מהירות מסוף ונפילה חופשית

מהירות מסוף ונפילה חופשית הם שני מושגים קשורים הנוטים להתבלבל מכיוון שהם תלויים בשאלה אם גוף נמצא בחלל ריק או בנוזל (למשל, אווירה או אפילו מים). התבונן בהגדרות ובמשוואות של המונחים, איך הם קשורים, וכמה מהר נופל גוף בנפילה חופשית או במהירות סופנית בתנאים שונים.

מהירות המסוף מוגדרת כמהירות הגבוהה ביותר שניתן להשיג על ידי אובייקט הנופל דרך נוזל, כמו אוויר או מים. כשמגיעים למהירות סופנית, כוח הכובד כלפי מטה שווה לסכום של העצם ציפה וכוח הדראג. לאובייקט במהירות סופנית יש אפס נטו תאוצה.

ישנן שתי משוואות שימושיות במיוחד למציאת מהירות סופנית. הראשון מיועד למהירות סופנית מבלי לקחת בחשבון ציפה:

V_t = (2 מג / μAC_ד)^1/2

איפה:

• V_t היא מהירות המסוף
• m הוא מסת האובייקט שנופל
• g הוא תאוצה בגלל כוח המשיכה
• ג_ד הוא מקדם הגרירה
• ρ הוא צפיפות הנוזל דרכו נופל האובייקט
• A הוא אזור החתך המוקרן על ידי האובייקט

במיוחד בנוזלים, חשוב להביא בחשבון את הציפה של האובייקט. העיקרון של ארכימדס משמש כדי להסביר את עקירת הנפח (V) על ידי המסה. המשוואה הופכת אז ל:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_ד]^1/2

השימוש היומיומי במונח "נפילה חופשית" אינו זהה להגדרה המדעית. בשימוש נפוץ, צניחה חופשית נחשבת לנפילה חופשית עם השגת מהירות סופנית ללא מצנח. בפועל, משקלו של הצניחה חופשית נתמך על ידי כרית אוויר.

נפילה חופשית מוגדרת על פי הפיזיקה הניוטונית (הקלאסית) או במונחים של תורת היחסות הכללית. במכניקה קלאסית, נפילה חופשית מתארת ​​את תנועתו של גוף כאשר הכוח היחיד הפועל עליו הוא כוח המשיכה. כיוון התנועה (למעלה, למטה וכו ') אינו חשוב. אם שדה הכבידה הוא אחיד, הוא פועל באופן שווה על כל חלקי הגוף, מה שהופך אותו "חסר משקל" או חווה "0 גרם". למרות שזה עשוי להיראות מוזר, אובייקט יכול להיות בנפילה חופשית גם כאשר נע כלפי מעלה או בראש תנועתו. צניחה חופשית שקופצת מחוץ לאווירה (כמו קפיצת HALO) כמעט משיגה מהירות סופנית אמיתית ונפילה חופשית.

באופן כללי, כל עוד עמידות האוויר זניחה ביחס למשקל האובייקט, היא יכולה להשיג נפילה חופשית. דוגמאות מכילות:

• חללית בחלל ללא מערכת הנעה פעורה
• חפץ שנזרק כלפי מעלה
• חפץ נפל ממגדל טיפה או לצינור טיפה
• אדם קופץ

לעומת זאת, חפצים לא בסתיו חופשי כוללים:

• ציפור מעופפת
• מטוס מעופף (כי ה כנפיים מספקות הרמה)
• שימוש במצנח (מכיוון שהוא מונה את כוח הכבידה בגרירה ובמקרים מסוימים עשוי לספק הרמה)
• צניחה חופשית שלא משתמשת במצנח (מכיוון שכוח הגרירה שווה למשקלו במהירות הסופית)

בתורת היחסות הכללית, נפילה חופשית מוגדרת כתנועה של גוף לאורך גיאודזית, כאשר כוח הכבידה מתואר כעקומת זמן-חלל.

אם חפץ נופל לכיוון פני כדור הארץ וכוח הכובד גדול בהרבה מכוח האוויר התנגדות או אחרת המהירות שלה היא הרבה פחות ממהירות סופנית, המהירות האנכית של נפילה חופשית עשויה להיות משוער כ:

v_t = gt + v₀

איפה:

• v_t הוא המהירות האנכית במטר לשנייה
• v₀ הוא המהירות הראשונית (m / s)
• g הוא ההאצה כתוצאה מכוח הכבידה (כ- 9.81 מ / ש² ליד כדור הארץ)
• t הוא הזמן / ים שחלפו

מכיוון שמהירות המסוף תלויה בגרירה ובחתך הרוחב של האובייקט, אין מהירות אחת למהירות המסוף. באופן כללי, אדם הנופל באוויר על כדור הארץ מגיע למהירות סופנית לאחר כ 12 שניות, המשתרעות על כ -450 מטר או 1500 רגל.

צניחה חופשית במצב בטן לאדמה מגיעה למהירות סופנית של כ 195 קמ"ש (54 מ"ש או 121 קמ"ש). אם צניחה חופשית מושכת בזרועותיו וברגליו, חתך הרוחב שלו מצטמצם, מה שמגדיל את מהירות המסוף לכ- 320 קמ"ש (90 מ"ש או מעט מתחת ל -200 קמ"ש). זה בערך כמו המהירות הסופית שהושגה על ידי בז בז, הצולל טרף או עבור כדור שנפל מטה לאחר שנפל או נורה כלפי מעלה. מהירות המסוף שיא העולם נקבעה על ידי פליקס באומגרטנר, שקפץ מגובה 39,000 מטר והגיע למהירות טרמינל של 134 קמ"ש (834 קמ"ש).

• הואנג, ג'יאן. "מהירות סקידיברור (מהירות מסוף)". ספר העובדות בפיזיקה. גלן אלרט, בית הספר התיכון מידווד, מכללת ברוקלין, 1999.
• שירות דגים וחיות בר בארה"ב. "הכל אודות בז העגול. "20 בדצמבר 2007.
• הבלטיסט. "כדורים בשמיים". וו. Square Enterprises, 9826 Sagedale, יוסטון, טקסס 77089, מרץ 2001.