Скорост на терминала и свободно падане

Терминалната скорост и свободното падане са две свързани понятия, които са склонни да се объркват, защото зависят от това дали тялото е в празно пространство или в течност (напр. атмосфера или дори вода). Обърнете внимание на определенията и уравненията на термините, как са свързани и колко бързо едно тяло пада при свободно падане или при крайна скорост при различни условия.

Терминалната скорост се определя като най-високата скорост, която може да бъде постигната от обект, който пада през течност, като въздух или вода. Когато се достигне крайната скорост, силата на тежестта надолу е равна на сумата на обекта плавателност и силата на влачене. Обект на скоростта на терминала има нулева нето ускорение.

Има две особено полезни уравнения за намиране на терминална скорост. Първият е за терминалната скорост без да се взема предвид плавателността:

V_T = (2mg / ρAC_д)^1/2

където:

• V_T е крайната скорост
• m е масата на обекта, който пада
instagram viewer
• g е ускорение поради гравитацията
• ° С_д е коефициентът на съпротивление
• ρ е плътността на течността, през която обектът пада
• А е площта на напречното сечение, проектирана от обекта

По-специално при течностите е важно да се отчита плавателността на обекта. Принцип на Архимед се използва за отчитане на изместването на обема (V) от масата. Тогава уравнението става:

V_T = [2 (m - ρV) g / ρAC_д]^1/2

Ежедневната употреба на термина "свободно падане" не е същата като научната дефиниция. При обичайна употреба се счита, че парашутистът е в свободно падане при постигане на скоростта на терминала без парашут. В действителност теглото на парашута се поддържа от въздушна възглавница.

Свободното падане се определя или според нютоновата (класическата) физика, или по отношение на обща относителност. В класическата механика свободното падане описва движението на тялото, когато единствената сила, действаща върху него, е гравитацията. Посоката на движението (нагоре, надолу и т.н.) е маловажна. Ако гравитационното поле е равномерно, то действа еднакво върху всички части на тялото, което го прави "безтегловност" или изпитва "0 g". Въпреки че може да изглежда странно, един предмет може да бъде в свободно падане, дори когато се движи нагоре или в горната част на движението си. Скачач, скачащ извън атмосферата (като HALO скок), почти постига истинска терминална скорост и свободно падане.

Като цяло, докато въздушното съпротивление е незначително по отношение на теглото на обекта, то може да постигне свободно падане. Примерите включват:

• Космически кораб в космоса без включена задвижваща система
• Предмет, хвърлен нагоре
• Предмет, пуснат от капка на капки или в тръба за изпускане
• Човек скача нагоре

За разлика от тях обекти не в свободното падане включват:

• Летяща птица
• Летящ самолет (защото крилата осигуряват повдигане)
• Използване на парашут (защото противодейства на гравитацията с влачене и в някои случаи може да осигури повдигане)
• Парашут, който не използва парашут (защото силата на влачене се равнява на теглото му при скоростта на клемата)

Като цяло относителността, свободното падане се определя като движението на тяло по геодезика, като гравитацията се описва като кривина на пространството и времето.

Ако предмет пада към повърхността на планетата и силата на гравитацията е много по-голяма от силата на въздуха съпротивление или иначе скоростта му е много по-малка от крайната скорост, вертикалната скорост на свободно падане може да бъде приблизително като:

V_T = gt + v₀

където:

• V_T е вертикалната скорост в метри в секунда
• V₀ е началната скорост (m / s)
• g е ускорението, дължащо се на гравитацията (около 9,81 m / s² близо до Земята)
• t е изминалото време (и)

Тъй като скоростта на терминала зависи от влаченето и напречното сечение на обекта, няма скорост на терминала. По принцип човек, падащ през въздуха на Земята, достига крайната скорост след около 12 секунди, която покрива около 450 метра или 1500 фута.

Парашут в положение корем-земя достига крайна скорост от около 195 км / ч (54 м / с или 121 мили / ч). Ако парашутът се дърпа в ръцете и краката, напречното му сечение се намалява, увеличавайки скоростта на терминала до около 320 км / ч (90 м / с или малко под 200 мили / ч). Това е приблизително същото като крайната скорост, постигната от гмуркане на сокол от пергрин за плячка или за падане на куршум, след като е бил спуснат или изстрелян нагоре. Световната рекордна скорост на терминала беше определена от Феликс Баумгартнер, който скочи от 39 000 метра и достигна терминална скорост от 134 км / ч (834 мили / ч).

• Хуанг, Джиан. „Скорост на парашутист (скорост на терминал)“. The Physics Factbook. Глен Елерт, гимназия в Мидууд, Бруклински колеж, 1999 г.
• Служба за риба и дива природа в САЩ "Всичко за сокола Peregrine. "20 декември 2007 г.
• Балистикът. „Куршуми в небето“. W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Хюстън, Тексас 77089, март 2001 г.