Terminal Hızı ve Serbest Düşüş

Terminal hızı ve serbest düşüş kafa karıştırıcı olma eğiliminde olan iki kavramdır, çünkü bir cismin boş alanda mı, yoksa sıvı içinde mi olduğuna bağlı olarak (ör. atmosfer ve hatta su). Terimlerin tanımlarına ve denklemlerine, bunların nasıl ilişkili olduğuna ve bir vücudun farklı koşullar altında serbest düşme veya terminal hızına ne kadar hızlı düştüğüne bir göz atın.

Terminal hızı, hava veya su gibi bir sıvıdan düşen bir cisim tarafından elde edilebilecek en yüksek hız olarak tanımlanır. Terminal hıza ulaşıldığında, yerçekimi aşağı kuvveti nesnenin toplamına eşittir. canlılık ve sürükleme kuvveti. Terminal hızındaki bir nesnenin sıfır ağı var hızlanma.

Terminal hızını bulmak için özellikle yararlı iki denklem vardır. Birincisi, kaldırma kuvveti dikkate alınmadan terminal hızı içindir:

V_t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

nerede:

• V_t terminal hızı
• m düşen nesnenin kütlesi
• g yer çekiminden kaynaklanan ivme
• C_d sürükleme katsayısı
• ρ, nesnenin düştüğü sıvının yoğunluğudur
• A, nesne tarafından yansıtılan kesit alanıdır

Sıvılarda, özellikle, nesnenin kaldırma kuvvetini açıklamak önemlidir. Arşimet prensibi hacim (V) 'nin kütle tarafından yer değiştirmesini açıklamak için kullanılır. Sonra denklem şöyle olur:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

"Serbest düşme" teriminin günlük kullanımı bilimsel tanım ile aynı değildir. Yaygın kullanımda, paraşüt olmadan terminal hızına ulaşıldığında bir paraşütçünün serbest düştüğü düşünülmektedir. Gerçekte, skydiver'ın ağırlığı bir hava yastığı ile desteklenir.

Serbest düşüş, Newtoncu (klasik) fiziğe göre veya Genel görelilik. Klasik mekanikte, serbest düşme, vücudun üzerine etkiyen tek kuvvet yerçekimi olduğunda hareketini tanımlar. Hareketin yönü (yukarı, aşağı, vb.) Önemsizdir. Yerçekimi alanı tekdüze ise, vücudun tüm bölgelerine eşit şekilde etki eder, bu da onu "ağırlıksız" hale getirir veya "0 g" yaşar. Tuhaf görünse de, bir nesne yukarı doğru hareket ederken veya hareketinin üstünde olsa bile serbest düşebilir. Atmosferin dışından atlayan bir skydiver (HALO sıçrama gibi) neredeyse gerçek terminal hızına ve serbest düşüşe ulaşıyor.

Genel olarak, hava direnci bir nesnenin ağırlığına göre ihmal edilebilir olduğu sürece, serbest düşüş elde edebilir. Örnekler:

• Tahrik sistemi olmayan uzayda bir uzay aracı
• Yukarı atılan bir nesne
• Bir nesne bir düşme kulesinden veya bir düşme borusuna düştü
• Bir kişi yukarı Zıplama

Aksine, nesneler değil serbest düşme şunları içerir:

• Uçan bir kuş
• Uçan bir uçak (çünkü kanatlar asansör sağlar)
• Bir paraşüt kullanma (çünkü yer çekimini sürükleme ile karşılar ve bazı durumlarda asansör sağlayabilir)
• Paraşüt kullanmayan bir paraşütçü (çünkü çekme kuvveti terminal hızındaki ağırlığına eşittir)

Genel görelilikte, serbest düşme, bir cismin jeodezik boyunca hareketi, yerçekimi ile uzay-zaman eğriliği olarak tanımlanır.

Bir nesne bir gezegenin yüzeyine doğru düşüyorsa ve yerçekimi kuvveti hava kuvvetinden çok daha büyükse Direnç ya da hızı terminal hızından çok daha düşüktür, serbest düşüşün dikey hızı yaklaşık olarak:

v_t = gt + v₀

nerede:

• v_t saniyede metre cinsinden dikey hızdır
• v₀ başlangıç ​​hızı (m / s)
• g, yer çekimine bağlı ivmedir (yaklaşık 9.81 m / s)² Dünya yakınlarında)
• t geçen süredir

Terminal hızı sürüklemeye ve bir nesnenin enine kesitine bağlı olduğundan, terminal hızı için tek bir hız yoktur. Genel olarak, Dünya üzerinde havadan düşen bir kişi yaklaşık 450 saniye veya 1500 feet'i kapsayan yaklaşık 12 saniye sonra terminal hızına ulaşır.

Göbek-toprak pozisyonundaki bir paraşütçü terminal hızı yaklaşık 195 km / sa (54 m / s veya 121 mph) olur. Paraşütçü kollarını ve bacaklarını çekerse, kesiti azalır ve terminal hızı yaklaşık 320 km / saate (90 m / s veya 200 mph'nin altına) yükselir. Bu, av için ya da düşürüldükten ya da ateş edildikten sonra aşağı düşen bir mermi için bir peregrin şahin dalışıyla elde edilen terminal hızıyla hemen hemen aynıdır. Dünya rekoru terminal hızı 39.000 metreden atlayan ve 134 km / sa (834 mil / sa) terminal hızına ulaşan Felix Baumgartner tarafından belirlendi.

• Huang, Jian. "Bir Skydiver Hızı (Terminal Hızı)". Fizik Bilgi Kitabı. Glenn Elert, Midwood Lisesi, Brooklyn Koleji, 1999.
• ABD Balık ve Yaban Hayatı Servisi. "Peregrine Falcon Hakkında Her Şey"20 Aralık 2007.
• Balistikçi. "Gökyüzündeki kurşunlar". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Teksas 77089, Mart 2001.