Skirtumas tarp terminalo greičio ir laisvo kritimo

vuk8691 / Getty Images

Galutinis greitis ir laisvasis kritimas yra dvi susijusios sąvokos, kurios gali būti painiojamos, nes jos priklauso nuo to, ar kūnas yra tuščioje erdvėje, ar skystyje (pvz., atmosfera ar net vandens). Pažvelkite į terminų apibrėžimus ir lygtis, kaip jie yra susiję ir kaip greitai kūnas krenta laisvo kritimo metu arba galutiniu greičiu skirtingomis sąlygomis.

Terminalo greičio apibrėžimas

Galinis greitis apibrėžiamas kaip didžiausias greitis, kurį gali pasiekti objektas, krintantis per skystį, pvz., orą ar vandenį. Kai pasiekiamas galutinis greitis, gravitacijos jėga žemyn yra lygi objekto sumai plūdrumas ir tempimo jėga. Objektas, kurio greitis yra galutinis, turi nulį pagreitis .

Terminalo greičio lygtis

Yra dvi ypač naudingos lygtys galutiniam greičiui nustatyti. Pirmasis skirtas galutiniam greičiui, neatsižvelgiant į plūdrumą:

IN_t= (2mg/ρAC_d)^1/2

kur:

• IN_tyra galinis greitis
• m – krintančio objekto masė
• g yra pagreitis dėl gravitacijos
• C_dyra pasipriešinimo koeficientas
• ρ yra skysčio, per kurį krinta objektas, tankis
• A yra objekto projektuojamas skerspjūvio plotas

Ypač skysčiuose svarbu atsižvelgti į objekto plūdrumą. Archimedo principas naudojamas tūrio (V) poslinkiui pagal masę atsižvelgti. Tada lygtis tampa tokia:

IN_t= [2(m - ρV)g/ρAC_d]^1/2

Laisvo rudens apibrėžimas

Kasdienis termino „laisvas kritimas“ vartojimas nėra tas pats, kas mokslinis apibrėžimas. Įprastai kalbant, parašiutininkas laikomas laisvu kritimu, kai pasiekia galutinį greitį be parašiuto. Tiesą sakant, parašiutininko svorį palaiko oro pagalvė.

Laisvas kritimas apibrėžiamas arba pagal Niutono (klasikinę) fiziką, arba pagal bendrasis reliatyvumas . Klasikinėje mechanikoje laisvas kritimas apibūdina kūno judėjimą, kai vienintelė jį veikianti jėga yra gravitacija. Judėjimo kryptis (aukštyn, žemyn ir kt.) nesvarbi. Jei gravitacinis laukas yra vienodas, jis vienodai veikia visas kūno dalis, todėl jis tampa „nesvarus“ arba patiria „0 g“. Nors tai gali atrodyti keista, objektas gali laisvai kristi net tada, kai juda aukštyn arba judesio viršuje. Šokinėjantis parašiutininkas iš už atmosferos ribų (kaip HALO šuolis) beveik pasiekia tikrąjį greitį ir laisvą kritimą.

Apskritai, kol oro pasipriešinimas yra nereikšmingas, palyginti su objekto svoriu, jis gali pasiekti laisvą kritimą. Pavyzdžiai:

• Erdvėlaivis kosmose be įjungtos varomosios sistemos
• Į viršų išmestas objektas
• Objektas, numestas iš kritimo bokšto arba į lašo vamzdelį
• Žmogus šokinėja

Priešingai, objektai ne laisvojo kritimo metu yra:

• Skraidantis paukštis
• Skraidantis orlaivis (nes sparnai suteikia pakėlimą )
• Naudoti parašiutą (nes jis atsveria gravitaciją ir kai kuriais atvejais gali padidinti pakėlimą)
• Šuolis parašiutu nenaudojantis parašiuto (nes tempimo jėga lygi jo svoriui esant galutiniam greičiui)

Bendrojoje reliatyvumo teorijoje laisvasis kritimas apibrėžiamas kaip kūno judėjimas išilgai geodezijos, o gravitacija apibūdinama kaip erdvės ir laiko kreivumas.

Laisvo kritimo lygtis

Jei objektas krinta į planetos paviršių, o gravitacijos jėga yra daug didesnė už oro pasipriešinimo jėgą arba jo greitis yra daug mažesnis už galutinį greitį, vertikalusis laisvojo kritimo greitis gali būti apytikslis:

in_t= gt + v₀

kur:

• in_tyra vertikalus greitis metrais per sekundę
• in₀yra pradinis greitis (m/s)
• g yra pagreitis dėl gravitacijos (apie 9,81 m/s^dunetoli Žemės)
• t yra praėjęs laikas (-ai)

Koks greitas yra terminalo greitis? Kaip toli krentate?

Kadangi galinis greitis priklauso nuo pasipriešinimo ir objekto skerspjūvio, galutiniam greičiui nėra vieno greičio. Paprastai žmogus, krentantis oru Žemėje, pasiekia galutinį greitį maždaug po 12 sekundžių, kuris apima apie 450 metrų arba 1500 pėdų.

Skyrius su parašiutu padėtyje „pilvas į žemę“ pasiekia galutinį maždaug 195 km/h (54 m/s arba 121 mph) greitį. Jei parašiutininkas traukia rankas ir kojas, jo skerspjūvis sumažėja, o galutinis greitis padidėja iki maždaug 320 km/h (90 m/s arba šiek tiek mažiau nei 200 mylių per valandą). Tai yra maždaug toks pat, kaip galutinis greitis, pasiekiamas, kai sakalas nardo siekdamas grobio arba kulkos, nukritusios žemyn po to, kai buvo numestas arba paleistas aukštyn. Pasaulio rekordinį greitį užfiksavo Feliksas Baumgartneris, nušokęs nuo 39 000 metrų ir pasiekęs 1 341 km/h (834 mylių per valandą) greitį.

Literatūra ir tolesnis skaitymas

• Huangas, Jianas. „Parastininko greitis (terminalo greitis)“. Fizikos faktų knyga. Glennas Elertas, Midvudo vidurinė mokykla, Bruklino koledžas, 1999 m.
• JAV žuvų ir laukinės gamtos tarnyba. “ Viskas apie Peregrine Falcon .' 2007 m. gruodžio 20 d.
• Ballistikas. „Kulkos danguje“. W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Hiustonas, Teksasas 77089, 2001 m. kovas.