Luftmotstånd och sluthastighet
Luftmotstånd är den kraft som bromsar allt som rör sig genom luft, och den växer kraftigt med farten. En långsam cyklist märker den knappt, men vid hög fart kan luftmotståndet vara den största kraften som bromsar både cyklar och bilar. Till skillnad från friktion mellan fasta ytor uppstår luftmotstånd mot en gas, men precis som friktion verkar det alltid motsatt rörelsen.
När något faller ger tyngdkraften det en acceleration nedåt, och utan luft skulle farten fortsätta att öka så länge fallet pågår. Men ju snabbare föremålet faller, desto större blir luftmotståndet som verkar uppåt, mot fallriktningen. Till slut blir luftmotståndet precis lika stort som tyngdkraften, och då slutar farten att öka. Denna konstanta fart kallas sluthastighet, och den blir lägre för föremål med stor area än för föremål med liten area och samma tyngd.
En fallskärmshoppare som faller utan öppen skärm når en sluthastighet på omkring 50 till 60 meter per sekund. Så fort fallskärmen öppnas ökar ytan som möter luften enormt, vilket gör luftmotståndet mycket större vid samma fart. Den nya sluthastigheten blir då bara några meter per sekund, lugn nog för att landa säkert. Utan denna kraftiga ökning av luftmotståndet skulle landningen bli mycket hårdare.
Även formen och arean spelar stor roll. En cyklist som sitter upprätt möter mycket mer luft än en cyklist som böjer sig framåt och gör sig smal, så en nedböjd position kan göra skillnaden mellan att orka hålla en viss fart eller inte. Av samma anledning formas bilar rundade och strömlinjeformade i stället för kantiga, det minskar luftmotståndet och därmed bränsleförbrukningen vid högre hastigheter, där luftmotståndet är större än rullmotståndet från vägen.
Det här lär du dig
- Förklara varför luftmotstånd ökar med farten
- Beskriva vad som menas med sluthastighet och varför den uppstår
- Förklara hur en öppnad fallskärm förändrar sluthastigheten
- Resonera om hur form och area påverkar luftmotståndet
Begrepp att kunna
- Luftmotstånd
- En kraft som motverkar rörelse genom luft. Den ökar kraftigt med farten och beror också på föremålets form och area.
- Sluthastighet
- Den konstanta fart ett fallande föremål når när luftmotståndet har blivit precis lika stort som tyngdkraften, så att accelerationen blir noll.
- Strömlinjeformad
- En form som är anpassad för att minska luftmotståndet, ofta rundad och utan skarpa, platta ytor vinkelrätt mot rörelsen.
- Tvärsnittsarea
- Den area av ett föremål som möter luften rakt framifrån i rörelseriktningen. En större area ger normalt ett större luftmotstånd.
- Aerodynamik
- Läran om hur luft strömmar runt föremål i rörelse och hur detta påverkar krafterna på dem.
Vanliga svårigheter
Tror att ett fallande föremål accelererar för alltid
Utan luftmotstånd skulle tyngdkraften verkligen få ett fallande föremål att accelerera så länge fallet pågår. Men luftmotståndet växer med farten och blir till slut lika stort som tyngdkraften. Då är den resulterande kraften noll, accelerationen upphör, och föremålet fortsätter falla med konstant sluthastighet i stället för att bli snabbare och snabbare.
Tror att ett tyngre föremål alltid har större luftmotstånd
Vid en viss fart beror luftmotståndet på form och tvärsnittsarea, inte på vikten. En stor men strömlinjeformad bil kan vid samma fart möta mindre luftmotstånd än en mindre men kantig låda. Det är därför en nedböjd cyklist, som minskar sin area utan att bli lättare, märkbart kan öka sin fart.
Tror att luftmotstånd ökar lika mycket som farten ökar
Luftmotståndet växer mycket snabbare än farten själv, ungefär i takt med farten i kvadrat. En fördubbling av farten ger därför ett betydligt mer än dubbelt så stort luftmotstånd. Det är en av anledningarna till att det krävs mycket mer kraft för att öka toppfarten ytterligare när man redan kör eller cyklar snabbt.
I verkligheten
En fallskärmshoppare öppnar sin fallskärm efter att ha fallit en stund utan skärm
Innan skärmen öppnas har hopparen redan nått en sluthastighet på omkring 50 till 60 meter per sekund, där luftmotståndet balanserar tyngdkraften. När skärmen öppnas ökar arean enormt, luftmotståndet blir mycket större än tyngdkraften för ett ögonblick, och hopparen bromsas snabbt ner till en ny, mycket lägre sluthastighet.
En tävlingscyklist böjer sig framåt över styret i stället för att sitta upprätt
Den nedböjda positionen minskar den tvärsnittsarea som möter luften, vilket minskar luftmotståndet betydligt vid hög fart. Med mindre luftmotstånd kan cyklisten hålla en högre fart med samma mängd pedalkraft.
Tips
- Släpp ett vanligt pappersark och ett likadant ark som du har knycklat ihop till en tät boll, från samma höjd samtidigt. Den ihopknycklade bollen faller mycket snabbare, trots samma massa, eftersom dess tvärsnittsarea och därmed luftmotstånd är mycket mindre.
- Cykla i en upprätt position och sedan nedböjd över styret i samma backe utan att trampa, och jämför hur fort du rullar i de två positionerna. Skillnaden i fart kommer nästan helt från skillnaden i luftmotstånd.
- Fråga dig alltid om luftmotståndet redan hunnit bli lika stort som tyngdkraften i en situation. Om inte accelererar föremålet fortfarande. Är krafterna lika stora har det nått sin sluthastighet och fortsätter med oförändrad fart.
Testa dig själv
1. En fallskärmshoppare faller först allt snabbare, men efter en stund med konstant hastighet, innan fallskärmen öppnas. Förklara varför accelerationen upphör.
I början är tyngdkraften större än luftmotståndet, så hopparen accelererar nedåt. Ju snabbare hopparen faller, desto större blir luftmotståndet. När luftmotståndet till slut blir exakt lika stort som tyngdkraften blir den resulterande kraften noll, och hopparen slutar accelerera. Från den punkten faller hopparen med konstant sluthastighet.
2. Varför kan en utslagen fallskärm sänka en hoppares sluthastighet så dramatiskt, från omkring 50–60 meter per sekund till bara några meter per sekund?
Fallskärmen ökar den area som möter luften enormt jämfört med en hoppares kropp ensam. Eftersom luftmotståndet växer med arean blir det mycket större redan vid låg fart med skärmen öppen. Den nya, mycket lägre sluthastigheten är den fart där detta mycket större luftmotstånd blir lika stort som tyngdkraften.
3. Varför böjer sig tävlingscyklister ofta framåt över styret i stället för att sitta upprätt, särskilt vid höga hastigheter?
En nedböjd position gör cyklistens kropp smalare i rörelseriktningen, vilket minskar den tvärsnittsarea som möter luften. Eftersom luftmotståndet beror starkt på denna area, och blir den dominerande bromsande kraften vid hög fart, kan en mindre area göra stor skillnad för hur snabbt cyklisten kan köra med samma kraft i benen.
Ur kursplanen
- Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Krafter, rörelser och rörelseförändringar samt hur kunskaper om detta kan användas, till exempel i frågor om trafiksäkerhet.
- Fysik – fördjupning · Krafter, rörelse, energi och elektromagnetism
Krafter, rörelse, energi och elektromagnetism, till exempel rörelse med luft- och vätskemotstånd, stötar i två dimensioner, rotationsrörelse, dämpad svängningsrörelse, växelströmskretsar, akustik, elektromagnetiska vågor och speciella relativitetsteorin.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Leder vidare till
Träna vidare – gratis
Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: