Terminali kiirus ja vaba kukkumine

Klemmikiirus ja vabalangus on kaks omavahel seotud mõistet, mis kipuvad segadusse minema, kuna need sõltuvad sellest, kas keha on tühjas ruumis või vedelikus (nt atmosfääri või isegi vesi). Heitke pilk mõistete definitsioonidele ja võrranditele, kuidas need on omavahel seotud ja kui kiiresti keha langeb erinevatel tingimustel vabalangemisel või lõppkiirusel.

Lõppkiirus on suurim kiirus, mille võib saavutada objekt, mis kukub läbi vedeliku, näiteks õhu või vee. Lõppkiiruse saavutamisel võrdub gravitatsiooni allapoole suunatud jõud objekti summaga ujuvus ja tõmbejõud. Lõppkiirusel oleval objektil on net null kiirendus.

Terminali kiiruse leidmiseks on kaks eriti kasulikku võrrandit. Esimene on terminali kiirus, arvestamata ujuvust:

V_t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

kus:

• V_t on terminali kiirus
• m on langeva objekti mass
• g on gravitatsiooni tõttu kiirendus
• C_d on tõmbekoefitsient
• ρ on vedeliku tihedus, mille kaudu objekt langeb
• A on objekti projekteeritud ristlõikepindala

Eriti vedelikes on oluline arvestada objekti ujuvusega. Archimedese põhimõte kasutatakse ruumala (V) massi nihke arvestamiseks. Seejärel saadakse võrrandiks:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Mõiste "vabalangus" igapäevane kasutamine pole sama, mis teaduslik määratlus. Tavakasutuses peetakse skydiver vabalangemist, kui saavutatakse lõppkiirus ilma langevarjuta. Tegelikkuses toetab taevalaoturi raskust õhkpadi.

Vabalangus määratletakse kas vastavalt Newtoni (klassikalisele) füüsikale või vastavalt üldrelatiivsus. Klassikalises mehaanikas kirjeldab vaba kukkumine keha liikumist, kui ainus sellele mõjuv jõud on gravitatsioon. Liikumise suund (üles, alla jne) on ebaoluline. Kui gravitatsiooniväli on ühtlane, toimib see võrdselt kõigis kehaosades, muutes selle "kaaluta" või kogedes "0 g". Ehkki see võib tunduda kummaline, võib objekt vabalt langeda ka siis, kui liigutakse üles või üles liikudes. Väljaspool atmosfääri hüppav taevalaotur (nagu HALO hüpe) saavutab peaaegu tõelise lõppkiiruse ja vabalangemise.

Üldiselt, kui õhutakistus on objekti massi suhtes tühine, võib see saavutada vaba kukkumise. Näited:

• Kosmoses olev kosmoselaev, millel pole käitursüsteemi sisse lülitatud
• Üles visatud objekt
• Kukkumistornist või kukkumistorusse kukkunud ese
• Inimene hüppab üles

Objektid seevastu mitte vabalangus sisaldab:

• Lendav lind
• Lendav lennuk (kuna tiivad tagavad tõste)
• Langevarju kasutamine (kuna see tasakaalustab raskusjõudu koos tõmbejõuga ja võib mõnel juhul pakkuda tõstukit)
• Taevalaotur, kes ei kasuta langevarju (kuna tõmbejõud võrdub tema kaaluga lõppkiirusel)

Üldises relatiivsussuhtes määratletakse vaba langemine keha liikumisena mööda geodeetilist laadi, gravitatsiooni kirjeldatakse kui ruumi-aja kumerust.

Kui mõni objekt langeb planeedi pinna poole ja raskusjõud on palju suurem kui õhu jõud takistus või kui selle kiirus on palju väiksem kui lõppkiirus, võib vabalanguse vertikaalne kiirus olla ligikaudne kui:

v_t = gt + v₀

kus:

• v_t on vertikaalne kiirus meetrites sekundis
• v₀ on algkiirus (m / s)
• g on gravitatsioonist tulenev kiirendus (umbes 9,81 m / s² Maa lähedal)
• t on möödunud aeg (id)

Kuna terminali kiirus sõltub tõmbejõust ja objekti ristlõikesest, pole terminali kiirusel ühte kiirust. Üldiselt saavutab Maa kaudu õhu kaudu kukkuv inimene lõppkiiruse umbes 12 sekundi pärast, mis katab umbes 450 meetrit ehk 1500 jalga.

Taevalaotur kõhu-maa asendis saavutab lõppkiiruse umbes 195 km / h (54 m / s või 121 mph). Kui skydiver tõmbub kätele ja jalgadele, väheneb tema ristlõige, suurendades lõppkiirust umbes 320 km / h (90 m / s või veidi alla 200 km / h). See on umbes sama kui kiirus, mille saavutab saagiks sukeldumisel harilik pistrik või pärast seda, kui kuul on alla kukkunud või üles tulistatud. Maailmarekordi terminali kiiruse seadis Felix Baumgartner, kes hüppas 39 000 meetrilt ja saavutas lõppkiiruse 134 km / h (834 mph).

• Huang, Jian. "Skydiveri kiirus (terminali kiirus)". Füüsika faktiraamat. Glenn Elert, Brooklyni kolledži Midwoodi keskkool, 1999.
• USA kala- ja eluslooduse teenistus. "Kõik pererahva pistriku kohta. "20. detsember 2007.
• Ballistilist. "Kuulid taevas". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, märts 2001.