Rýchlosť terminálu a voľný pád

Terminálna rýchlosť a voľný pád sú dva súvisiace pojmy, ktoré majú tendenciu byť mätúce, pretože závisia od toho, či je telo v prázdnom priestore alebo v tekutine (napr. atmosféra alebo dokonca vodu). Zoznámte sa s definíciami a rovnicami pojmov, ako s nimi súvisia a ako rýchlo telo padne pri voľnom páde alebo pri konečnej rýchlosti za rôznych podmienok.

Terminálna rýchlosť je definovaná ako najvyššia rýchlosť, ktorú je možné dosiahnuť pomocou objektu, ktorý padá tekutinou, napríklad vzduchom alebo vodou. Keď sa dosiahne terminálna rýchlosť, gravitačná sila smerom nadol sa rovná súčtu hodnôt objektu vztlak a ťahovú silu. Objekt pri rýchlosti terminálu má nulovú sieť akcelerácia.

Existujú dve zvlášť užitočné rovnice na zistenie terminálnej rýchlosti. Prvým je rýchlosť terminálu bez zohľadnenia vztlaku:

V_T = (2 mg / ρAC_d)^1/2

kde:

• V_T je koncová rýchlosť
• m je hmotnosť padajúceho objektu
• g je zrýchlenie spôsobené gravitáciou
• C_d je koeficient odporu
• ρ je hustota tekutiny, ktorou objekt padá
• A je plocha prierezu premietaná objektom

Najmä v tekutinách je dôležité zohľadniť vztlak objektu. Archimedov princíp sa používa na započítanie posunu objemu (V) hmotnosťou. Rovnica sa potom stáva:

V_T = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Každodenné používanie pojmu „voľný pád“ nie je to isté ako vedecké vymedzenie pojmu. Pri bežnom použití je parašutista považovaný za voľného pádu po dosiahnutí koncovej 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 popisuje voľný pád pohyb tela, keď naň pôsobí iba gravitácia. Smer pohybu (hore, dole, atď.) Nie je dôležitý. Ak je gravitačné pole rovnomerné, pôsobí rovnako na všetky časti tela, robí ho „beztiažovým“ alebo zažívajúcim „0 g“. Aj keď sa to môže zdať divné, objekt môže voľne padať, aj keď sa pohybuje nahor alebo hore. Parašutista, ktorý skočil z vonkajšej strany atmosféry (napríklad skok HALO), takmer dosiahol skutočnú terminálnu rýchlosť a voľný pád.

Všeobecne platí, že pokiaľ je odpor vzduchu vzhľadom na hmotnosť objektu zanedbateľný, môže dosiahnuť voľný pád. Príklady zahŕňajú:

• Kozmická loď vo vesmíre bez zapojeného pohonného systému
• Objekt hodený nahor
• Objekt spadnutý z kvapky veže alebo do kvapkovej trubice
• Osoba vyskočila

Naopak objekty nie vo voľnom páde patria:

• Lietajúci vták
• Lietajúce lietadlo (pretože krídla poskytujú výťah)
• Použitie padáka (pretože čelí gravitácii ťahaním a v niektorých prípadoch môže zaistiť zdvih)
• Parašutista, ktorý nepoužíva padák (pretože sila ťahania sa rovná jeho hmotnosti pri koncovej rýchlosti)

Vo všeobecnosti je relativita voľný pád definovaný ako pohyb tela pozdĺž geodézie s gravitáciou opísanou ako časopriestorové zakrivenie.

Ak predmet padá na povrch planéty a gravitačná sila je oveľa väčšia ako sila vzduchu odpor alebo inak jeho rýchlosť je oveľa menšia ako koncová rýchlosť, vertikálna rýchlosť voľného pádu môže byť približne ako:

proti_T = gt + v₀

kde:

• proti_T je vertikálna rýchlosť v metroch za sekundu
• proti₀ je počiatočná rýchlosť (m / s)
• g je zrýchlenie spôsobené gravitáciou (asi 9,81 m / s² blízko Zeme)
• t je uplynutý čas (časy)

Pretože rýchlosť terminálu závisí od odporu a prierezu objektu, pre rýchlosť terminálu neexistuje žiadna rýchlosť. Všeobecne platí, že osoba, ktorá padá vzduchom na Zemi, dosiahne konečnú rýchlosť asi po 12 sekundách, čo predstavuje asi 450 metrov alebo 1500 stôp.

Parašutista v polohe brucho - zem dosiahne koncovú rýchlosť asi 195 km / h (54 m / s alebo 121 mph). Ak parašutista zatiahne svoje ruky a nohy, jeho prierez sa zníži, čím sa zvýši rýchlosť terminálu na približne 320 km / h (90 m / s alebo tesne pod 200 mph). Toto je približne to isté ako konečná rýchlosť dosiahnutá potápaním sokola sťahovavého pre korisť alebo pre guľku, ktorá padá po páde alebo vystrelení nahor. Rýchlosť terminálu svetového rekordu stanovil Felix Baumgartner, ktorý skočil z 39 000 metrov a dosiahol terminálnu rýchlosť 134 km / h (834 mph).

• Huang, Jian. Msgstr "Rýchlosť parašutistu (rýchlosť terminálu)". The Factics Factbook. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
• US Fish and Wildlife Service. "Všetko o sokole sťahovavom"20. decembra 2007.
• Balistický. "Guľky na oblohe". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, marec 2001.