Terminalhastighet och fritt fall

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

Definition av terminalhastighet

Terminalhastighet definieras som den högsta hastigheten som kan uppnås av ett föremål som faller genom en vätska, till exempel luft eller vatten. När terminalhastigheten uppnås är tyngdkraften nedåt lika med summan av objektets flytkraft och dragkraften. Ett objekt som en terminalhastighet har nollacceleration.

Terminal Velocity Equation

Det finns två särskilt användbara ekvationer för att hitta terminalhastighet. Den första är för terminalhastighet utan att beakta flytkraft:

V_t = (2 mg / pAC_d)^1/2

var:

• V_t är terminalhastigheten
• m är massan hos objektet som faller
• g är acceleration på grund av tyngdkraften
• C_d är dragkoefficienten
• ρ är densiteten hos vätskan genom vilken föremålet faller
• A är tvärsnittsområdet som projiceras av objektet

Speciellt i vätskor är det viktigt att redovisa objektets flytkraft. Archimedes princip används för att redogöra för massans förskjutning av volym (V). Ekvationen blir då:

V_t = [2 (m - pV) g / pAC_d]^1/2

Free Fall Definition

Den dagliga användningen av termen "fritt fall" är inte samma sak som den vetenskapliga definitionen. Vid vanligt bruk anses en himmel dykare vara i fritt fall när man uppnår terminalhastighet utan fallskärm. I verkligheten stöds himmelens dykare av en luftkudde.

Fritt fall definieras antingen enligt Newtonian (klassisk) fysik eller i termer av allmän relativitet. I klassisk mekanik beskriver fritt fall rörelsen hos en kropp när den enda kraften som verkar på den är gravitationen. Rörelsens riktning (upp, ner, etc.) är obetydlig. Om gravitationsfältet är enhetligt verkar det lika på alla kroppsdelar, 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 dess rörelse. En fallskärmshoppare som hoppar utanför atmosfären (som ett HALO-hopp) uppnår nästan sant terminalhastighet och fritt fall.

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

• Ett rymdskepp i rymden utan framdrivning
• Ett föremål kastat uppåt
• Ett objekt tappade från ett släpptorn eller i ett släpprör
• En person som hoppar upp

Däremot objekt inte i fritt fall inkluderar

• En flygande fågel
• Ett flygande flygplan (eftersom vingarna ger hiss)
• Använda en fallskärm (eftersom den räknar tyngdkraften med drag och i vissa fall kan ge lyft)
• En fallskärmshoppare som inte använder fallskärm (eftersom dragkraften är lika med sin vikt med terminalhastighet)

I den allmänna relativiteten definieras fritt fall som en kropps rörelse längs en geodesisk, med tyngdkraft beskrivet som rymd-tid-krökning.