السرعة النهائية والسقوط الحر

السرعة النهائية والسقوط الحر هما مفهومان مرتبطان يميلان إلى الخلط لأنهما يعتمدان على ما إذا كان الجسم في مساحة فارغة أو في سائل (على سبيل المثال ، الغلاف الجوي أو حتى الماء). ألق نظرة على تعريفات ومعادلات المصطلحات ، وكيفية ارتباطها ، ومدى سرعة سقوط الجسم في السقوط الحر أو في السرعة النهائية في ظل ظروف مختلفة.

يتم تعريف السرعة النهائية بأنها أعلى سرعة يمكن تحقيقها بواسطة جسم يسقط عبر سائل ، مثل الهواء أو الماء. عندما يتم الوصول إلى السرعة النهائية ، تكون قوة الجاذبية إلى أسفل مساوية لمجموع الجسم الطفو وقوة السحب. الجسم عند السرعة النهائية له صافي صفر التسريع.

هناك معادلتان مفيدتان بشكل خاص لإيجاد السرعة النهائية. الأول يتعلق بالسرعة النهائية دون مراعاة الطفو:

الخامس_ر = (2 مجم / ميكروجرام_د)^1/2

أين:

• الخامس_ر هي السرعة النهائية
• m هي كتلة الجسم الساقط
• ز هو التسارع الناتج عن الجاذبية
• ج_د هو معامل السحب
• ρ هي كثافة السائل الذي يسقط من خلاله الجسم
• A هي المنطقة المستعرضة التي يسقطها الكائن

في السوائل ، على وجه الخصوص ، من المهم حساب طفو الكائن. مبدأ أرخميدس يستخدم لحساب إزاحة الحجم (V) بالكتلة. تصبح المعادلة بعد ذلك:

الخامس_ر = [2 (م - ρV) جم / ρAC_د]^1/2

الاستخدام اليومي لمصطلح "السقوط الحر" ليس هو نفسه التعريف العلمي. في الاستخدام الشائع ، يعتبر القفز المظلي في حالة سقوط حر عند تحقيق السرعة النهائية بدون مظلة. في الواقع ، يتم دعم وزن القافز بالمظلة بواسطة وسادة من الهواء.

يتم تعريف السقوط الحر إما وفقًا للفيزياء النيوتونية (الكلاسيكية) أو من حيث النسبية العامة. في الميكانيكا الكلاسيكية ، يصف السقوط الحر حركة الجسم عندما تكون القوة الوحيدة التي تعمل عليه هي الجاذبية. اتجاه الحركة (لأعلى ، لأسفل ، إلخ.) غير مهم. إذا كان مجال الجاذبية متماثلاً ، فإنه يعمل بشكل متساوٍ على جميع أجزاء الجسم ، مما يجعله "بلا وزن" أو يعاني من "0 جم". على الرغم من أنه قد يبدو غريبًا ، يمكن أن يكون الجسم في حالة سقوط حر حتى عند التحرك لأعلى أو في أعلى حركته. القفز بالمظلات من خارج الغلاف الجوي (مثل قفزة HALO) يكاد يحقق سرعة نهائية حقيقية وسقوط حر.

بشكل عام ، طالما أن مقاومة الهواء لا تذكر فيما يتعلق بوزن الجسم ، يمكن أن تحقق السقوط الحر. الامثله تشمل:

• مركبة فضائية في الفضاء بدون نظام دفع تعمل
• كائن يرمي لأعلى
• كائن يسقط من برج إسقاط أو في أنبوب إسقاط
• شخص يقفز

في المقابل الأجسام ليس في السقوط الحر تشمل:

• طائر طائر
• طائرة تحلق (لأن توفر الأجنحة المصعد)
• استخدام المظلة (لأنها تقاوم الجاذبية بالسحب وفي بعض الحالات قد توفر رفعًا)
• قفز بالمظلات لا يستخدم المظلة (لأن قوة السحب تساوي وزنه عند السرعة النهائية)

في النسبية العامة ، يتم تعريف السقوط الحر على أنه حركة الجسم على طول الجيوديسية ، مع وصف الجاذبية بانحناء الزمكان.

إذا كان جسم ما يسقط باتجاه سطح كوكب وكانت قوة الجاذبية أكبر بكثير من قوة الهواء المقاومة وإلا فإن سرعته أقل بكثير من السرعة النهائية ، قد تكون السرعة العمودية للسقوط الحر تقريبًا على النحو التالي:

الخامس_ر = gt + v₀

أين:

• الخامس_ر هي السرعة الرأسية بالأمتار في الثانية
• الخامس₀ هي السرعة الأولية (م / ث)
• g هو التسارع بسبب الجاذبية (حوالي 9.81 م / ث² بالقرب من الأرض)
• t هو الوقت المنقضي (الأوقات)

نظرًا لأن السرعة الطرفية تعتمد على السحب والمقطع العرضي للكائن ، فلا توجد سرعة واحدة للسرعة النهائية. بشكل عام ، يصل الشخص الذي يسقط في الهواء على الأرض إلى السرعة النهائية بعد حوالي 12 ثانية ، والتي تغطي حوالي 450 مترًا أو 1500 قدم.

يصل قفز بالمظلات في وضع بطن إلى الأرض بسرعة نهائية تبلغ حوالي 195 كم / ساعة (54 م / ث أو 121 ميل في الساعة). إذا سحب القافز في ذراعيه وساقيه ، ينخفض ​​المقطع العرضي له ، مما يزيد من سرعة المحطة الطرفية إلى حوالي 320 كم / ساعة (90 م / ث أو أقل بقليل من 200 ميل في الساعة). هذا هو نفس السرعة النهائية التي يحققها صقر الشاهين للغطس في الفريسة أو برصاصة تسقط بعد إسقاطها أو إطلاقها إلى أعلى. تم تحديد سرعة الرقم القياسي العالمي من قبل فيليكس بومغارتنر ، الذي قفز من 39000 متر ووصل إلى سرعة نهائية تبلغ 134 كم / ساعة (834 ميل في الساعة).

• هوانغ ، جيان. "سرعة القفز بالمظلات (السرعة الطرفية)". كتاب حقائق الفيزياء. جلين إلرت ، مدرسة ميدوود الثانوية ، كلية بروكلين ، 1999.
• خدمة الأسماك والحياة البرية الأمريكية. "كل شيء عن الشاهين. "20 ديسمبر 2007.
• الباليستي. "الرصاص في السماء". ث. سكوير انتربرايز ، 9826 ساجيدال ، هيوستن ، تكساس 77089 ، مارس 2001.