Rozdiel medzi konečnou rýchlosťou a voľným pádom

vuk8691 / Getty Images

Konečná rýchlosť a voľný pád sú dva súvisiace pojmy, ktoré majú tendenciu byť mätúce, pretože závisia od toho, či je teleso v prázdnom priestore alebo v tekutine (napr. atmosféru alebo dokonca voda). Pozrite sa na definície a rovnice pojmov, ako spolu súvisia a ako rýchlo teleso padá voľným pádom alebo konečnou rýchlosťou za rôznych podmienok.

Definícia koncovej rýchlosti

Koncová rýchlosť je definovaná ako najvyššia rýchlosť, ktorú môže dosiahnuť objekt, ktorý padá cez tekutinu, ako je vzduch alebo voda. Keď sa dosiahne konečná rýchlosť, gravitačná sila smerom nadol sa rovná súčtu síl objektu vztlak a ťahová sila. Objekt pri konečnej rýchlosti má nulovú sieť zrýchlenie .

Terminálna rovnica rýchlosti

Na nájdenie konečnej rýchlosti existujú dve obzvlášť užitočné rovnice. Prvý je pre konečnú rýchlosť bez zohľadnenia vztlaku:

V_t= (2 mg/ρAC_d)^1/2

kde:

• V_tje koncová rýchlosť
• m je hmotnosť padajúceho predmetu
• g je zrýchlenie v dôsledku gravitácie
• C_dje koeficient odporu vzduchu
• ρ je hustota tekutiny, cez ktorú predmet padá
• A je prierezová plocha premietnutá objektom

Najmä v kvapalinách je dôležité vziať do úvahy vztlak predmetu. Archimedov princíp sa používa na výpočet posunutia objemu (V) hmotnosťou. Rovnica potom znie:

V_t= [2(m - ρV)g/ρAC_d]^1/2

Definícia voľného pádu

Každodenné používanie termínu „voľný pád“ nie je to isté ako vedecká definícia. V bežnom zvyku sa parašutista považuje za padajúceho pri dosiahnutí konečnej rýchlosti bez padáka. V skutočnosti je hmotnosť parašutistu podporovaná vzduchovým vankúšom.

Voľný pád je definovaný buď podľa newtonovskej (klasickej) fyziky alebo z hľadiska všeobecná relativita . V klasickej mechanike voľný pád opisuje pohyb telesa, keď jedinou silou, ktorá naň pôsobí, je gravitácia. Smer pohybu (hore, dole atď.) nie je dôležitý. Ak je gravitačné pole rovnomerné, pôsobí rovnako na všetky časti tela, takže je „beztiažové“ alebo „0 g“. Hoci sa to môže zdať zvláštne, objekt môže byť vo voľnom páde, aj keď sa pohybuje nahor alebo na vrchole svojho pohybu. Parašutista skákajúci mimo atmosféry (ako HALO skok) takmer dosiahne skutočnú konečnú rýchlosť a voľný pád.

Vo všeobecnosti, pokiaľ je odpor vzduchu vzhľadom na hmotnosť objektu zanedbateľný, môže dosiahnuť voľný pád. Príklady:

• Kozmická loď vo vesmíre bez zapnutého pohonného systému
• Predmet vymrštený nahor
• Predmet spadnutý z padacej veže alebo do padacej trubice
• Osoba, ktorá vyskočila

Naproti tomu predmety nie vo voľnom páde zahŕňajú:

• Lietajúci vták
• Lietajúce lietadlo (pretože krídla poskytujú zdvih )
• Použitie padáka (pretože odporuje gravitácii odporom a v niektorých prípadoch môže poskytnúť vztlak)
• Parašutista, ktorý nepoužíva padák (pretože odporová sila sa rovná jeho hmotnosti pri konečnej rýchlosti)

Vo všeobecnej teórii relativity je voľný pád definovaný ako pohyb telesa pozdĺž geodézy, pričom gravitácia je opísaná ako zakrivenie časopriestoru.

Rovnica voľného pádu

Ak objekt padá smerom k povrchu planéty a gravitačná sila je oveľa väčšia ako sila odporu vzduchu alebo je jeho rýchlosť oveľa menšia ako konečná rýchlosť, vertikálna rýchlosť voľného pádu môže byť aproximovaná ako:

v_t= gt + v₀

kde:

• v_tje vertikálna rýchlosť v metroch za sekundu
• v₀je počiatočná rýchlosť (m/s)
• g je gravitačné zrýchlenie (asi 9,81 m/s^dvablízko Zeme)
• t je uplynutý čas (s)

Aká rýchla je rýchlosť terminálu? Ako ďaleko padáš?

Pretože koncová rýchlosť závisí od ťahania a prierezu objektu, neexistuje jedna rýchlosť pre koncovú rýchlosť. Vo všeobecnosti osoba padajúca vzduchom na Zemi dosiahne konečnú rýchlosť asi po 12 sekundách, čo predstavuje asi 450 metrov alebo 1500 stôp.

Parašutista v polohe od brucha k zemi dosiahne konečnú rýchlosť približne 195 km/h (54 m/s alebo 121 mph). Ak parašutista zatiahne ruky a nohy, jeho prierez sa zmenší, čím sa konečná rýchlosť zvýši na približne 320 km/h (90 m/s alebo tesne pod 200 mph). To je približne rovnaká ako konečná rýchlosť dosiahnutá sokolom sťahovavým potápajúcim sa za korisťou alebo za guľkou, ktorá spadne po páde alebo vystrelení nahor. Svetový rekord v konečnej rýchlosti stanovil Felix Baumgartner, ktorý skočil z 39 000 metrov a dosiahol konečnú rýchlosť 1 341 km/h (834 mph).

Referencie a ďalšie čítanie

• Huang, Jian. „Rýchlosť parašutistu (koncová rýchlosť)“. The Physics Factbook. Glenn Elert, stredná škola Midwood, Brooklyn College, 1999.
• US Fish and Wildlife Service. ' Všetko o sokolovi sťahovavom .' 20. december 2007.
• Balistik. „Guľky na oblohe“. W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, marec 2001.