§ 25. Моделирование движения тела в среде с сопротивлением
25.3. Создание документальной математической модели (этап 3а)
В вертикальной плоскости движения камня построим прямоугольную систему координат, начало координат которой размещено в точке вылета камня. Пусть положение камня в полете определяется парой координат Будем строить универсальную модель движения материального шара в некоторой газообразной или жидкой среде. Для описания движения воспользуемся вторым законом Ньютона в векторной форме: где
Перечислим силы, действующие на шар: — сила тяжести — архимедова выталкивающая сила — сила сопротивления среды движущемуся телу, которая направлена против вектора скорости и имеет две составляющие: силу вязкого трения среды о поверхность тела В результате для шара, движущегося в некоторой среде, уравнение второго закона Ньютона получает вид Рассчитать положение движущегося тела позволяет выражение для его ускорения. Если использовать известные формулы и значения величин (пример 25.5), то из уравнения второго закона Ньютона получаем
Распишем векторное уравнение как два уравнения для проекций векторов на координатные оси.
Используя обозначения примера 25.6, получаем
|
Пример 25.2. Для силы тяжести формула хорошо известна:
где
Пример 25.3. Архимедова сила рассчитывается по формуле:
где
Пример 25.4. Формула для силы вязкого трения установлена опытным путем и носит название формулы Стокса. Сила вязкого трения среды о движущийся шар радиуса
где
Сила лобового сопротивления рассчитывается по формуле
где
Пример 25.5. Для шара радиуса
Значение безразмерного коэффициента Пример 25.6. Абсолютная величина вектора скорости
Выражения для проекций ускорения тела при движении можно упростить, если ввести переменный коэффициент сопротивления среды |