Атмосфера Земли — причина сопротивления, которое испытывают тела при падении, именно из-за нее они двигаются с разной скоростью. Из двух шаров, сделанных из одинакового материала, более тяжелый упадет быстрее, и только в вакууме они упадут одновременно, как предсказывал Галилей.
Сопротивление воздуха действует как сила, направленная против движения тела. В случае свободного падения его действие направлено противоположно силе притяжения. Это же сопротивление объясняет, почему летают и остаются в воздухе самолеты (хотя, как мы увидим ниже, крылья самолетов используют другие свойства и аэродинамические принципы). Его можно сравнить с сопротивлением поверхности, когда мы пытаемся сдвинуть очень тяжелый предмет.
Воздух, являясь газом, состоит из молекул воды, кислорода, азота и диоксида углерода. Чтобы тело упало, эти молекулы должны сместиться. Чем больше будет падающее тело и чем меньше при этом будет его вес, тем медленнее молекулы будут смещаться, чтобы пропустить его, и, следовательно, тем медленнее будет его падение.
Форма и фронтальная поверхность падающего тела также влияют на скорость, которую оно разовьет. Если мы возьмем лист бумаги, то и его вес, и его поверхность будут способствовать тому, что он будет снижаться медленнее, тогда как стальной шар упадет очень быстро. На планетах или таких спутниках, как Луна, где нет молекул, препятствующих падению тел, их форма и вес не являются определяющими факторами.
При рассмотрении предметов, падающих с небольшого расстояния, влиянием сопротивления воздуха обычно можно пренебречь, то есть учитывать его при расчетах не обязательно. Напротив, при значительной высоте необходимо учесть влияние аэродинамического сопротивления.
Трение — это сила, противонаправленная силе притяжения. Когда скорость падающего тела невысока (например, при малой высоте), то сила трения пропорциональна скорости. При большей скорости увеличится и сопротивление воздуха, и это соотношение будет прямо пропорциональным.
В случае тел, развивающих большие скорости, сопротивление увеличивается на величину, пропорциональную квадрату этой скорости. Это увеличение вызвано тем, что при большой скорости образуются воздушные завихрения, которые усиливают действие сопротивления.
Это явление необходимо принимать во внимание при конструировании автомобилей, так как сопротивление воздуха в этом случае является важнейшим фактором (поэтому на стадии проектирования ставится множество опытов, чтобы улучшить их аэродинамику). Когда скорость удваивается, сопротивление воздуха возрастает в четыре раза, когда она утраивается — в девять раз. Чтобы создать очень быстрый автомобиль, необходимо снабдить его мощным мотором.
Действие силы гравитации и трения математически можно записать так:
mg- FR =ma,
где mg — вес предмета, на который действует соответствующая сила притяжения. Сила трения FR, как уже было сказано, пропорциональна квадрату скорости и зависит от различных факторов, которые можно считать константой:
F = kv2
Как уже говорилось, k зависит от таких факторов, как форма предмета, сопротивление воздуха и фронтальная поверхность, которая противостоит этому сопротивлению. Чтобы рассчитать ее значение, используется уравнение:
k = ƒkWS
где ƒ— значение от 0 до 1, зависящее от формы предмета (1 соответствует телу с абсолютно плоской поверхностью; чем лучше будут аэродинамические свойства тела, тем меньше будет это значение); kw — значение сопротивления воздуха, равное 0,6N с2/м4 и, наконец, S обозначает площадь поверхности тела, находящуюся в трении с воздухом.
Когда крыло самолета расположено горизонтально, давление воздуха как в нижней части, так и в верхней одинаково. Но когда крыло слегка наклоняется, давление воздуха в нижней части становится выше, чем в верхней, и это позволяет самолету набирать высоту.
Секрет того, почему летают самолеты, заключается в сопротивлении воздуха. Так же как мы, двигая правильным образом руками, держимся на поверхности воды, самолеты используют некоторые характеристики окружающей среды, чтобы «плыть» в воздухе, хотя здесь действуют и другие явления, в частности эффект Вентури (следствие закона Бернулли).
Крылья самолетов спроектированы таким образом, чтобы воздух двигался быстрее в их верхней части, чем в нижней, тем самым используя эффект Вентури, по которому жидкости, проходя через суженную часть трубы, увеличивают свою скорость. Теорема Бернулли гласит, что при увеличении скорости жидкости уменьшается давление. Поэтому в нижней части крыла давление больше, чем в верхней. В результате этой разницы давлений самолет может набирать высоту.