11+ Drag Force Exemple : Faits détaillés

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Dans cet article, nous discuterons de différents exemples de forces de traînée avec des informations détaillées. Les forces de traînée sont des forces mécaniques générées par l'interaction d'un corps solide avec son fluide environnant.

Les exemples de force de traînée sont très courants et fréquemment observés dans la nature comme la force agissant à l'opposé du mouvement relatif de tout corps en mouvement. Chaque fois qu'un corps se déplace dans l'air, cette force de résistance est appelée traînée aérodynamique et si le milieu de déplacement est l'eau, elle est appelée traînée hydrodynamique.

Des exemples de force de traînée sont répertoriés ci-dessous

Un bateau voyageant dans l'eau

Les forces sur un bateau résultent du mouvement de l'air qui interagit avec le bateau et donne une force motrice pour naviguer dans l'eau. Les forces agissant sur le bateau dépendent de la vitesse et de la direction du vent ainsi que de la vitesse et de la direction de l'embarcation.

Quatre forces agissent sur le bateau : son poids, la flottabilité (la force de contact avec l'eau qui pousse le bateau vers le haut), la force du vent vers l'avant et la traînée vers l'arrière de l'eau.

La force de traînée D subie par un corps en voyageant à travers un fluide est donnée par,

D=\\frac{1}{2}C\\rho Av^{2}

Où :

C est le coefficient de traînée, des valeurs typiques allant de 0.4 à 1.0 pour différents fluides (tels que l'air et l'eau)

ρ est la densité du fluide dans lequel le corps se déplace

v est la vitesse du corps par rapport au fluide

A est l'aire projetée de la section transversale du corps perpendiculaire à la direction de l'écoulement .

exemple de force de traînée
Un voilier; Crédit image : Wikipédia

Un avion volant dans le ciel

Le résultat combiné de quatre forces de traînée, de poussée, de portance et de poids permet de faire voler un avion dans le ciel.

 Le poids de l'avion le tire vers le centre de la terre, pour surmonter cette force de traction, une portance suffisante vers le haut est nécessaire. La portance est le résultat des différences de pression d'air sur et au-dessus des ailes de l'avion. Le moteur d'avion produit une poussée dans la direction du mouvement de l'avion qui est équilibrée par la force de traînée agissant à l'opposé de la direction du mouvement.

Lorsqu'un avion vole en ligne droite et en palier à une vitesse constante, la portance qu'il produit équilibre son poids et la poussée qu'il produit équilibre sa traînée. Cependant, cet équilibre des forces change au fur et à mesure que l'avion monte et descend, qu'il accélère et ralentit et qu'il tourne.

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Forces agissant sur un avion en vol longitudinal en palier stabilisé ; Crédit d'image : Wikipédia

Un oiseau qui vole dans le ciel

Le battement d'ailes par un oiseau est l'une des méthodes de propulsion répandues disponibles dans la nature.

Dans le cas d'un oiseau, la portance générée par le battement des ailes peut être considérée comme une force verticale qui supporte le poids du corps de l'oiseau (c'est-à-dire l'attraction gravitationnelle vers le bas). Ici, la traînée est considérée comme la force horizontale qui s'oppose à la poussée. La poussée est la force qui déplace l'objet vers l'avant, pour un oiseau la confiance est fournie par les muscles de l'oiseau.

La traînée est causée par la résistance de l'air et agit dans le sens opposé du mouvement, la traînée produite dépend de la forme de l'objet, de la densité de l'air et de la vitesse de déplacement de cet objet. La poussée peut soit surmonter, soit contrecarrer la force de traînée.

Pendant le vol vers l'avant, le corps d'un oiseau génère une traînée qui a tendance à ralentir sa vitesse. En battant des ailes ou en convertissant l'énergie potentielle en travail s'il planait, l'oiseau produit à la fois de la portance et de la poussée pour équilibrer l'attraction de la gravité et de la traînée.

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Forces agissant sur une aile ; Crédit image : Wikipédia

Une voiture en mouvement

Dans le cas d'une voiture en mouvement, l'amplitude de la force de traînée est égale et agit dans une direction opposée à la force que le moteur crée sur les roues du véhicule. En raison de ces deux forces égales et opposées agissant sur la voiture, la force résultante nette devient nulle et la voiture peut maintenir une vitesse constante.

Si nous rendons la force produite par le moteur nulle en gardant la voiture dans une position neutre pendant un certain temps, seule la force de traînée agit sur la voiture. Dans cette condition, la force nette est disponible sur la voiture et la voiture décélère.

Faire du vélo ou du vélo

La traînée aérodynamique est en effet une force de résistance majeure en cyclisme, chaque cycliste doit vaincre la résistance au vent. La traînée de pression joue un rôle majeur dans le cyclisme, principalement causée par les particules d'air qui se poussent ensemble sur les surfaces avant et plus espacées sur les surfaces arrière

Tous les cyclistes qui ont déjà pédalé face à un vent de face fort connaissent la résistance au vent. C'est épuisant! Pour avancer, le cycliste doit pousser à travers la masse d'air devant lui.

Bicyclette

Les vélos et les motos sont tous deux des véhicules à voie unique et leurs mouvements ont donc de nombreux attributs fondamentaux en commun. Si nous considérons le motard et le vélo comme un seul système, les forces externes agissant sont : la force de traînée, la force gravitationnelle, l'inertie, la force de frottement du sol et les forces internes sont causées par le cycliste.

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Dynamique d'un motard; Crédit d'image : Wikipédia

Parachute

La force de traînée agissant sur un parachute dépend de la taille du parachute, plus le parachute est grand, plus la force de traînée agissant dessus sera grande.

Les deux forces agissant sur un parachute sont la force de traînée ou la résistance de l'air et la force gravitationnelle. La force de traînée agit dans le sens opposé de la force gravitationnelle et ralentit le parachute chaque fois qu'il tombe.

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Parachute; Crédit d'image : Wikipédia

Un parachutiste tombant dans le ciel

Lorsqu'un parachutiste saute de l'avion, la résistance de l'air ou la traînée et la force gravitationnelle agissent sur son corps. La force gravitationnelle reste constante mais la résistance de l'air augmente avec l'augmentation de la vitesse terrestre.

La force des particules d'air frappant le corps peut être modifiée en modifiant la position de son corps (la section transversale du corps). Cela modifie la vitesse du parachutiste vers la terre.

La force de traînée (résistance) subie par le corps peut être représentée par la formule suivante :

R=0.5\\times D\\times p\\times A\\times v^{2}

Où D est le coefficient de traînée,

p est la densité du milieu, dans ce cas l'air,

 A est la section transversale de l'objet, et

 v est la vitesse de l'objet.

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Skidiving; Crédit d'image : Wikipédia

Mouvement d'une flèche et d'un frisbee

La trajectoire d'une flèche est influencée par trois forces : a) la force d'accélération de l'arc vers la cible, b) la force d'accélération vers la terre due à la force gravitationnelle, et c) la force de décélération due à la traînée aérodynamique sur la flèche.

La force de la corde de l'arc accélère la flèche depuis l'arc jusqu'à ce que la flèche atteigne la vitesse de lancement, la force de traînée ralentit sa vitesse lorsque la flèche se déplace dans l'air. Enfin la force gravitationnelle ramène la flèche à la surface de la terre.

Des forces importantes entraînent une accélération, mais des masses lourdes sont très difficiles à accélérer ou à décélérer. Par conséquent, une flèche plus légère quitte l'arc à une vitesse plus rapide et perd de la vitesse plus rapidement pendant le vol.

Runners  

Lorsque les coureurs courent le «vent» qu'ils ressentent en poussant contre eux, c'est en fait la force de la traînée. Dans le cas d'un coureur ou d'un nageur, la force de traînée agit toujours contre le mouvement, essayant de ralentir leur mouvement. Pour surmonter la traînée, un coureur doit se déplacer rapidement pour faire avancer la course. En d'autres termes, plus de poussée doit être produite par le corps.

Nageurs

Différentes formes de forces de traînée comme la friction, la pression et la traînée des vagues agissent continuellement sur un nageur lorsqu'il descend dans la piscine jusqu'à leur touche finale au mur. La traînée de friction se produit à la suite du frottement des molécules d'eau avec le corps du nageur, un corps plus lisse du nageur réduit la friction dans une certaine mesure.

En nageant à plus grande vitesse, il y a une augmentation de la pression dans la région frontale (tête du nageur) créant une différence de pression entre les deux extrémités du corps du nageur. Cette différence de la pression génère des turbulences derrière le corps du nageur, cette force de résistance supplémentaire est la traînée de pression.

La traînée des vagues se produit lorsque le corps du nageur est immergé dans l'eau et partiellement hors de l'eau. Toute la force de traînée des vagues est générée à partir de la tête et des épaules du corps du nageur.

Mouvement des balles

Au fur et à mesure que la balle se déplace dans l'air, Drag résistera au mouvement de la balle pendant son vol et réduira sa portée et sa hauteur, en même temps vent de travers le détournera de sa trajectoire d'origine. Les deux effets sont pris en compte par les joueurs de sports comme le golf.

Une balle qui rebondit suit généralement le mouvement du projectile, différentes forces agissent sur une balle sont la force de traînée, la force gravitationnelle, la force magnus due à la rotation de la balle et la force de flottabilité, toutes les forces doivent être prises en compte pour analyser le mouvement de la balle.

En général, de nombreux facteurs affectent l'amplitude de la force de traînée, notamment la forme et la taille de la balle, le carré de la vitesse de l'objet et les conditions de l'air; en particulier, la densité et la viscosité de l'air. Déterminer l'ampleur de la force de traînée est difficile car cela dépend des détails de la façon dont le flux interagit avec la surface de l'objet. Pour un ballon de football, cela est particulièrement difficile car des points de suture sont utilisés pour maintenir le ballon ensemble.

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Balle rebondissante; Crédit d'image : Wikipédia

Découvrez notre article sur  La résistance de l'air est-elle une force.