Termināļa ātrums un brīvs kritiens

Termināla ātrums un brīvais kritiens ir divi saistīti jēdzieni, kuriem ir tendence sajaukt, jo tie ir atkarīgi no tā, vai ķermenis atrodas tukšā vietā vai šķidrumā (piemēram, atmosfēra vai pat ūdens). Apskatiet terminu definīcijas un vienādojumus, kā tie ir savstarpēji saistīti un cik ātri ķermenis nokrīt brīvā kritienā vai pie termināla ātruma dažādos apstākļos.

Termināla ātrumu definē kā lielāko ātrumu, ko var sasniegt ar priekšmetu, kas krīt caur šķidrumu, piemēram, gaisu vai ūdeni. Kad tiek sasniegts gala ātrums, gravitācijas spēks uz leju ir vienāds ar objekta summu peldspēja un vilkšanas spēks. Objektam ar termināla ātrumu ir nulle neto paātrinājums.

Termināļa ātruma noteikšanai ir divi īpaši noderīgi vienādojumi. Pirmais ir termināla ātrums, neņemot vērā peldspēju:

V_t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

kur:

• V_t ir termināla ātrums
• m ir krītošā objekta masa
• g ir paātrinājums gravitācijas dēļ
• C_d ir vilkšanas koeficients
• ρ ir šķidruma blīvums, caur kuru objekts nokrīt
• A ir objekta projicētais šķērsgriezuma laukums

Īpaši šķidrumos ir svarīgi ņemt vērā objekta peldspēju. Arhimēda princips izmanto, lai uzskaitītu tilpuma (V) pārvietojumu pēc masas. Tad vienādojums kļūst:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Termina “brīvais kritiens” ikdienas lietošana nav tā pati kā zinātniskā definīcija. Parasti tiek uzskatīts, ka skydiver atrodas brīvā kritienā, sasniedzot termināla ātrumu bez izpletņa. Īstenībā debesskrāpja svaru atbalsta gaisa spilvens.

Brīvo kritienu nosaka pēc Ņūtona (klasiskās) fizikas vai pēc vispārējā relativitāte. Klasiskajā mehānikā brīvais kritiens apraksta ķermeņa kustību, kad vienīgais spēks, kas uz to iedarbojas, ir gravitācija. Kustības virziens (augšup, lejup utt.) Nav mazsvarīgs. Ja gravitācijas lauks ir vienveidīgs, tas darbojas vienādi uz visām ķermeņa daļām, padarot to "bezsvara" vai piedzīvojot "0 g". Lai arī tas varētu šķist dīvaini, objekts var atrasties brīvā kritienā, pat pārvietojoties uz augšu vai kustības augšpusē. Debesskrāpis, kas lec no atmosfēras (piemēram, HALO), gandrīz sasniedz patieso gala ātrumu un brīvo kritienu.

Kopumā, ja gaisa pretestība ir niecīga attiecībā pret objekta svaru, tā var sasniegt brīvu kritienu. Piemēri:

• Kosmosa kuģis kosmosā bez ieslēgtas dzinējsistēmas
• Priekšmets, uzmests augšup
• Priekšmets, kas nokrita no kritiena torņa vai kritiena mēģenē
• Cilvēks lec uz augšu

Turpretī objekti nē brīvajā kritienā iekļauj:

• Lidojošs putns
• Lidaparāts (jo spārni nodrošina liftu)
• Izpletņa izmantošana (jo tas novērš smagumu ar vilkšanu un dažos gadījumos var nodrošināt pacelšanu)
• Skydiver, kurš neizmanto izpletni (jo vilkšanas spēks ir vienāds ar viņa svaru termināļa ātrumā)

Vispārējā relativitātes jomā brīvo kritienu definē kā ķermeņa kustību pa ģeodēzisko elementu ar gravitācijas spēju kā telpas-laika izliekumu.

Ja objekts nokrīt uz planētas virsmas un gravitācijas spēks ir daudz lielāks nekā gaisa spēks pretestība vai arī tā ātrums ir daudz mazāks nekā gala ātrums, brīvā kritiena vertikālais ātrums var būt tuvināts kā:

v_t = gt + v₀

kur:

• v_t ir vertikālais ātrums metros sekundē
• v₀ ir sākotnējais ātrums (m / s)
• g ir gravitācijas paātrinājums (aptuveni 9,81 m / s² pie Zemes)
• t ir pagājušais laiks (i)

Tā kā termināļa ātrums ir atkarīgs no vilkšanas un objekta šķērsgriezuma, termināļa ātrumam nav viena ātruma. Parasti cilvēks, kas Zemes gaisā krīt, terminālā ātrumu sasniedz apmēram pēc 12 sekundēm, kas aptver aptuveni 450 metrus vai 1500 pēdas.

Debesskrāpis, kas atrodas stāvoklī no vēdera, sasniedz terminālo ātrumu aptuveni 195 km / h (54 m / s vai 121 mph). Ja skydiver ievelkas rokās un kājās, viņa šķērsgriezums tiek samazināts, palielinot termināļa ātrumu līdz aptuveni 320 km / h (90 m / s vai nedaudz zem 200 mph). Tas ir aptuveni tāds pats kā gala ātrums, ko panāk ar parasto piekūnu, ienirstot par laupījumu vai lodei, kura nokrīt pēc kritiena vai izšaušanas uz augšu. Pasaules rekorda termināļa ātrumu uzstādīja Fēlikss Baumgartners, kurš lēca no 39 000 metru un termināļa ātrumu sasniedza 134 km / h (834 mph).

• Huangs, Dzjans. "Skydiver ātrums (termināļa ātrums)". Fizikas faktu grāmata. Glens Elerts, Midvudas vidusskola, Bruklinas koledža, 1999. gads.
• ASV Zivju un savvaļas dzīvnieku dienests. "Viss par Peregrine Falcon. "2007. gada 20. decembris.
• Balististietis. "Lodes debesīs". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, 2001. gada marts.