Hitrost terminala in prosti pad

Terminalna hitrost in prosti pad sta dva povezana koncepta, ki se navadno zmedeta, saj 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 povezane in kako hitro telo v različnih pogojih pade v prostem padu ali pri končni hitrosti.

Terminalna hitrost je opredeljena kot največja hitrost, ki jo lahko dosežemo predmet, ki pade skozi tekočino, kot sta zrak ali voda. Ko dosežemo končno hitrost, je sila teže navzdol enaka vsoti objekta plovnost in vlečna sila. Predmet na končni hitrosti ima nič neto pospešek.

Za iskanje končne hitrosti obstajata dve posebej uporabni enačbi. Prva je namenjena hitrosti terminala brez upoštevanja plovnosti:

V_t = (2mg / ρAC_d)^1/2

kje:

• V_t je končna hitrost
• m je masa predmeta, ki pada
• g je pospešek zaradi gravitacije
• C_d je koeficient povleka
• ρ je gostota tekočine, skozi katero objekt pade
• A je površina preseka, ki jo projicira objekt

Zlasti pri tekočinah je pomembno upoštevati plovnost predmeta. Arhimedov princip se uporablja za izračun premika prostornine (V) glede na maso. Enačba potem postane:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Vsakodnevna uporaba izraza "prosti pad" ni enaka znanstveni definiciji. Pri običajni uporabi velja, da je padalski pas padel, ko doseže končno hitrost brez padala. V resnici je teža padalca podprta z zračno blazino.

Prosti pad je opredeljen bodisi po newtonski (klasični) fiziki bodisi v smislu splošna relativnost. V klasični mehaniki prosti pad opisuje gibanje telesa, ko je edina sila, ki deluje na njega, gravitacija. Smer gibanja (gor, dol itd.) Je nepomembna. Če je gravitacijsko polje enakomerno, deluje enako na vse dele telesa, zaradi česar je "breztežno" ali doživlja "0 g". Čeprav se morda zdi čudno, je predmet lahko v prostem padu, tudi ko se premikate navzgor ali na vrhu gibanja. Skakalec iz zunanjega ozračja (kot HALO skok) skoraj doseže resnično hitrost in prosti pad.

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

• Vesoljsko plovilo v vesolju brez vklopljenega pogonskega sistema
• Predmet vržen navzgor
• Predmet, ki je padel s kapljice ali v kapljico
• Oseba, ki skače navzgor

V nasprotju s tem pa predmeti ne v prosti padec vključujejo:

• Leteča ptica
• Leteče letalo (ker krila omogočajo dvig)
• Uporaba padala (ker uravnoveša gravitacijo z vlečenjem in v nekaterih primerih lahko povzroči dvig)
• Padalski pas, ki ne uporablja padala (ker je sila vleka enaka njegovi teži pri terminalni hitrosti)

V splošni relativnosti je prosti padec opredeljen kot gibanje telesa po geodeziki, gravitacija pa je opisana kot ukrivljenost prostora in časa.

Če predmet pade proti površini planeta in je sila gravitacije veliko večja od sile zraka upor ali drugače je njegova hitrost veliko manjša od končne hitrosti, vertikalna je lahko hitrost prostega padca približno:

v_t = gt + v₀

kje:

• v_t je navpična hitrost v metrih na sekundo
• v₀ je začetna hitrost (m / s)
• g je pospešek zaradi gravitacije (približno 9,81 m / s² v bližini Zemlje)
• t so pretečeni časi

Ker je hitrost terminala odvisna od vleka in preseka predmeta, ni hitrosti enega terminala. Na splošno človek, ki pade skozi zrak na Zemlji, doseže končno hitrost po približno 12 sekundah, kar pokriva približno 450 metrov ali 1500 čevljev.

Padalski pas v položaju trebuh do zemlje doseže končno hitrost približno 195 km / h (54 m / s ali 121 mph). Če se padalca vleče v roke in noge, se njegov prerez zmanjša, poveča se terminalna hitrost na približno 320 km / h (90 m / s ali nekaj manj kot 200 mph). To je približno enako končni hitrosti, ki jo dosežemo s potapljanjem sokola peregrina za plen ali za kroglo, ki pade navzdol, potem ko je bila spustila ali izstreljena navzgor. Svetovno rekordno hitrost terminala je postavil Felix Baumgartner, ki je skočil z 39.000 metrov in dosegel končno hitrost 134 km / h (834 mph).

• Huang, Jian. "Hitrost padalca (hitrost terminala)". Fakulteta za fiziko. Glenn Elert, Srednja šola Midwood, Brooklyn College, 1999.
• Ameriška služba za ribe in prostoživeče živali. "Vse o sokolu peregrina. "20. december 2007.
• Balističar. "Metke na nebu". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Teksas 77089, marec 2001.