Astronomía

¿Se puede ralentizar el aire / gas por fricción?

¿Se puede ralentizar el aire / gas por fricción?


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¿Puede el viento / aire que se mueve a velocidades promedio ser ralentizado por la causa de la fricción? Además, ¿se pueden ralentizar las burbujas de aire en el agua debido a ¿Fricción? Por favor, cite sus fuentes.


Sí, el aire y el gas se ralentizan por la fricción, ya que tienen una viscosidad distinta de cero. De wikipedia:

La viscosidad se puede conceptualizar como la cuantificación de la fuerza de fricción interna que surge entre capas adyacentes de fluido que están en movimiento relativo.

Sí, las burbujas de aire en el agua se ralentizan por la fricción, ya que el agua tiene una viscosidad distinta de cero. Vea este experimento de youtube que muestra las tasas de aumento de burbujas entre fluidos con diversas viscosidades.


Velocidad terminal

A continuación, consideramos una ley de fuerza mecánica para fluidos. (Por fluido, nos referimos a un gas o un líquido). Esta ley describe una fuerza ejercida sobre un objeto que se mueve a través de un fluido. Al igual que las leyes de los sólidos, las leyes de los fluidos son empíricas. La física de los fluidos se desarrollará en el Capítulo 16. Aquí solo nos interesa el movimiento de objetos sujetos a fuerzas ejercidas por fluidos. Tomaremos esta ley y exploraremos sus consecuencias usando las leyes de Newton.

El tamaño, la forma y la orientación de un objeto determinan la fuerza del fluido sobre ese objeto. Los nadadores y los paracaidistas cambian su forma y orientación doblando, girando y moviendo sus brazos y piernas. Esto les permite manipular las fuerzas del fluido y, en consecuencia, controlar su velocidad y dirección de movimiento. Las expresiones para leyes de fluidos son las más simples para esferas. Por tanto, limitaremos nuestras consideraciones al estudio de las fuerzas fluidas que actúan sobre una esfera.

La niebla y la neblina son colecciones de pequeñas gotas de agua. Un examen detallado revela que estas gotas caen muy lentamente. El efecto de arrastre sobre las gotas y la velocidad # x27 es grande en comparación con el efecto de arrastre y # x27s sobre la caída de la manzana de Newton & # x27. A bajas velocidades de las gotas de agua, la fuerza de arrastre está bien representada por Ley de Stokes & # x27. Esta ley expresa el arrastre, FD, en una esfera de radio r moviéndose con velocidad ν como

donde η (griego eta) es una cantidad empírica llamada viscosidad. La viscosidad, que analizaremos en la sección 15.7, es el fluido análogo del coeficiente de fricción cinética. La unidad SI de viscosidad es kilogramos por metro por segundo (kg / m · s).

Considere el movimiento vertical de una gota de niebla sujeta a las fuerzas de gravedad y arrastre. Las gotas comienzan a moverse desde el reposo. Después de un tiempo, adquieren una velocidad ν hacia abajo. Dos fuerzas actúan sobre la gota. Su peso, mg, es hacia abajo y la resistencia, 6πηrν, es hacia arriba. La aceleración de la gota & # x27s hacia abajo se determina a partir de la segunda ley de Newton & # x27s

Quizás la característica más llamativa de este resultado es la dependencia de la velocidad. Los objetos que caen libremente comparten una aceleración común gramo. La aceleración de la gota (ver Figura 6.16) es gramo inicialmente (ν = 0), pero luego cae a cero. La velocidad aumenta hasta que las dos fuerzas se vuelven iguales en magnitud. En este punto, la velocidad está en un máximo llamado velocidad terminal, ν T. Configuración a = 0 en la ecuación. 6.15 obtenemos para la velocidad terminal

Figura 6.16. La aceleración de una gota de niebla, a, se representa en función de su velocidad, ν. Inicialmente ν = 0 y la aceleración de la gota es igual a gramo. Cuando la velocidad alcanza la velocidad terminal, νT, la aceleración se ha reducido a cero.

¡Vemos de esta relación que la velocidad terminal de un objeto es proporcional a la masa del objeto! Cuanto más masivo es un objeto, más rápido cae a través de un fluido.

Para determinar la dependencia del tamaño de la velocidad terminal, introducimos la densidad de masa, ρ,

donde el término entre paréntesis es el volumen de la gota. Sustituyendo esta expresión por metro en Eq. 6.16 rendimientos

La velocidad terminal de una esfera de material dado (ρ fija) varía directamente con el cuadrado del radio. Por ejemplo, duplicar el radio produce un aumento de cuatro veces en la velocidad terminal.

Velocidad de una gota de niebla que cae

Usando un microscopio, encontramos que el radio de una pequeña gota de niebla es 5.1 × 10 −6 m, o aproximadamente cinco milésimas de milímetro (0.005 mm). (Este radio, típico de las gotas que se encuentran en la niebla y las nubes, es aproximadamente una décima parte del radio de la gota más pequeña visible para el ojo humano). Podemos usar esta medida para obtener la velocidad de sedimentación de la gota, asumiendo que Stokes & # x27 Se cumple la ley (para el aire, η = 1,90 × 10 −5 kg / m · s).

Comenzamos con la ecuación. 6,17 para νT.

Usando ρ = 103 kg / m 3 para agua, obtenemos

Una gota que cae con esta velocidad requiere 37 s para caer 1 m.

¿Esperaría que las bandas elásticas obedecieran la ley de Hooke & # x27s? Explicar.

Un artículo periodístico informa que se ha descubierto un material útil para la fabricación de resortes que ejercerán una fuerza restauradora proporcional al cuadrado de su desplazamiento desde el equilibrio. ¿Podría un manantial tener esta propiedad? Explicar.

Explique por qué la acción de frenado de un automóvil es menor si el automóvil patina que si no patina pero está a punto de patinar.

¿Qué métodos utilizan los departamentos de carreteras para cambiar el coeficiente de fricción entre la carretera y los neumáticos de los automóviles? ¿Qué efecto tiene el clima sobre el coeficiente de fricción? ¿Qué métodos están disponibles para los propietarios de automóviles para modificar el coeficiente de fricción?

¿Qué impide generalmente que las gotas de lluvia se vuelvan tan grandes como el granizo?


Respuestas y respuestas

Um, fricción estática vs fricción dinámica?

FWIW, utilicé una técnica relacionada para mover nuestros enormes bancos de laboratorio de acero. Tomó 'Three Large Guys' o simplemente me flaco. El truco consistía en utilizar la ligera flexibilidad del marco del banco. Tiraba de un banco, luego pateaba la pierna más cercana para comenzar. El banco se retorcía, sus patas se convertían en péndulos y yo lo "caminaba" por el pasillo sin más preámbulos.

No puedo hablar por @ Nik_2213, pero sí, las vibraciones no dejan que la fricción entre en el rango estático, que con muy pocas excepciones es mayor que la fricción dinámica.

En la mayoría de los casos, es mucho más difícil hacer que dos superficies se muevan contra cada una en lugar de mantenerlas en movimiento.

Hay otras cosas en juego a la velocidad: aire / gas arrastrado, lubricante posiblemente vaporizante, cambios de viscosidad del lubricante debido a la presión / temperatura, calentamiento de la superficie. otros.

Sin embargo, creo que estás viendo un experimento de fricción estática versus dinámica de caso especial bien documentado.

Estaba investigando más y vi esta explicación en la hoja de datos del fabricante de la cuchilla ultrasónica. Decía que "debido a que el cuerno (la hoja) vibra a una frecuencia tan alta, interrumpe las moléculas de aire a su alrededor causando un efecto de capullo". Este efecto capullo elimina virtualmente la adherencia del producto & quot. ¿Suena esto plausible? ¿Cómo describiría eso como un fenómeno de la física?

Archivos adjuntos

El modo de oscilación determinará el principio que se empleará para cortar.

1. Oscilación vertical simple, corta. Reemplaza la fricción estática con fricción dinámica, puede introducir un capullo de aire.

2. Oscilación a lo largo de la hoja, está cortando. Convierte la fricción estática en dinámica, pero introduce menos aire.

3. Oscilación lateral, abriendo el corte e introduciendo aire. Estará desordenado.

Me parece que las ranuras del cortador están allí para fomentar el modo de oscilación vertical.
La calidad del corte puede deberse a que la cuchilla permanece limpia, lo que reduce la adherencia.

Puede ser o no el efecto principal, pero tirar o empujar un cuchillo longitudinalmente a medida que avanza en un corte tiene un resultado útil. La fuerza de fricción del material sobre la superficie plana de la cuchilla tiene una magnitud más o menos fija. Esa fricción actúa en sentido opuesto a la dirección del movimiento relativo. Si la cuchilla se mueve principalmente longitudinalmente, esta fricción dinámica actúa principalmente longitudinalmente. Se reduce el componente de fricción que luego actúa para oponerse al avance de la cuchilla en el corte.

La vibración tiene una ventaja sobre las carreras largas porque elimina la necesidad de soportar el material contra la fuerza de fricción longitudinal. La propia inercia del material hace el trabajo.

Una vibración vertical dentro y fuera del corte tendría el mismo efecto. El promedio de tiempo de las fuerzas de fricción momentáneamente ascendentes y momentáneamente descendentes puede promediar algo bastante pequeño, aunque el movimiento neto promedia hacia abajo.


¿Se puede ralentizar el aire / gas por fricción? - Astronomía

El arrastre es la fuerza aerodinámica que se opone al movimiento de un avión a través del aire. La resistencia la genera cada parte del avión (¡incluso los motores!). ¿Cómo se genera el arrastre?

Arrastrar es un fuerza mecanica. Se genera por la interacción y contacto de un cuerpo sólido con un fluido (líquido o gas). No es generado por un campo de fuerza, en el sentido de un campo gravitacional o un campo electromagnetico, donde un objeto puede afectar a otro sin estar en contacto físico. Para que se genere arrastre, el cuerpo sólido debe estar en contacto con el fluido. Si no hay fluido, no hay arrastre. El arrastre se genera por la diferencia de velocidad entre el objeto sólido y el fluido. Debe haber movimiento entre el objeto y el fluido. Si no hay movimiento, no hay arrastre. No importa si el objeto se mueve a través de un fluido estático o si el fluido pasa por un objeto sólido estático.

El arrastre es una fuerza y, por lo tanto, es una cantidad vectorial que tiene una magnitud y una dirección. El arrastre actúa en una dirección opuesta al movimiento de la aeronave. El ascensor actúa perpendicularmente al movimiento. Hay muchos factores que afectan la magnitud del arrastre. Muchos de los factores también afectan la sustentación, pero hay algunos factores que son exclusivos de la resistencia de la aeronave.

Podemos pensar en la resistencia como fricción aerodinámica, y una de las fuentes de la resistencia es la fricción superficial entre las moléculas del aire y la superficie sólida de la aeronave. Debido a que la fricción cutánea es una interacción entre un sólido y un gas, la magnitud de la fricción cutánea depende de las propiedades tanto del sólido como del gas. Para el sólido, una superficie lisa y encerada produce menos fricción cutánea que una superficie rugosa. Para el gas, la magnitud depende de la viscosidad del aire y la magnitud relativa de las fuerzas viscosas al movimiento del flujo, expresada como el número de Reynolds. A lo largo de la superficie sólida, se genera una capa límite de flujo de baja energía y la magnitud de la fricción cutánea depende de las condiciones en la capa límite.

También podemos pensar en el arrastre como una resistencia aerodinámica al movimiento del objeto a través del fluido. Esta fuente de arrastre depende de la forma de la aeronave y se denomina arrastre de forma. A medida que el aire fluye alrededor de un cuerpo, la velocidad y la presión locales cambian. Dado que la presión es una medida del impulso de las moléculas de gas y un cambio en el impulso produce una fuerza, una distribución de presión variable producirá una fuerza sobre el cuerpo. Podemos determinar la magnitud de la fuerza integrando (o sumando) la presión local multiplicada por el área de la superficie alrededor de todo el cuerpo. El componente de la fuerza aerodinámica que se opone al movimiento es el arrastre, el componente perpendicular al movimiento es el sustento. Tanto la fuerza de elevación como la de arrastre actúan a través del centro de presión del objeto.

Hay un componente de arrastre adicional causado por la generación de sustentación. Los aerodinámicos han llamado a este componente la resistencia inducida. También se le llama "arrastre debido al levantamiento" porque solo ocurre en alas finitas que se levantan. La resistencia inducida se produce porque la distribución de la sustentación no es uniforme en un ala, sino que varía de la raíz a la punta. Para un ala de elevación, existe una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del ala. Se forman vórtices en las puntas de las alas, que producen un flujo en remolino que es muy fuerte cerca de las puntas de las alas y disminuye hacia la raíz del ala. El ángulo de ataque local del ala aumenta con la flujo inducido del vórtice de la punta, dando un componente adicional, orientado hacia abajo, a la fuerza aerodinámica que actúa sobre el ala. La fuerza se llama arrastre inducido porque ha sido "inducida" por la acción de los vórtices de las puntas. La magnitud de la resistencia inducida depende de la cantidad de sustentación generada por el ala y de la distribución de la sustentación a lo largo del tramo. Las alas largas y delgadas (en sentido de la cuerda) tienen un arrastre inducido bajo, las alas cortas con una cuerda grande tienen un arrastre inducido alto. Las alas con una distribución elíptica de sustentación tienen la mínima resistencia inducida. Los aviones de pasajeros modernos utilizan aletas para reducir la resistencia inducida del ala.

Dos fuentes adicionales de arrastre son arrastre de onda y arrastre de ram. A medida que un avión se acerca a la velocidad del sonido, se generan ondas de choque a lo largo de la superficie. Las ondas de choque producen un cambio de presión estática y una pérdida de presión total. El arrastre de las olas está asociado con la formación de ondas de choque. La magnitud del arrastre de las olas depende del número de Mach del flujo. El arrastre de ariete se produce cuando se introduce aire libre en el interior del avión. Los motores a reacción llevan aire a bordo, mezclan el aire con el combustible, queman el combustible y luego agotan los productos de combustión para producir empuje. Si miramos la ecuación de empuje básica, hay un término de flujo másico multiplicado por la velocidad de entrada que se resta del empuje bruto. Este término de "empuje negativo" es el arrastre del ariete. Las entradas de refrigeración de la aeronave también son fuentes de arrastre de ariete.

Puede ver una película corta de "Orville y Wilbur Wright" discutiendo la fuerza de arrastre y cómo afectó el vuelo de sus aviones. El archivo de la película se puede guardar en su computadora y ver como un Podcast en su reproductor de podcasts.


¿Qué es la Aerofagia?

La definición simple de aerofagia es cuando traga demasiado aire en su tracto gastrointestinal. El término generalmente se refiere a tragar aire de manera inconsciente y en niveles lo suficientemente altos como para causar problemas gastrointestinales.

La mayoría de las personas tragan un poco de aire al hablar, comer o beber. Pero en los casos de aerofagia, la cantidad de aire que se ingiere es tan grande que puede causar hinchazón abdominal, dolor intestinal y eructos, eructos o hipo excesivos.

La mayor parte del aire que se ingiere generalmente se expulsa, pero con la aerofagia, el aire puede pasar regularmente del estómago al intestino delgado. Cuando se acuesta a dormir por la noche, es probable que esta cantidad aumente significativamente.

Una vez que este aire está en su tracto gastrointestinal, el que no se absorbe en el intestino delgado (principalmente oxígeno), tiene que ir a alguna parte. Ese pasaje a menudo conduce a hinchazón abdominal y calambres intestinales dolorosos.


4. No hay suficientes salidas de aire de retorno

Un sistema típico de HVAC de aire forzado está diseñado para un sistema de circuito cerrado. En un mundo perfecto, produce una cierta cantidad de aire, y ese aire se distribuye por toda la casa, por lo que la misma cantidad de aire se devuelve de la casa, se acondiciona y luego se redistribuye.

Cada área que recibe una cantidad medida de aire también debe poder devolver la misma cantidad de aire al sistema. Si la devolución no es suficiente:

Es un concepto similar al de soplar en una pajita: siempre que ambos extremos estén abiertos, puede soplar tanto aire como lo permita el tamaño de la pajita. Pero tan pronto como restrinjas un extremo, la cantidad de aire que puede pasar a través de la pajita se vuelve limitada. ¡Cierre un extremo completamente y la cantidad de aire que puede soplar se vuelve finita!

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5 respuestas 5

Si el automóvil tiene una transmisión ideal de variación continua (para que el motor siempre pueda entregar toda su potencia a las ruedas) y llantas infinitamente pegajosas (para que no patinen al principio), y no considere el arrastre o cualquier otro factor del mundo real, entonces la energía cinética del automóvil aumenta a una tasa constante. Esa tasa es la potencia del motor. La velocidad aumentaría proporcionalmente a $ sqrt t $, por lo que tomaría exactamente tres veces más tiempo (también tres veces más gas / aire) pasar de 50 mph a 100 mph que pasar de 0 mph a 50 mph.

Incluso con todos los factores del mundo real agregados nuevamente (resistencia del aire, transmisión, llantas, etc.), el hecho de que un automóvil que va a 100 mph tiene cuatro veces la energía cinética que uno que va a 50 mph es un factor importante en el por qué tarda mucho más en llegar a 50-100 que a 0-50. Los motores solo pueden girar tan rápido que no se pueden alcanzar las 100 mph en la primera marcha. Cuando cambia hacia arriba, el motor sigue generando la misma cantidad de potencia, pero la relación de transmisión más alta significa que la fuerza transmitida a la carretera es menor. Muchos coches pueden transmitir la fuerza suficiente para hacer que las ruedas motrices resbalen sobre el asfalto en la primera marcha. Muy pocos pueden hacerlo en quinta (o incluso en tercera). Entonces, a medida que se acerca a las 100 mph, su aceleración es mucho menor que cuando comenzó. La resistencia al aire solo aumenta el efecto.

No. Hay otras fuerzas opuestas no relacionadas linealmente, como la fricción del cojinete, por ejemplo. Y la fricción entre el neumático y la carretera.

Consideremos la lógica de su pregunta frente a la física. Dado que no hay resistencia del aire del aire, no hay resistencia interna del motor, no hay resistencia de las piezas del sistema de transmisión:

  • "Para llegar de 0 a 50 m / s se necesita una cierta cantidad de fuerza. Para llegar de 50 a 100 se necesita la misma fuerza durante el mismo tiempo, pero se necesita más energía". Esto es cierto. Aceleración = Fuerza / Masa. A fuerza y ​​masa constantes, la aceleración sigue siendo la misma. Tiempo = (cambio de Velocidad) / Aceleración, por lo que el tiempo es el mismo. Distancia = (velocidad media) x tiempo, y la velocidad media aumentará y, en consecuencia, también lo hará la distancia recorrida. Energía = Fuerza x Distancia, por lo que la energía requerida aumentará.
  • ". Entonces, se necesitaría más entrada de gas para la segunda mitad, lo que significa que la fuerza disminuiría lentamente a medida que se acelera, lo que lleva a un mayor tiempo para alcanzar la velocidad si no se cambia la entrada de gas". Bueno, suponga que la fuerza permanece igual , porque generalmente puede. Sin embargo, la entrada de gasolina por segundo tendría que aumentar porque la masa del automóvil se empuja una distancia mayor por unidad de tiempo durante la aceleración de 50-100 m / s. La fuerza actúa sobre una distancia más larga.
  • La moraleja de la historia es que el desplazamiento bajo fuerza (en este caso requerido para superar la tendencia de la masa del automóvil a resistir la aceleración) requiere energía. Si no hay fuerza de resistencia que vencer, no se requiere energía durante el crucero (velocidad constante). Este es el atractivo de Hyperloop.

Para el caso que incluye la resistencia del aire, las pérdidas por fricción del motor, las pérdidas del tren de transmisión, entonces es fácil demostrar que la resistencia del aire y las pérdidas por fricción son mayores a una velocidad más alta.

Una ecuación alternativa para la potencia es $ P = Fv $. Si la potencia de salida del motor es constante, a medida que aumenta la velocidad, la fuerza sobre el automóvil debe disminuir. Según la segunda ley de Newton, $ F = ma $, lo que significa que la aceleración disminuye a medida que aumenta la velocidad. Esto significa que el automóvil tardará más en pasar de 50 m / sa 100 m / s de lo que tardó en pasar de 0 m / sa 50 m / s.

Considere un experimento mental que creo que aprovechará su intuición.

Tienes un coche en la carretera y en su techo tienes una plataforma extremadamente larga (como la pista de un portaaviones), con otro coche en esa pista. Ambos coches viajarán en la misma dirección.

Ignoraremos el desafío de ingeniería de esto, y asumiremos que la pista sostenida por el vagón inferior es lo suficientemente larga como para que el vagón superior recorra bastante distancia a lo largo de ella. También ignoraremos cualquier efecto de arrastre causado por el aire o por partes mecánicas, y asumiremos que la pista es más o menos ingrávida (por lo que las únicas cosas con un peso sustancial son los autos y los conductores en ellos).

Ahora el conductor del auto inferior pone el pie en el suelo y lleva toda la configuración a 50 mph (obviamente, llevar el peso de ambos autos significa que quema el doble de combustible en este paso). Así que ahora ambos autos viajan a 50 mph en relación con el suelo, y el auto superior viaja a cero mph en relación con la pista.

Al estar en un entorno sin arrastre, toda esta configuración navegará a 50 mph sin más entrada de energía: el conductor inferior podría apagar el motor, si lo desea, y ambos autos navegarán hacia la puesta de sol.

Ahora pasemos al conductor en el vagón superior en la pista. Dado que ya está haciendo 50 mph en relación con el suelo, se deduce que puede poner el pie en el suelo, y cuando llegue a 50 mph en la pista, estará haciendo 100 mph en relación con el suelo, ¿no?

Así que el coche superior se pone en marcha. Pero cuando pone su pie en el suelo, el vagón inferior que lleva la pista se ralentiza en relación con el suelo, ¡casi tanto como el coche superior gana en relación con la pista! Es como si la pista se deslizara por debajo de él, de modo que cuando llega a 50 mph en relación con la pista, la pista en sí (y el automóvil inferior) se ha detenido en relación con el suelo, y el conductor superior, por lo tanto, todavía está haciendo solo 50 mph en relación con el suelo.

En otras palabras, toda la entrada de energía del motor del automóvil superior, a pesar de que está acelerando a lo largo de la pista a 50 mph, entró en ralentizando la pista mientras que el coche superior mantuvo su velocidad constante en relación con el suelo. ¡Ha tenido el pie en el suelo durante varios segundos y no ha ganado ninguna velocidad adicional en relación con el suelo!

Lo que esto muestra es que, una vez que el conductor inferior ha llevado toda la configuración a 50 mph, para que el automóvil superior acelere en relación con el suelo, ambas cosas los conductores deben mantener el pie en el acelerador en cantidades iguales - el automóvil superior pone el pie en el acelerador para moverse por la pista, y el conductor inferior pone el pie en el acelerador para asegurarse de que el automóvil inferior que sostiene la pista mantenga su velocidad de 50 mph en relación con el suelo, contra el empuje de las ruedas del vagón superior. Así que ahora tienes dos motores funcionando por igual, solo para acelerar el auto (superior) (el motor del auto inferior tiene que funcionar únicamente para mantener su velocidad frente a las fuerzas ejercidas por el vagón superior contra la pista).

En teoría, sin arrastre, los autos podrían estar engranados de tal manera que pudieran acelerar casi indefinidamente, pero cada vez que el motor se sobreimpulsa aún más al engranar, la cantidad de torque en las ruedas se reduce, de modo que eventualmente su aceleración (a pesar de estar a toda velocidad) se ralentizaría a un avance infinitesimal, porque el motor tiene una salida máxima de energía fija.

Y en algún lugar de este escenario, está la explicación de por qué se necesita mucho más combustible para pasar de 50 mph a 100 mph, que para pasar de 0 mph a 50 mph. Y de hecho, de 0 mph a cualquier velocidad dada, cada duplicación de la velocidad requiere el doble de energía de nuevo, como la energía necesaria para alcanzar la velocidad ya ganada.

Entonces, llegar a 50 mph no requiere 50 veces la energía que tomó para llegar a 1 mph, se necesita millones muchas veces más energía de la que se necesita para llegar a 1 mph.

El beneficiario de todo este aporte extra de energía es la propia corteza terrestre, que se vuelve a entregar (principalmente en calor y en la descomposición química y estructural de las pastillas y discos de freno) cuando el automóvil frena de golpe.

Parece una situación contraria a la intuición, pero es completamente familiar para nuestra experiencia diaria. Se necesita el doble de energía para alcanzar un ritmo de carrera que para caminar, y el doble para parar de nuevo (dado que los humanos no tienen "partes de frenado" separadas como los autos, y la mayoría de las veces debe hacerse con la fuerza de los músculos).

Es simplemente por convención que utilizamos velocímetros lineales en lugar de logarítmicos, de modo que un aumento lineal en la velocidad numérica implica un aumento exponencial de energía. Otros aspectos de los sentidos humanos son similares, por ejemplo, con nuestra audición, una duplicación en el percibido volumen de un sonido, en realidad implica un aumento exponencial de la potencia de la onda sonora.


Cálculo de la resistencia del aire:

La resistencia del aire generalmente se calcula usando la & # 8220 ecuación de arrastre & # 8221, que determina la fuerza experimentada por un objeto que se mueve a través de un fluido o gas a una velocidad relativamente grande. Esto se puede expresar matemáticamente como:

En esta ecuación, FD representa la fuerza de arrastre, pag es la densidad del fluido, v es la velocidad del objeto en relación con el sonido, A es el área de la sección transversal, y CD es el coeficiente de arrastre. El resultado es lo que se llama & # 8220 arrastre cuadrático & # 8221. Una vez que esto se determina, calcular la cantidad de energía necesaria para superar la resistencia implica un proceso similar, que se puede expresar matemáticamente como:

Aquí, Pd es el poder necesario para vencer la fuerza de arrastre, Fd es la fuerza de arrastre, v es la velocidad, pag es la densidad del fluido, v es la velocidad del objeto en relación con el sonido, A es el área de la sección transversal, y CD es el coeficiente de arrastre. Como muestra, las necesidades de potencia son el cubo de la velocidad, por lo que si se necesitan 10 caballos de fuerza para ir a 80 kph, se necesitarán 80 caballos para ir a 160 kph. En resumen, duplicar la velocidad requiere una aplicación de ocho veces la cantidad de energía.

Un F-22 Raptor que alcanza una velocidad lo suficientemente alta como para lograr un boom sónico. Crédito: strangesounds.org


2 Métodos y materiales

Realizamos CO directo2/ Mediciones de flujo DMS a bordo del RV Sonne navegando desde Durban, SA a Port Louis, MU (SO 234-2, 8-20 de julio de 2014) y desde Port Louis, MU a Malé, MV (SO 235, 23 de julio a 8 de agosto de 2014). La trayectoria del crucero se muestra en la Figura 1. Además, registramos concentraciones de CO en el aire y el agua de mar.2 y DMS. Las observaciones meteorológicas básicas fueron realizadas por la estación meteorológica automatizada del barco. Usamos el algoritmo 3.5 del Experimento de Respuesta Acoplado Océano-Atmósfera de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA COARE) 3.5 para describir el estado de la capa límite. La velocidad del viento utilizada a lo largo del texto es medida por la estación meteorológica del barco y luego recalculada por los parámetros de estabilidad de COARE para tu10norte (Figura 2).

2.1 Covarianza de remolinos

(11)

Corregimos las mediciones del viento para el movimiento del barco según Edson et al. (1998) y Miller et al. (2010). También incluimos la actualización de ajuste plano y distorsión de flujo de Landwehr et al. (2015). Más información sobre la corrección de movimiento está disponible en la información de apoyo. Las aceleraciones lineales requeridas, las velocidades angulares, el rumbo / rumbo del barco y la velocidad del barco se registraron mediante una unidad de navegación inercial (30 Hz, Landmark 10, Gladiator Technologies) y un GPS, frecuencia de muestreo de 1 Hz. Ambos dispositivos también se montaron en el mástil de medición. Además, registramos las propiedades atmosféricas y los datos de navegación utilizando los sensores incorporados del barco a una frecuencia de muestreo de 1 Hz. A menos que se indique lo contrario, todos los datos presentados fueron registrados por nuestro sistema de medición de covarianza de remolinos.

2.1.1 Mediciones de covarianza de Eddy DMS

Registramos las concentraciones de DMS en el aire a 5 Hz en el contenedor del laboratorio utilizando un espectrómetro de masas de ionización química a presión atmosférica (AP-CIMS) similar a los descritos por Marandino et al. (2007) y Saltzman et al. (2009). Se tomaron muestras de aire del mástil en la proa del barco (11 m sobre el nivel del mar) y se bombeó a un caudal de 50 a 70 l / min.total a través de un de diámetro, tubo de politetrafluoroetileno de 25 m de longitud al AP-CIMS. Este flujo del mástil se submuestreó (2 L / min) y se secó usando una membrana de Nafion (Perma Pure) antes del análisis por AP-CIMS. Para la calibración, agregamos continuamente un estándar DMS deuterado (DMS-d3, 2.28 ppm Ctanque) a la entrada a una velocidad de 2 mL / min Flujostd. Uso de la relación de recuento de los recuentos de DMS deuterados66 a los recuentos DMS naturales63, la proporción de mezcla de DMS atmosférico, DMSaire, se calculó de la siguiente manera: (12)

2.1.2 CO2 Mediciones de covarianza de Eddy

El co2 Las mediciones de covarianza de remolinos se realizaron en el mismo mástil y en el mismo recipiente de laboratorio que el sistema de covarianza de remolinos DMS. La muestra de aire se recogió junto a la entrada de aire del DMS y se bombeó a 15 L / min a través de un tubo DECABON de 25 m y 1/2 "hasta el recipiente de laboratorio con el CO2 sistema de medida. Usamos un sistema de medición de infrarrojos no dispersivo (LI-7200 de Licor) en la configuración de Miller et al. (2010) para medir la presión parcial seca de CO2 en la atmósfera. Los datos se recopilaron a 10 Hz con dos LI-7200 en línea. Colocamos una membrana Nafion (Perma Pure) entre los dos LI-7200 para secar la corriente de aire y para asegurar que no haya interferencias de las fluctuaciones del vapor de agua. La presión de aire de muestra se midió entre los dos LI-7200 usando un transductor de presión (Mensor CPT6100) y se corrigió a la presión de cada celda de Licor usando el transductor de presión diferencial interno. En este análisis solo se presentan los datos del segundo (corriente de aire seco) LI-7200.

2.1.3 Posprocesamiento

En total, registramos 130,15 horas de mediciones de DMS y 281,7 horas de CO2 mediciones, que cumplieron con el criterio de dirección relativa del viento de ± 90 ° desde la proa y el requisito de dirección constante del viento (± 10 °) (Landwehr et al., 2015).

Dividimos el DMS y el CO2 registros en intervalos de ejecución (tamaño de paso 10 min), cada 29,6 min y los fusionó con los datos de navegación y viento registrados simultáneamente. Como resultado obtuvimos 477 DMS y 942 CO2 registros de datos y los examinó para detectar picos, fallos de funcionamiento, anomalías de alta y baja frecuencia. La determinación del retraso se realizó en dos pasos. Primero, configuramos el retardo al valor obtenido de las pruebas de retardo. Luego, para aumentar la precisión del retardo, correlacionamos de forma cruzada el viento registrado w'y la respectiva concentración de aire C'y establezca el retraso en la correlación máxima positiva (flujo fuera del océano) o una correlación negativa máxima (flujo en el océano). En el tiempo de retardo correcto, el cospectro y el gráfico de correlación cruzada se examinaron en busca de anomalías y se tomó la decisión de aprobar o rechazar. Posteriormente, 435 DMS y 266 CO2 Los intervalos se corrigieron por la pérdida de alta frecuencia en el tubo. En la información de apoyo se proporciona una descripción de la correlación cruzada de retardo y la corrección de alta frecuencia. Ejemplos de espectros de gases y C'w'cospectra están en la información de apoyo.

2.2 Mediciones de aire y agua de mar a granel

La concentración de agua de mar de DMS se midió utilizando un sistema de purga y trampa conectado a un sistema GC-MS (GC / MS Agilent 7890A / Agilent 5975C) que funciona en modo de ión único. Tomamos muestras cada 3 horas de una corriente constante de la piscina lunar del barco (5 m de profundidad). Las muestras se midieron dentro de los 15 minutos posteriores a la recolección purgando los gases de la muestra de agua durante 15 minutos, secando la corriente de gas con carbonato de potasio y preconcentrando los gases en una trampa enfriada con nitrógeno líquido. Después de la preconcentración, la trampa se calentó y los gases se inyectaron en el GC. Analizamos, en total, 162 muestras de agua de mar DMS. Se proporciona una descripción detallada del procedimiento de medición en Zavarsky et al. (2017).

Usamos las proporciones de mezcla promedio de DMS del sistema de covarianza de remolinos como proporciones de mezcla de DMS de aire a granel. Estos valores se compararon con las mediciones realizadas con muestras de recipientes de aire de acero inoxidable (altura de muestreo de 25 m), tomadas cada 3 horas al mismo tiempo que las muestras de agua de mar DMS y analizadas para detectar más de 50 gases, incluidos DMS e isopreno, en la Universidad de Miami . Mostraron un buen acuerdo.

Mediciones oceánicas de pCO2 se llevaron a cabo utilizando la configuración descrita en Arevalo-Martinez et al. (2013). El agua se extrajo a bordo utilizando una bomba sumergible instalada en la piscina lunar del barco a aproximadamente 5 m de profundidad y posteriormente se extrajo a una velocidad de aproximadamente 5 L / min a través del equilibrador tipo Weiss. Sample air from the headspace of the equilibrator was continuously pumped through the instruments and then back to the equilibration chamber forming a closed loop. The air stream was dried using a refrigerated air dryer and a Nafion dryer before being injected into the analyzer (LI-COR, USA LI-6252) in order to diminish interferences due to the water vapor content of the sample. Every minute a data point was recorded. The LI-COR analyzer was calibrated regularly using three nonzero standards traceable to World Meteorological Organization scale. Atmospheric air measurements were accomplished by drawing air into the system from an air inlet located at the ships mast at about 30 m height. The intake temperature was measured by a calibrated Seabird thermosalinograph (SBE37), which was installed next to the seawater intake. Due to a broken temperature sensor we had to estimate the temperature in the equilibrator by using the temperature readings of an Aanderaa oxygen optode (model 4330) which was installed in a flow-through box next to the Weiss equilibrator. The optode's temperature was compared to the SBE37. The temperature readings agreed within 0.05°C. Following the standard operating procedure described in Dickson et al. ( 2007 ) and the procedures described in Pierrot et al. ( 2009 ) the pCO2 at seawater temperature was calculated from measured XCO2. Based on the accuracy of temperature, pressure, and XCO2 measurements, the resulting accuracy of the seawater pCO2 measurements is estimated to be better than 5 μatm.

2.3 Hybrid Model

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2.4 COARE

The NOAA COARE 3.5 algorithm (Edson et al., 2013 ) is an update from its first version COARE 2.5 (Fairall, Bradley, Godfrey, et al., 1996 Fairall, Bradley, Rogers, et al., 1996 ) and provides stability parameters and standard meteorological variables of the boundary layer from bulk measurements. We used the ship's meteorological data and COARE 3.5 to calculate relevant boundary layer parameters and tu10norte. Data outages, if longer than 30 min, of wind speed and wind direction in the ships' meteorological system between day of year (DOY) 209.25 and 211.75 were filled with wind data from the eddy covariance measurement system. The extent of the data outage is shown in the supporting information.

2.5 Wave Parameters

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2.6 Kinematic Viscosity

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The Physics Behind Why Firing A Gun Into The Air Can Kill Someone

Naval soldiers prepare to fire a gun salute during a burial at sea. This would be catastrophically . [+] unsafe in any region where the bullets could come down and land on a human. Image credit: U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 3rd Class Kevin J. Steinberg.

Would you fire a gun into the air in celebration if you knew that, when the bullet comes down, it could kill somebody? It's no surprise that bullets fired towards a target can easily destroy whatever they run into: a bullet from an AK-47 leaves the rifle traveling at over 1,500 miles per hour (670 meters per second): about double the speed of sound. Despite only having a mass of about five grams -- under a fifth of an ounce -- it's got the energy of a brick dropped from a 30 story building. Concentrated into a tiny surface area at the bullet tip, it can easily break through your skin. And once it does, that energy and momentum tears through your body, ripping a hole through blood vessels, muscle, and potentially vital organs. No wonder it can kill you.

A 0.50 caliber bullet wound of the face. The patient was injured while heating a 0.50 caliber . [+] incendiary machine gun bullet with a blowtorch in a World War II-era accident. Image credit: the National Museum of Health and Medicine.

But what if the bullet is fired up, rather than directly at a target? If you performed that experiment on the Moon, if the bullet went up at 1,500 miles per hour, then no matter what angle you fired it at and how long it took to come back to the lunar surface, it would come down at 1,500 miles per hour. A bullet fired away from the Moon's surface would be just as lethal as one fired across it. But on Earth, we have our atmosphere, which means we also have air resistance. A bullet fired straight up, with no wind, might reach a height of 10,000 feet (about three kilometers), but will come back down at only around 150 miles per hour: just 10% of the speed and with only 1% of the energy as the originally fired bullet.

Ultra-high speed photo of bullet fired out of a Smith and Wesson revolver. Image credit: Wikimedia . [+] Commons user Niels Noordhoek.

But in reality, there are extra factors at play:

  1. We do have wind, which can make bullets fired even straight up come down up to two miles away.
  2. Not every bullet is fired straight up many are fired at an angle. If the bullet never stops or tumbles, it can maintain much greater speeds: many hundreds of miles per hour.
  3. All a bullet needs to do to be potentially lethal is break the skin, which occurs at different speeds for different bullets and different people.

So in order to know whether a bullet will break your skin or not, we need to look at two things: the bullet type and your skin type.

Various weights, sizes and calibers of bullets. Even at the same muzzle velocity, when fired up, . [+] these bullets will all come down at different speeds. Image credit: Bobbfwed at the English language Wikipedia.

The generally accepted threshold for breaking the skin barrier is 136 miles per hour, although some bullet/skin combinations will cause the bullet to bounce off you at up to 225 miles per hour. The pointier a bullet is, the slower it can be moving and still break your skin. (Hollow point bullets are more dangerous not because it's easier for them to puncture your skin, but because they create more damage once they do.) Bullets of different sizes and calibers can puncture skin more easily: buckshot will perforate skin at 145 miles per hour and bullets from a .38 caliber revolver will do so at just 130 miles per hour. Bullets from a 9mm handgun may max out at speeds as low as 102 miles per hour. And a .30 caliber bullet, according to Mattoo's equation, might do so at only 85 miles per hour.

Various thicknesses of skin are found on varying locations on the human body, and often correlate . [+] with hairy regions. Your armpits have particularly thin skin. Image credit: Wikimedia Commons users Madhero88 and M.Komorniczak.

In addition, skin thickness varies from person-to-person and at different places on your body. The skin on your upper lip is 50% thicker than the skin on your cheek, and the skin just below your cheekbones by your nose is even thinner, particularly in the elderly. Babies and young children have very thin skin relative to adults, and while the elderly have thicker skin in general, it has less elasticity and is easier to tear and puncture.

The only way to guarantee a bullet will bounce off of your skin? Be Superman. Image credit: Leo . [+] Leung of flickr, via https://www.flickr.com/photos/mleung311/8854935471.

According to Hatcher's Notebook, where U.S. Army Major General Julian Hatcher reported on a huge suite of military ballistics tests, a .30 caliber bullet has a terminal speed of 200 miles per hour, not 150. When you fire a bullet into the air, it typically takes between 20 and 90 seconds for it to come down, depending on the angle it was fired at, its muzzle velocity and its caliber. New years and July 4th, in the USA, are particularly dangerous in urban areas for this, as injuries from falling bullets and even occasionally deaths result. While reports from hospitals are often disputed by police, there are well-documented cases that prove how lethal this can be. In 2010, Marquel Peters, four years old, was killed by a stray falling bullet in Decatur, GA.

As long as a bullet can puncture your skin, the damage it can do to you internally has the potential . [+] to be lethal. Public domain image.

If you must fire a gun into the air, the way to minimize your potential risk to yourself and others is to:

  • fire the bullet as close to vertical as possible (where it will lose the most speed),
  • from a low altitude location (where air resistance is higher),
  • in a rural, low-population-density area (where it's less likely to hit a person),
  • and to fire a lighter, larger bullet (with a lower terminal velocity).

And finally, as a bystander, know that you aren't completely safe from a hail of falling bullets until two minutes have passed since the final gunshot. Firing a gun into the air might be extremely unlikely to kill the person firing it, but there's a reason that most major cities have outlawed it: your freedom to celebrate ends when your celebration starts to kill innocent bystanders.


Setup and maintenance: precharging

On newly repaired bladder accumulators, the shell ID should be lubricated with system fluid before precharging. This fluid acts as a cushion, and lubricates and protects the bladder as it unwinds and unfurls. When precharging begins, the initial 50 psi of nitrogen should be introduced slowly.

Neglecting these precautions could result in immediate bladder failure. High-pressure nitrogen, expanding rapidly and thus cold, could channel the length of the folded bladder and concentrate at the bottom. The chilled brittle rubber expanding rapidly could rupture in a starburst pattern, Figure 10(a). The bladder also could be forced under the poppet, resulting in a C-shaped cut in the bladder bottom, Figure 10(b).

The fluid side of piston accumulators should be empty during precharging so that gas-side volume is at a maximum. Little damage, if any, can take place during precharging.

Too high a precharge pressure or reducing the minimum system pressure without a corresponding reduction in precharge pressure may cause operating problems or damage to accumulators. With excessive precharge pressure, a piston accumulator will cycle between stages (e) and (b), Figure 2, and the piston will range too close to the hydraulic end cap. The piston could bottom at minimum system pressure to reduce output and eventually cause damage to the piston and its seal. The bottoming of the piston often can be heard the sound serves as a warning of impending problems.

Too high a precharge in a bladder accumulator can drive the bladder into the poppet assembly when cycling between stages (e) and (b), Figure 2. This could cause fatigue failure of the spring and poppet assembly, or a pinched and cut bladder if the bag gets trapped beneath the poppet as it is forced closed. Too high a precharge pressure is the most common cause of bladder failure.

Too low a precharge pressure or an increase in system pressure without a compensating increase in precharge pressure also can cause operating problems, with possible accumulator damage. With no precharge in a piston accumulator, the piston likely will be driven into the gas end cap and probably will remain there. A single contact is unlikely to cause damage.

For bladder accumulators, too low or no precharge can have severe consequences. The bladder may be crushed into the top of the shell, then may extrude into the gas valve and be punctured. One such cycle is sufficient to destroy a bladder. Piston accumulators, therefore, are more tolerant of improper precharging.