Hur terminalhastighet och fritt fall fungerar

Terminalhastighet och fritt fall är två relaterade begrepp som tenderar att bli förvirrande eftersom de beror på om en kropp är i ett tomt utrymme eller i en vätska (t.ex. , en atmosfär eller till och med vatten). Ta en titt på termernas definitioner och ekvationer, hur de är relaterade och hur snabbt en kropp faller i fritt fall eller med sluthastighet under olika förhållanden.

Terminalhastighetsdefinition

Terminalhastighet definieras som den högsta hastighet som kan uppnås av ett föremål som faller genom en vätska, såsom luft eller vatten. När sluthastigheten uppnås är den nedåtriktade tyngdkraften lika med summan av föremålets flytförmåga och dragkraften. Ett föremål med terminalhastighet har noll nettoacceleration.

Terminalhastighetsekvation

Det finns två särskilt användbara ekvationer för att hitta terminalhastighet. Den första är för sluthastighet utan att ta hänsyn till flytkraft:

Vt = (2mg/ρAC_d⁾1/2

var:

• V_{t ^{är sluthastigheten}}
• m är massan på föremålet som faller
• g är acceleration på grund av gravitation
• CD är luftmotståndskoefficienten

ρ är densiteten av vätskan genom vilken föremålet faller

A är tvärsnittsarean som projiceras av objektet

I vätskor, i synnerhet, är det viktigt att ta hänsyn till flytkraften objekt. Arkimedes princip används för att redogöra för förskjutningen av volym (V) med massan. Ekvationen blir då:

V_t = [2(m – ρV)g/ρAC_d]1/2

Definition av fritt fall

Den dagliga användningen av termen ”fritt fall” är inte detsamma som den vetenskapliga definitionen. I vanligt bruk anses en fallskärmshoppare vara i fritt fall när den uppnår sluthastighet utan fallskärm. I själva verket stöds fallskärmshopparens vikt av en luftkudde.

Fritt fall definieras antingen enligt Newtonsk (klassisk) fysik eller i termer av allmän relativitet. I klassisk mekanik beskriver fritt fall en kropps rörelse när den enda kraft som verkar på den är gravitationen. Rörelsens riktning (upp, ner, etc.) är oviktig. Om gravitationsfältet är enhetligt, verkar det lika på alla delar av kroppen, vilket gör det ”viktlöst” eller upplever ”0 g”. Även om det kan verka konstigt, kan ett föremål vara i fritt fall även när det rör sig uppåt eller i toppen av sin rörelse. En fallskärmshoppare som hoppar utanför atmosfären (som ett HALO-hopp) uppnår nästan verklig sluthastighet och fritt fall.

I allmänhet så länge luftmotståndet är försumbart med avseende på ett föremåls vikt kan det uppnå fritt fall. Exempel inkluderar:

En rymdfarkost i rymden utan ett framdrivningssystem inkopplat