Terminaalin nopeus ja vapaa pudotus

Terminaalinopeus ja vapaa pudotus ovat kaksi toisiinsa liittyvää konseptia, joilla on taipumus hämmentyä, koska ne riippuvat siitä, onko ruumiin tyhjä tila vai neste (esim. ilmapiiri tai jopa vettä). Katsokaa termien määritelmiä ja yhtälöitä, kuinka ne liittyvät toisiinsa ja kuinka nopeasti elin putoaa vapaassa pudotuksessa tai terminaalinopeudella eri olosuhteissa.

Terminaalinopeudella tarkoitetaan suurinta nopeutta, joka voidaan saavuttaa esineellä, joka putoaa nesteen, kuten ilman tai veden, läpi. Kun terminaalinopeus saavutetaan, laskeva painovoima on yhtä suuri kuin esineen summa kelluvuus ja vetovoima. Terminaalinopeudella olevalla kohteella on nolla nettoa kiihtyvyys.

Terminaalin nopeuden löytämiseksi on olemassa kaksi erityisen hyödyllistä yhtälöä. Ensimmäinen koskee päätteen nopeutta ottamatta huomioon kelluvuutta:

V_T = (2 mg / ρAC_d)^1/2

missä:

• V_T on terminaalinopeus
• m on putoamisen kohteen massa
• g on painovoimasta johtuva kiihtyvyys
instagram viewer
• C_d on vetokerroin
• ρ on nesteen tiheys, jonka läpi esine putoaa
• A on esineen projisoima poikkileikkauspinta-ala

Erityisesti nesteissä on tärkeää ottaa huomioon esineen kelluvuus. Archimedes-periaate käytetään laskemaan tilavuuden (V) siirtymä massan mukaan. Yhtälöstä tulee sitten:

V_T = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Ilmauksen "vapaa pudotus" päivittäinen käyttö ei ole samaa kuin tieteellinen määritelmä. Yleisessä käytössä pilvenpiirtäjän katsotaan olevan vapaalla pudotuksella saavuttaessaan terminaalinopeus ilman laskuvarjoa. Todellisuudessa pilvenpiirtäjän paino tukee ilmatyynyä.

Vapaapudotus määritellään joko newtonilaisen (klassisen) fysiikan mukaan tai yleinen suhteellisuusteoria. Klassisessa mekaniikassa vapaa pudotus kuvaa kehon liikettä, kun ainoa siihen vaikuttava voima on painovoima. Liikkeen suunta (ylös, alas jne.) Ei ole tärkeä. Jos painovoimakenttä on tasainen, se toimii tasaisesti kaikissa kehon osissa, tehden siitä "painoton" tai kokee "0 g". Vaikka esine saattaa tuntua oudolta, esine voi olla vapaalla pudotuksella jopa liikkuessa ylöspäin tai liikkeen yläosassa. Ilmakehän ulkopuolelta hyppäävä pilvenpiirtäjä (kuten HALO-hyppy) saavuttaa melkein todellisen terminaalinopeuden ja vapaan pudotuksen.

Yleensä niin kauan kuin ilman vastus on vähäinen esineen painon suhteen, se voi saavuttaa vapaan pudotuksen. Esimerkkejä ovat:

• Avaruudessa oleva avaruusalusta ilman, että käyttövoimajärjestelmä on kytkettynä
• Kohde heitetään ylöspäin
• Kohde putosi pudotustornista tai pudotusputkeen
• Henkilö hyppää ylös

Sen sijaan esineet ei vapaassa laskussa ovat:

• Lentävä lintu
• Lentävä ilma (koska siivet tarjoavat hissin)
• Laskuvarjon käyttäminen (koska se laskee painovoiman vetämällä ja saattaa joissain tapauksissa tarjota hissin)
• Laskuvarjohyppääjä, joka ei käytä laskuvarjoa (koska vetovoima on yhtä suuri kuin hänen paino terminaalinopeudella)

Yleisessä suhteellisuudessa vapaa pudotus määritellään ruumiin liikkeeksi geodeettista suuntaa kohti, ja painovoimaa kuvataan tilan ja ajan kaarevuutena.

Jos esine putoaa kohti planeetan pintaa ja painovoima on paljon suurempi kuin ilman voima vastus tai muuten sen nopeus on paljon pienempi kuin terminaalinopeus, vapaan pudotuksen pystysuuntainen nopeus voi olla likimääräinen:

v_T = gt + v₀

missä:

• v_T on pystysuuntainen nopeus metreinä sekunnissa
• v₀ on lähtönopeus (m / s)
• g on painovoimasta johtuva kiihtyvyys (noin 9,81 m / s² lähellä maata)
• t on kulunut aika

Koska terminaalinopeus riippuu vedosta ja esineen poikkileikkauksesta, terminaalinopeudelle ei ole yhtä nopeutta. Yleensä ihminen, joka putoaa ilman läpi maan päällä, saavuttaa terminaalinopeuden noin 12 sekunnin kuluttua, joka kattaa noin 450 metriä tai 1500 jalkaa.

Pilvenpiirtäjä vatsasta maahan -asennossa saavuttaa terminaalinopeuden noin 195 km / h (54 m / s tai 121 mph). Jos pilvenpiirtäjä vetää käsiinsä ja jalkoihinsa, hänen poikkileikkauksensa pienenee, lisäämällä terminaalinopeutta noin 320 km / h (90 m / s tai vähän alle 200 mph). Tämä on suunnilleen sama kuin terminaalinopeus, joka saavutetaan saaliin tai sukelluksen yhteydessä sukeltavan piikarin kanssa, kun putoaa luotiin sen jälkeen, kun se on pudonnut tai ampunut ylöspäin. Maailmanennätyspäätteen nopeuden asetti Felix Baumgartner, joka hyppäsi 39 000 metristä ja saavutti terminaalinopeuden 134 km / h (834 mph).

• Huang, Jian. "Skydiverin nopeus (terminaalin nopeus)". Fysiikan tosikirja. Glenn Elert, Midwoodin lukio, Brooklyn College, 1999.
• Yhdysvaltain kala- ja villieläinpalvelu. "Kaikkea perhemaista Falconia. "20. joulukuuta 2007.
• Ballistikko. "Luodit taivaalla". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, maaliskuu 2001.