Brzina terminala i slobodni pad

Terminalna brzina i slobodni pad dva su povezana pojma koja obično postaju zbunjujuća jer ovise o tome nalazi li se tijelo u praznom prostoru ili u tekućini (npr. atmosfera ili čak vode). Pogledajte definicije i jednadžbe pojmova, kako su povezane i koliko brzo tijelo pada u slobodnom padu ili pri krajnjoj brzini u različitim uvjetima.

Terminalna brzina definirana je kao najveća brzina koju može postići objekt koji prolazi kroz fluid, poput zraka ili vode. Kada se postigne krajnja brzina, sila sila sila dolje jednaka je zbroju objekta plovnost i vučna sila. Objekt na krajnjoj brzini ima nulu neto ubrzanje.

Postoje dvije korisne jednadžbe za pronalaženje terminalne brzine. Prvi je za krajnju brzinu bez uzimanja u obzir uzgona:

V_t = (2mg / ρAC_d)^1/2

gdje:

• V_t je terminalna brzina
• m je masa predmeta koji pada
• g je ubrzanje zbog gravitacije
• C_d koeficijent povrata
• ρ je gustoća tekućine kroz koju objekt propada
• A je površina poprečnog presjeka koju projicira objekt

Osobito kod tekućina važno je voditi računa o plovnosti predmeta. Arhimedov princip koristi se za računanje pomaka volumena (V) prema masi. Jednadžba tada postaje:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Svakodnevna upotreba izraza "slobodni pad" nije isto što i znanstvena definicija. U uobičajenoj upotrebi, smatra se da je padobran u slobodnom padu nakon postizanja terminalne brzine bez padobrana. Zapravo, težina letjela padobrana potpomaže zračnim jastukom.

Slobodni pad definiran je ili u skladu s Newtonovom (klasičnom) fizikom ili s izrazom opća relativnost. U klasičnoj mehanici slobodni pad opisuje gibanje tijela kad je jedina sila koja djeluje na njega gravitacija. Smjer kretanja (gore, dolje itd.) Nije bitan. Ako je gravitacijsko polje ujednačeno, djeluje jednako na sve dijelove tijela, čineći ga "bez težine" ili doživljavajući "0 g". Iako se može činiti čudnim, predmet može biti u slobodnom padu čak i kada se kreće prema gore ili na vrhu kretanja. Jedrilica koja skače izvan atmosfere (poput HALO skoka) gotovo postiže pravu terminalnu brzinu i slobodni pad.

Općenito, sve dok je otpor zraka zanemariv s obzirom na težinu predmeta, može postići slobodni pad. Primjeri uključuju:

• Svemirska letjelica u svemiru bez pogonskog sustava
• Predmet bačen prema gore
• Predmet koji se srušio s kapiju ili u cijev za ispust
• Osoba koja skače gore

Suprotno tome, predmeti ne u slobodni pad uključuju:

• Leteća ptica
• Leteći zrakoplov (zato što krila pružaju dizanje)
• Korišćenjem padobrana (zato što vuče gravitaciju povlačenjem i u nekim slučajevima može dovesti do podizanja)
• Jedrilica koja ne koristi padobran (jer je sila vučenja jednaka njegovoj težini u terminalnoj brzini)

Općenito relativnost, slobodni pad definira se kao kretanje tijela duž geodezike, a gravitacija je opisana kao zakrivljenost prostora i vremena.

Ako neki objekt padne na površinu planeta i sila gravitacije je mnogo veća od sile zraka Otpor ili je njegova brzina mnogo manja od terminalne brzine, vertikalna brzina slobodnog pada može biti otprilike kao:

v_t = gt + v₀

gdje:

• v_t je vertikalna brzina u metrima u sekundi
• v₀ je početna brzina (m / s)
• g je ubrzanje zbog gravitacije (oko 9,81 m / s² u blizini Zemlje)
• t je proteklo vrijeme

Budući da terminalna brzina ovisi o povlačenju i presjeku objekta, ne postoji niti jedna brzina za terminalnu brzinu. Općenito, osoba koja pada zrakom na Zemlju dostiže terminalnu brzinu nakon otprilike 12 sekundi, što pokriva oko 450 metara ili 1500 stopa.

Jedrilica u položaju trbuh-zemlja doseže krajnju brzinu od oko 195 km / h (54 m / s ili 121 mph). Ako se klizač povuče u ruke i noge, njegov se presjek smanjuje, povećavajući terminalnu brzinu na oko 320 km / h (90 m / s ili nešto manje od 200 mph). To je otprilike isto koliko i krajnja brzina postignuta ronjenjem sokolova peregrina za plijen ili za metak koji pada nakon što je bačen ili ispaljen prema gore. Brzinu svjetskog rekorda terminala postavio je Felix Baumgartner, koji je skočio s 39 000 metara i dostigao terminalnu brzinu od 134 km / h (834 mph).

• Huang, Jian. "Brzina padobrana (brzina terminala)". Časopis za fiziku. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
• Američka služba za ribe i divlje životinje. "Sve o peregrinskom sokolu. "20. prosinca 2007.
• Balističar. "Meci na nebu". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, ožujak 2001.