Terminál sebesség és szabad esés

A végállás sebessége és a szabad esés két egymással összefüggő fogalom, amelyek általában zavarossá válnak, mivel attól függnek, hogy a test üres helyben vagy folyadékban van-e (pl. légkör vagy akár vizet is). Vessen egy pillantást a fogalommeghatározásokra és egyenleteire, hogyan kapcsolódnak egymáshoz, és hogy egy test milyen gyorsan esik szabadon eséskor vagy terminális sebességgel különböző körülmények között.

A végsebesség azt a legnagyobb sebességet jelenti, amelyet egy olyan tárgy elérhet, amely folyadékon, például levegőn vagy vízen esik át. A végső sebesség elérésekor a lefelé mutató gravitációs erő megegyezik a tárgy összegével felhajtóerő és a húzóerőt. A terminál sebességgel rendelkező objektum nettó nulla gyorsulás.

Két különös egyenlet létezik a terminális sebesség meghatározására. Az első a végsebességre vonatkozik a felhajtóerő figyelembevétele nélkül:

V_t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

hol:

• V_t a végsebesség
• m az eső tárgy tömege
instagram viewer
• g van A gravitációs gyorsulás
• C_d a húzási együttható
• ρ annak a folyadéknak a sűrűsége, amelyen keresztül az objektum esik
• A az objektum által kivetített keresztmetszeti terület

Különösen folyadékoknál fontos figyelembe venni a tárgy felhajtóképességét. Az Archimédia elve a térfogat (V) tömeg szerinti elmozdulásának a figyelembe vételére szolgál. Az egyenlet ekkor:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

A "szabad esés" kifejezés mindennapi használata nem azonos a tudományos meghatározással. Általános használat esetén az ejtőernyős szabadon esőnek tekinthető, amikor ejtőernyő nélkül végsebességet ér el. Valójában a ejtőernyős súlyát egy légpárnával támogatják.

A szabad esést vagy a newtoni (klasszikus) fizika, vagy a általános relativitáselmélet. A klasszikus mechanikában a szabad esés egy test mozgását írja le, amikor az rá ható egyetlen erő a gravitáció. A mozgás iránya (fel, le, stb.) Nem fontos. Ha a gravitációs térerősség egyenletes, akkor a test minden részén egyenlően hat, így "súlytalan" vagy "0 g". Bár furcsának tűnhet, egy tárgy szabadon eshet még akkor is, ha felfelé vagy a mozgás tetején mozog. A légköri kívülről ugró ejtőernyő (mint például a HALO ugrás) majdnem eléri a valódi végsebességet és a szabad esést.

Általában, amíg a levegőellenállás elhanyagolható egy tárgy súlyához viszonyítva, szabadon eshet. Példák:

• Űrhajó az űrben, hajtómű-rendszer nélkül
• Egy felfelé dobott tárgy
• Egy tárgy leesett egy toronyból vagy egy cseppcsőbe
• Egy ember felugrott

Ezzel szemben tárgyak nem szabad esésbe beletartozik:

• Repülő madár
• Repülő repülőgép (mert a A szárnyak emelést biztosítanak)
• Ejtőernyő használata (mivel ellensúlyozza a gravitációt, és bizonyos esetekben emelőt biztosíthat)
• Egy ejtőernyő, amely nem használ ejtőernyőt (mert a húzóerő megegyezik a súlyával a végső sebességnél)

Az általános relativitáselméletben a szabad esést a test geodéziai mentén történő mozgásaként definiáljuk, amelynek gravitációját tér-idő görbületnek nevezzük.

Ha egy tárgy egy bolygó felülete felé esik, és a gravitációs erő sokkal nagyobb, mint a levegő ellenállás, vagy ha a sebessége sokkal kisebb, mint a végsebesség, a szabad esés függőleges sebessége lehet hozzávetőlegesen:

v_t = gt + v₀

hol:

• v_t a függőleges sebesség méterben másodpercenként
• v₀ a kezdeti sebesség (m / s)
• g a gravitáció által okozott gyorsulás (körülbelül 9,81 m / s² a Föld közelében)
• t az eltelt idő (k)

Mivel a terminál sebessége függ a húzástól és az objektum keresztmetszetétől, a terminál sebességének egyetlen sebessége nincs. Általában véve, egy ember, aki a Föld levegőjén esik keresztül, körülbelül 12 másodperc után eléri a végsebességet, amely körülbelül 450 métert vagy 1500 lábot fed le.

Egy ejtőernyős a hasától a földig tartó helyzetben körülbelül 195 km / h (54 m / s vagy 121 mph) végsebességet ér el. Ha az ejtőernyő behúzza a karját és a lábát, akkor keresztmetszete csökken, és a végsebességet kb. 320 km / h-ra (90 m / s vagy kissé kevesebb mint 200 mph) növeli. Ez nagyjából megegyezik a végsebességgel, amelyet egy áldozatú sólyom áldozatul merít, vagy egy golyó zuhanása után, amikor leesett, vagy felfelé lőtt. A világrekord terminál sebességét Felix Baumgartner állította be, aki 39 000 méterről ugrott fel és 134 km / h (834 mph) végsebességet ért el.

• Huang, Jian. "Skydiver sebessége (terminál sebessége)". A fizika ténykönyve. Glenn Elert, Midwood Középiskola, Brooklyn Főiskola, 1999.
• USA Hal- és vadvilágszolgálat. "Minden, ami a sólyomról szól. "2007. december 20.
• A ballisztikus. Msgstr "Golyók az égen". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, 2001. március.