Разница между предельной скоростью и свободным падением

Др.Хельменстин имеет докторскую степень. в области биомедицинских наук и является научным писателем, педагогом и консультантом. Она преподавала научные курсы в средней школе, колледже и аспирантуре.

Конечная скорость и свободное падение — два взаимосвязанных понятия, которые часто сбивают с толку, потому что они зависят от того, находится ли тело в пустом пространстве или в жидкости (например, в атмосфере или даже в воде). Взгляните на определения и уравнения терминов, как они связаны и как быстро тело падает при свободном падении или с предельной скоростью при различных условиях.

Определение конечной скорости

Конечная скорость определяется как максимальная скорость, которой может достичь объект, падающий через жидкость, такую ​​как воздух или вода. Когда достигается предельная скорость, направленная вниз сила тяжести равна сумме плавучести объекта и силы сопротивления. Объект с конечной скоростью имеет нулевое суммарное ускорение.

Уравнение конечной скорости

Есть два особенно полезных уравнения для определения конечной скорости. Первый для конечной скорости без учета плавучести:

• В_т конечная скорость
• m — масса объекта, который падает
• g ускорение свободного падения
• С_д коэффициент лобового сопротивления
• ρ — плотность жидкости, через которую падает объект
• A — площадь поперечного сечения, проецируемого объектом

В частности, в жидкостях важно учитывать плавучесть объекта. Принцип Архимеда используется для учета смещения объема (V) массой. Уравнение тогда становится:

Определение свободного падения

Повседневное использование термина «свободное падение» не совпадает с научным определением. Обычно считается, что парашютист находится в свободном падении после достижения предельной скорости без парашюта. На самом деле вес парашютиста поддерживается воздушной подушкой.

Свободное падение определяется либо в соответствии с ньютоновской (классической) физикой, либо с точки зрения общей теории относительности.В классической механике свободное падение описывает движение тела, когда на него действует только сила тяжести. Направление движения (вверх, вниз и т.д.) не имеет значения. Если гравитационное поле однородно, оно действует одинаково на все части тела, делая его «невесомым» или испытывающим «0 g». Хотя это может показаться странным, объект может находиться в свободном падении даже при движении вверх или в верхней точке своего движения. Парашютист, прыгающий из-за пределов атмосферы (например, прыжок HALO), почти достигает истинной предельной скорости и свободного падения.

В общем, пока сопротивление воздуха незначительно по отношению к весу объекта, он может достичь свободного падения. Примеры включают:

• Космический корабль в космосе без задействованной двигательной установки
• Подброшенный вверх предмет
• Предмет, упавший с башни или в трубу для сброса
• Человек вскакивает

Напротив, объекты нет в свободном падении включают:

• Летящая птица
• Летающий самолет (потому что крылья обеспечивают подъемную силу)
• Использование парашюта (поскольку он противодействует силе тяжести за счет сопротивления и в некоторых случаях может обеспечивать подъемную силу)
• Парашютист, не использующий парашют (поскольку сила сопротивления равна его весу при предельной скорости).

В общей теории относительности свободное падение определяется как движение тела по геодезической, а гравитация описывается как искривление пространства-времени.

Уравнение свободного падения

Если объект падает на поверхность планеты и сила тяжести намного больше, чем сила сопротивления воздуха, или его скорость намного меньше конечной скорости, вертикальная скорость свободного падения может быть аппроксимирована как:

• в_т вертикальная скорость в метрах в секунду
• в начальная скорость (м/с)
• g — ускорение свободного падения (около 9,81 м/с 2 вблизи Земли)
• t — прошедшее время (с)

Насколько велика конечная скорость? Как далеко ты падаешь?

Поскольку конечная скорость зависит от сопротивления и поперечного сечения объекта, для конечной скорости не существует единой скорости.В общем, человек, падающий по воздуху на Земле, достигает предельной скорости примерно через 12 секунд, что соответствует примерно 450 метрам или 1500 футам.

Парашютист в положении животом к земле достигает конечной скорости около 195 км/ч (54 м/с или 121 миль в час). Если парашютист подтягивает руки и ноги, его поперечное сечение уменьшается, увеличивая конечную скорость примерно до 320 км/ч (90 м/с или чуть менее 200 миль в час). Это примерно то же самое, что конечная скорость, достигаемая сапсаном, ныряющим за добычей, или пулей, падающей вниз после того, как она была сброшена или выпущена вверх. Мировой рекорд предельной скорости был установлен Феликсом Баумгартнером, который прыгнул с высоты 39 000 метров и достиг конечной скорости 1341 км/ч (834 мили в час).