Beoordelingen

Eindsnelheid en vrije val

Eindsnelheid en vrije val

Eindsnelheid en vrije val zijn twee gerelateerde concepten die de neiging hebben verwarrend te worden omdat ze afhangen van het feit of een lichaam zich al dan niet in een lege ruimte of in een vloeistof bevindt (bijvoorbeeld in de atmosfeer of zelfs in water). Bekijk de definities en vergelijkingen van de termen, hoe ze gerelateerd zijn en hoe snel een lichaam in vrije val valt of met eindsnelheid onder verschillende omstandigheden.

Definitie van eindsnelheid

Eindsnelheid wordt gedefinieerd als de hoogste snelheid die kan worden bereikt door een object dat door een vloeistof valt, zoals lucht of water. Wanneer eindsnelheid wordt bereikt, is de neerwaartse zwaartekracht gelijk aan de som van het drijfvermogen van het object en de sleepkracht. Een object met een eindsnelheid heeft nul netto versnelling.

Terminal Velocity-vergelijking

Er zijn twee bijzonder nuttige vergelijkingen voor het vinden van eindsnelheid. De eerste is voor eindsnelheid zonder rekening te houden met drijfvermogen:

Vt = (2 mg / ρACd)1/2

waar:

  • Vt is de eindsnelheid
  • m is de massa van het object dat valt
  • g is versnelling door zwaartekracht
  • Cd is de sleepcoëfficiënt
  • ρ is de dichtheid van de vloeistof waardoor het object valt
  • A is het dwarsdoorsnedegebied geprojecteerd door het object

Vooral in vloeistoffen is het belangrijk rekening te houden met het drijfvermogen van het object. Het principe van Archimedes wordt gebruikt om de verplaatsing van volume (V) door de massa te verklaren. De vergelijking wordt dan:

Vt = 2 (m - ρV) g / ρACd1/2

Definitie van vrije val

Het dagelijkse gebruik van de term "vrije val" is niet hetzelfde als de wetenschappelijke definitie. Bij normaal gebruik wordt een luchtduiker geacht in vrije val te zijn bij het bereiken van eindsnelheid zonder parachute. In werkelijkheid wordt het gewicht van de luchtduiker ondersteund door een luchtkussen.

Vrije val wordt gedefinieerd volgens de Newtoniaanse (klassieke) fysica of in termen van algemene relativiteitstheorie. In de klassieke mechanica beschrijft vrije val de beweging van een lichaam wanneer de enige kracht die erop inwerkt de zwaartekracht is. De richting van de beweging (omhoog, omlaag, enz.) Is onbelangrijk. Als het zwaartekrachtveld uniform is, werkt het gelijkmatig op alle delen van het lichaam, waardoor het "gewichtloos" wordt of "0 g" ervaart. Hoewel het misschien vreemd lijkt, kan een object zich in een vrije val bevinden, zelfs wanneer het omhoog of helemaal in beweging is. Een skydiver die van buiten de atmosfeer springt (zoals een HALO-sprong) bereikt bijna een echte eindsnelheid en vrije val.

Over het algemeen kan, zolang de luchtweerstand verwaarloosbaar is met betrekking tot het gewicht van een object, een vrije val bereiken. Voorbeelden hiervan zijn:

  • Een ruimtevaartuig in de ruimte zonder een voortstuwingssysteem ingeschakeld
  • Een object naar boven gegooid
  • Een object is uit een valtoren of in een valbuis gevallen
  • Een persoon die omhoog springt

Objecten daarentegen niet in vrije val omvatten

  • Een vliegende vogel
  • Een vliegend vliegtuig (omdat de vleugels lift bieden)
  • Een parachute gebruiken (omdat het de zwaartekracht tegengaat met slepen en in sommige gevallen lift kan bieden)
  • Een skydiver die geen parachute gebruikt (omdat de sleepkracht gelijk is aan zijn gewicht bij eindsnelheid)

In het algemeen wordt de vrije val gedefinieerd als de beweging van een lichaam langs een geodetische, met zwaartekracht beschreven als ruimte-tijd kromming.

Vrije val vergelijking

Als een object in de richting van het oppervlak van een planeet valt en de zwaartekracht veel groter is dan de luchtweerstand of anders zijn snelheid veel lager is dan de eindsnelheid, kan de verticale snelheid van vrije val worden geschat als:

vt = gt + v0

waar:

  • vt is de verticale snelheid in meters per seconde
  • v0 is de beginsnelheid (m / s)
  • g is de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht (ongeveer 9,81 m / s2 in de buurt van de aarde)
  • t is de verstreken tijd (en)

Hoe snel is eindsnelheid? Hoe ver val je?

Omdat de eindsnelheid afhankelijk is van de weerstand en de dwarsdoorsnede van een object, is er geen enkele snelheid voor de eindsnelheid. Over het algemeen bereikt een persoon die door de lucht op aarde valt na ongeveer 12 seconden eindsnelheid, die ongeveer 450 meter of 1500 voet beslaat.

Een skydiver in de buik-aarde positie bereikt een eindsnelheid van ongeveer 195 km / uur (54 m / s of 121 mph). Als de skydiver zijn armen en benen trekt, is zijn dwarsdoorsnede kleiner, waardoor de eindsnelheid toeneemt tot ongeveer 320 km / uur (90 m / s of net onder 200 mph). Dit is ongeveer hetzelfde als de eindsnelheid die wordt bereikt door een slechtvalk die naar prooien duikt of naar een kogel die naar beneden valt nadat hij is gevallen of omhoog is geschoten. De eindsnelheid van het wereldrecord werd bepaald door Felix Baumgartner, die sprong van 39.000 meter en een eindsnelheid van 134 km / u (834 mph) bereikte.

Verwijzingen en verder lezen

  • Huang, Jian (1999). "Snelheid van een Skydiver (Terminal Velocity)". The Physics Factbook. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College.
  • All About the Peregrine Falcon ". Amerikaanse vis- en wildservice. 20 december 2007. (gearchiveerd)
  • The Ballistician (maart 2001). "Bullets in the Sky". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089.


Bekijk de video: Natuurkunde uitleg Beweging 13: Verplaatsing bij een vrije val (December 2020).