Rychlost terminálu a volný pád

Rychlost terminálu a volný pád jsou dva související pojmy, které mají tendenci být matoucí, protože závisí na tom, zda je tělo v prázdném prostoru nebo v tekutině (např. atmosféra nebo dokonce voda). Podívejte se na definice a rovnice pojmů, jak jsou spojeny a jak rychle tělo padne za volného pádu nebo při rychlosti terminálu za různých podmínek.

Terminální rychlost je definována jako nejvyšší rychlost, která může být dosažena předmětem, který padá tekutinou, jako je vzduch nebo voda. Když je dosaženo rychlosti terminálu, gravitační síla dolů se rovná součtu objektů vztlak a tažnou sílu. Objekt při rychlosti terminálu má nulovou síť akcelerace.

Existují dvě zvláště užitečné rovnice pro nalezení koncové rychlosti. První je pro rychlost terminálu bez zohlednění vztlaku:

PROTI_t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

kde:

• PROTI_t je koncová rychlost
• m je hmotnost padajícího předmětu
• g je zrychlení v důsledku gravitace
• C_d je součinitel odporu
• ρ je hustota tekutiny, kterou objekt padá
• A je průřezová plocha promítaná objektem

Zejména v kapalinách je důležité zohlednit vztlak objektu. Archimedův princip se používá k započítání přemístění objemu (V) hmotou. Rovnice se pak stává:

PROTI_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Každodenní používání pojmu „volný pád“ není stejné jako vědecká definice. Při běžném použití je parašutista považován za volného pádu po dosažení rychlosti terminálu bez padáku. Ve skutečnosti je váha parašutisty podporována vzduchovým polštářem.

Freefall je definován buď podle newtonské (klasické) fyziky, nebo z hlediska obecná relativita. V klasické mechanice popisuje volný pád pohyb těla, když na něj působí pouze gravitace. Směr pohybu (nahoru, dolů atd.) Není důležitý. Pokud je gravitační pole rovnoměrné, působí stejně na všechny části těla, takže je „beztíže“ nebo zažívá „0 g“. I když se to může zdát divné, objekt může volně padat, i když se pohybuje nahoru nebo nahoře. Parašutista skákající z vnější strany atmosféry (jako skok HALO) téměř téměř dosáhne skutečné rychlosti terminálu a volného pádu.

Obecně platí, že pokud je odpor vzduchu vzhledem k hmotnosti předmětu zanedbatelný, může dosáhnout volného pádu. Příklady zahrnují:

• Kosmická loď ve vesmíru bez pohonného systému zapojena
• Objekt vyhozen nahoru
• Objekt spadl z drop tower nebo do drop tube
• Osoba vyskočila

Naproti tomu objekty ne ve volném pádu patří:

• Létající pták
• Létající letadlo (protože křídla poskytují výtah)
• Použití padáku (protože čelí gravitaci tažením a v některých případech může poskytnout zvedání)
• Parašutista nepoužívající padák (protože tažná síla se rovná jeho hmotnosti při rychlosti terminálu)

Obecně relativita, volný pád je definován jako pohyb těla podél geodesic, s gravitací popisovanou jako křivka časoprostoru.

Pokud předmět padá na povrch planety a gravitační síla je mnohem větší než síla vzduchu odpor nebo jinak jeho rychlost je mnohem menší než koncová rychlost, vertikální rychlost volného pádu může být přibližné:

proti_t = gt + v₀

kde:

• proti_t je vertikální rychlost v metrech za sekundu
• proti₀ je počáteční rychlost (m / s)
• g je zrychlení způsobené gravitací (asi 9,81 m / s² poblíž Země)
• t je uplynulý čas (y)

Protože rychlost terminálu závisí na odporu a průřezu objektu, neexistuje žádná rychlost pro rychlost terminálu. Obecně platí, že osoba padající vzduchem na Zemi dosáhne terminální rychlosti asi po 12 sekundách, což pokrývá asi 450 metrů nebo 1500 stop.

Parašutista v poloze břicho-země dosáhne konečné rychlosti asi 195 km / h (54 m / s nebo 121 mph). Pokud parašutista zatáhne do paží a nohou, jeho průřez se zmenší, čímž se zvýší rychlost terminálu na přibližně 320 km / h (90 m / s nebo těsně pod 200 mph). To je přibližně stejné jako konečná rychlost dosažená potápěním sokola stěhovavého pro kořist nebo pro kulku padající po pádu nebo vystřelení vzhůru. Rychlost terminálu světového rekordu stanovil Felix Baumgartner, který skočil z 39 000 metrů a dosáhl terminální rychlosti 134 km / h (834 mph).

• Huang, Jian. Msgstr "Rychlost parašutisty (rychlost terminálu)". Fyzická fakta. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
• US Fish and Wildlife Service. "Vše o sokol stěhovavém. “20. prosince 2007.
• Ballistician. "Kulky na obloze". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, březen 2001.