9.6-Fluid Friction

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9.6 - Fluid Friction
  • Fluid friction is the resistance experienced by objects moving through a fluid (liquid or gas).
  • It depends on the shape, size, and speed of the object and the fluid's viscosity.
  • Streamlined shapes help reduce fluid friction, enhancing movement efficiency.
  • Air resistance is a type of fluid friction acting on objects moving through air.
  • Drag force in fluids increases with the square of the velocity: $F_d \propto v^2$.
  • Lubricants help in minimizing fluid friction by forming a thin layer between surfaces.

9.6 - Fluid Friction

Fluid friction, also known as drag, is the resistance to motion experienced by an object moving through a fluid, such as air or water. Unlike solid friction, which occurs between two solid surfaces, fluid friction arises due to the interactions between the object and the fluid particles surrounding it.

When an object moves through a fluid, it has to push the fluid particles out of its way. This results in a force that opposes the motion of the object. Fluid friction depends on various factors, such as the speed of the object, the shape of the object, and the properties of the fluid itself (e.g., viscosity).

Factors Affecting Fluid Friction
  • Speed of the Object: The faster an object moves through a fluid, the greater the resistance or drag force. The drag force increases with the square of the velocity. If the object moves faster, the fluid particles are displaced more rapidly, leading to greater friction.
  • Surface Area of the Object: The larger the surface area of an object, the greater the frictional force. A larger area interacts with more fluid particles, increasing the drag.
  • Shape of the Object: The shape of the object affects how easily it moves through the fluid. Objects with streamlined shapes (like airplanes or fish) experience less fluid friction because they allow the fluid to flow smoothly around them, reducing turbulence and resistance.
  • Viscosity of the Fluid: Viscosity is the internal friction of a fluid, or its thickness. Fluids with high viscosity, like honey or syrup, cause more friction, whereas fluids with low viscosity, like water or air, cause less resistance.
  • Density of the Fluid: The denser the fluid, the more molecules there are to interact with the object. Therefore, denser fluids cause greater friction. For example, water has a higher density than air and thus causes more friction for an object moving through it.
Formula for Fluid Friction

The drag force acting on an object moving through a fluid is given by the formula:

$ F_d = \frac{1}{2} C_d \rho A v^2 $

  • Fd: Drag force (N)
  • Cd: Drag coefficient (dimensionless), which depends on the shape of the object
  • ρ: Density of the fluid (kg/m³)
  • A: Cross-sectional area of the object (m²)
  • v: Velocity of the object relative to the fluid (m/s)

The drag coefficient, $C_d$, is a dimensionless number that represents the resistance due to the shape of the object. For example, a smooth sphere has a lower drag coefficient than a rough one.

Applications of Fluid Friction
  • Aircraft Design: Engineers design airplanes with streamlined shapes to reduce drag and improve fuel efficiency. The smooth surfaces allow air to flow smoothly around the plane, minimizing resistance.
  • Watercraft: Boats and submarines are designed to reduce drag to move more efficiently through water. The hulls of ships are streamlined to reduce water resistance.
  • Sports: In sports like swimming and cycling, athletes wear specially designed clothing to reduce fluid friction. Swimmers wear streamlined suits, and cyclists use aerodynamic helmets and bikes to minimize drag.

In conclusion, fluid friction plays a significant role in the motion of objects through liquids and gases. Understanding and minimizing it is important in various fields such as transportation, engineering, and sports.


Jhbdel, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

9.6-Fluid Friction

द्रव घर्षण (Fluid Friction) उस घर्षण को कहा जाता है जो एक तरल (जैसे पानी या हवा) और किसी वस्तु के बीच उत्पन्न होता है, जब वह वस्तु उस तरल में गति करती है। द्रव घर्षण का अनुभव विशेष रूप से तब होता है जब कोई ठोस वस्तु किसी तरल के माध्यम से या उसके संपर्क में गति करती है। यह घर्षण ठोस घर्षण (Solid Friction) से भिन्न होता है, क्योंकि इसमें तरल के अणु और ठोस वस्तु के बीच आपसी प्रभाव होता है।

द्रव घर्षण का प्रभाव गति करने वाली वस्तु की गति और उस तरल के गुणधर्मों पर निर्भर करता है। इसका आकार और दिशा तरल की रचनात्मक विशेषताओं जैसे कि इसकी घनता, चिपचिपापन (viscosity) और बहाव की गति पर निर्भर करता है।

द्रव घर्षण के कारण

द्रव घर्षण के कारण मुख्य रूप से दो कारक होते हैं:

  1. ठोस और तरल के बीच आपसी घर्षण, जो तरल के अणुओं और ठोस वस्तु के अणुओं के बीच होता है।
  2. तरल के अणुओं के आपस में गति करने के कारण होने वाली आंतरिक घर्षण (Internal Friction)।
द्रव घर्षण का सूत्र

द्रव घर्षण को एक सामान्य समीकरण से व्यक्त किया जा सकता है:

$F_f = \eta A \frac{v}{d}$

यहां,

  • $F_f$ = द्रव घर्षण बल
  • $\eta$ = तरल की चिपचिपापन (viscosity)
  • $A$ = वस्तु का संपर्क क्षेत्रफल
  • $v$ = वस्तु की गति
  • $d$ = तरल की मोटाई (ध्यान रहे, मोटाई का मतलब तरल की गहराई होती है जिससे वस्तु गुजर रही होती है)
द्रव घर्षण के प्रकार

द्रव घर्षण मुख्यतः दो प्रकार का होता है:

  1. पारंपरिक घर्षण (Laminar Flow): यह तब होता है जब वस्तु की गति बहुत कम होती है और तरल के अणु एक निश्चित क्रम में बहते हैं। इस अवस्था में तरल की परतों के बीच की गति धीरे-धीरे होती है।
  2. अव्यवस्थित घर्षण (Turbulent Flow): यह तब होता है जब वस्तु की गति तेज होती है, और तरल के अणु अनियमित रूप से गति करते हैं। इसमें बहुत अधिक घर्षण उत्पन्न होता है और यह बहाव अस्थिर होता है।
द्रव घर्षण का प्रभाव

द्रव घर्षण का प्रभाव मुख्य रूप से वाहन या अन्य वस्तुओं की गति पर पड़ता है। उदाहरण के लिए, जब कोई मोटर वाहन हवा के माध्यम से यात्रा करता है, तो उसे हवा का घर्षण महसूस होता है, जिसे 'वायु प्रतिरोध' (Air Resistance) भी कहते हैं। इसी प्रकार, पानी में चलने वाली नाव पर पानी का घर्षण काम करता है।

तरल का घर्षण वस्तु की गति को कम कर सकता है, इसलिए द्रव घर्षण को कम करने के लिए कुछ उपाय किए जाते हैं, जैसे विमान के आकार को बदलना ताकि हवा के साथ कम घर्षण उत्पन्न हो।

द्रव घर्षण के प्रभाव को कम करने के उपाय

द्रव घर्षण को कम करने के लिए निम्नलिखित उपाय किए जा सकते हैं:

  • तरल के गुणधर्म (जैसे चिपचिपापन) को नियंत्रित करना।
  • वस्तु की सतह को चिकना बनाना ताकि घर्षण कम हो।
  • वस्तु के आकार को इस तरह से बदलना कि तरल का प्रवाह इसके चारों ओर कम अवरोध उत्पन्न करे।