб розігнати тіло до більших швидкостей.

Немає сили опору спокою — зі зменшенням швидкості сила опору також зменшується і досягає нуля, коли тіло зупиняється. Але тепер найменша зовнішня дія зрушить тіло з місця. Наприклад, важкий човен на воді може зрушити з місця навіть дитина, а на березі цей човен будуть штовхати декілька чоловіків.

Сила опору залежить від форми тіла — за однакових розмірів і швидкостей руху на тіло у формі краплі або кулі буде діяти менша сила опору, ніж на куб або циліндр.
Сучасні високошвидкісні потяги можуть розвивати значні швидкості завдяки своїй формі, на відміну від тихохідних тепловозів ХХ століття.

Для зменшення сили опору тілу потрібно надати форми, яка зменшить силу опору. Тому конструктори й інженери надають повітряним та водним транспортним засобам (літакам, суднам, підводним човнам) форми, близької до видовженої кулі або краплини. Таку форму тіла називають обтічною.

Розгляньте, як люди зменшують силу опору в техніці та спорті.

Розгляньте 3D-модель сучасного швидкісного потягу. Для чого йому надали витягнутої обтічної форми?

Природа ще задовго до появи людини у процесі еволюції «наділила» птахів і мешканців морів такими формами, аби вони могли розвивати високі швидкості. Сапсан може розвивати рекордну швидкість (до 320 км/год). Щоб зменшити силу опору руху, сапсан складає крила, притискує їх до тулуба й «падає» з неба на здобич. Більшість мешканців морських глибин мають обтічну форму, яка полегшує пересування у воді.

Розгляньте 3D-модель тіла дельфіна. Для якого способу життя воно пристосовано: рухливого чи малорухомого?

Перегляньте відео та дізнайтеся, як обтічна форма тіла допомагає акулі пересуватися в товщі води. Які ще особливості допомагають акулі полювати?

Уявіть, що конструкторське бюро «Південне» у Дніпрі отримало замовлення на виготовлення космічного корабля, який буде стартувати зі штучного супутника Землі на Місяць.
Чи обов’язково цьому кораблю мати обтічну форму?

Здається, щоб рухатися в повітрі або воді, потрібно зменшувати силу опору якнайменше та зробити форму тіл обтічною.
Але це не так для парусних суден, якими людство користувалося впродовж тисячоліть. Корпуси суден справді робили такими, щоб сила опору води була найменшою. А от вітрила повинні були мати форму, за якої сила опору повітря була б найбільшою.

Вітер із великою силою опору діє на вітрила суден, а ті рухають судна в бік, куди дме вітер. Чим більший опір вітру чинять вітрила, тим більшою є сила, з якою вітер штовхає судно.

Опір середовища виникає під час руху тіла в газі або рідині. Сила опору спрямована в бік, протилежний напрямку руху.
Сила опору залежить від швидкості тіла та його форми. За збільшення швидкості сила опору зростає.
Для зменшення сили опору тілам надають обтічної форми. Природа надала мешканцям повітря та морських глибин обтічної форми тіла.

1. Коли виникає опір середовища?
2. Що називають силою опору?
3. Назвіть властивості сили опору.
4. Як зменшити силу опору?
5*. Дніпром курсують судна на підводних крилах. Під час їх руху можна помітити, що судно досягає найбільшої швидкості, коли піднімається над водою. Чому не можна досягти таких самих швидкостей, коли корпус судна перебуває у воді?