Razlika med končno hitrostjo in prostim padom

vuk8691 / Getty Images

Končna hitrost in prosti pad sta dva povezana pojma, ki povzročata zmedo, ker sta odvisna od tega, ali je telo v praznem prostoru ali v tekočini (npr. vzdušje ali celo vodo). Oglejte si definicije in enačbe izrazov, kako so povezani in kako hitro telo pade v prostem padu ali s končno hitrostjo pod različnimi pogoji.

Definicija končne hitrosti

Končna hitrost je definirana kot največja hitrost, ki jo lahko doseže predmet, ki pada skozi tekočino, kot sta zrak ali voda. Ko je dosežena končna hitrost, je gravitacijska sila navzdol enaka vsoti sile telesa plovnost in sila upora. Objekt pri končni hitrosti ima ničelni neto pospešek .

Enačba končne hitrosti

Obstajata dve posebej uporabni enačbi za iskanje končne hitrosti. Prvi je za končno hitrost brez upoštevanja vzgona:

IN_t= (2 mg/ρAC_d)^1/2

kje:

• IN_tje končna hitrost
• m je masa predmeta, ki pada
• g je pospešek zaradi gravitacije
• C_dje koeficient upora
• ρ je gostota tekočine, skozi katero pade predmet
• A je površina prečnega prereza, ki ga projicira predmet

Zlasti pri tekočinah je pomembno upoštevati vzgon predmeta. Arhimedov princip se uporablja za upoštevanje premika volumna (V) z maso. Enačba potem postane:

IN_t= [2(m - ρV)g/ρAC_d]^1/2

Definicija prostega pada

Vsakodnevna raba izraza 'prosti pad' ni enaka znanstveni definiciji. V splošni rabi se šteje, da je padalec v prostem padu, ko doseže končno hitrost brez padala. V resnici težo padalca podpira zračna blazina.

Prosti pad je opredeljen bodisi v skladu z newtonsko (klasično) fiziko bodisi v smislu splošna relativnost . V klasični mehaniki prosti pad opisuje gibanje telesa, ko je edina sila, ki deluje nanj, gravitacija. Smer gibanja (gor, dol itd.) ni pomembna. Če je gravitacijsko polje enakomerno, deluje enako na vse dele telesa, zaradi česar je 'breztežno' ali doživlja '0 g'. Čeprav se morda zdi nenavadno, je lahko predmet v prostem padu, tudi ko se premika navzgor ali na vrhu svojega gibanja. Padalec, ki skoči zunaj atmosfere (kot skok HALO), skoraj doseže pravo končno hitrost in prosti pad.

Na splošno lahko doseže prosti pad, dokler je zračni upor glede na težo predmeta zanemarljiv. Primeri vključujejo:

• Vesoljsko plovilo v vesolju brez vključenega pogonskega sistema
• Predmet, vržen navzgor
• Predmet, ki je padel iz padajočega stolpa ali v padajočo cev
• Oseba, ki skoči

V nasprotju s tem predmeti ne v prostem padu vključujejo:

• Leteča ptica
• Leteče letalo (ker krila zagotavljajo vzgon )
• Uporaba padala (ker nasprotuje gravitaciji z uporom in v nekaterih primerih lahko zagotovi vzgon)
• Padalec, ki ne uporablja padala (ker je sila upora enaka njegovi teži pri končni hitrosti)

V splošni teoriji relativnosti je prosti pad definiran kot gibanje telesa vzdolž geodetske črte, pri čemer je gravitacija opisana kot ukrivljenost prostora-časa.

Enačba prostega pada

Če predmet pada proti površini planeta in je sila gravitacije veliko večja od sile zračnega upora ali pa je njegova hitrost veliko manjša od končne hitrosti, se lahko navpična hitrost prostega pada približa kot:

v_t= gt + v₀

kje:

• v_tje navpična hitrost v metrih na sekundo
• v₀je začetna hitrost (m/s)
• g je gravitacijski pospešek (približno 9,81 m/s^dvablizu Zemlje)
• t je pretečeni čas (s)

Kako hitra je terminalna hitrost? Kako daleč padeš?

Ker je končna hitrost odvisna od upora in prečnega prereza predmeta, za končno hitrost ni ene same hitrosti. Na splošno oseba, ki pada skozi zrak na Zemlji, doseže končno hitrost po približno 12 sekundah, kar pokriva približno 450 metrov ali 1500 čevljev.

Padalec v položaju s trebuhom na zemljo doseže končno hitrost približno 195 km/h (54 m/s ali 121 mph). Če padalec potegne roke in noge, se njegov prečni prerez zmanjša, kar poveča končno hitrost na približno 320 km/h (90 m/s ali malo pod 200 mph). To je približno enako končni hitrosti, ki jo doseže sokol selec, ki skoči za plenom ali za kroglo, ki pade navzdol, potem ko je bila padla ali izstreljena navzgor. Svetovni rekord v končni hitrosti je postavil Felix Baumgartner, ki je skočil z 39.000 metrov in dosegel končno hitrost 1341 km/h (834 mph).

Reference in dodatno branje

• Huang, Jian. 'Hitrost padalca (končna hitrost)'. Knjiga dejstev o fiziki. Glenn Elert, Srednja šola Midwood, Brooklyn College, 1999.
• Ameriška služba za ribe in divje živali. ' Vse o sokolu selcu .' 20. december 2007.
• Balistik. 'Krogle na nebu'. W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Teksas 77089, marec 2001.