Endgeschwindigkeit und freier Fall

Endgeschwindigkeit und freier Fall sind zwei verwandte Konzepte, die dazu neigen, verwirrend zu werden, weil sie davon abhängen, ob sich ein Körper im leeren Raum oder in einer Flüssigkeit befindet (z Atmosphäre oder sogar Wasser). Schauen Sie sich die Definitionen und Gleichungen der Begriffe an, wie sie zusammenhängen und wie schnell ein Körper im freien Fall oder mit Endgeschwindigkeit unter verschiedenen Bedingungen fällt.

Die Endgeschwindigkeit ist definiert als die höchste Geschwindigkeit, die von einem Objekt erreicht werden kann, das durch eine Flüssigkeit wie Luft oder Wasser fällt. Wenn die Endgeschwindigkeit erreicht ist, ist die nach unten gerichtete Schwerkraft gleich der Summe der Objekte Auftrieb und die Widerstandskraft. Ein Objekt mit Endgeschwindigkeit hat netto Null Beschleunigung.

Es gibt zwei besonders nützliche Gleichungen zum Ermitteln der Endgeschwindigkeit. Die erste ist für die Endgeschwindigkeit ohne Berücksichtigung des Auftriebs:

V._t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

wo:

• V._t ist die Endgeschwindigkeit
• m ist die Masse des fallenden Objekts
• g ist Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft
• C._d ist der Luftwiderstandsbeiwert
• ρ ist die Dichte der Flüssigkeit, durch die das Objekt fällt
• A ist die vom Objekt projizierte Querschnittsfläche

Insbesondere bei Flüssigkeiten ist es wichtig, den Auftrieb des Objekts zu berücksichtigen. Archimedes Prinzip wird verwendet, um die Verschiebung des Volumens (V) durch die Masse zu berücksichtigen. Die Gleichung lautet dann:

V._t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Die alltägliche Verwendung des Begriffs "freier Fall" entspricht nicht der wissenschaftlichen Definition. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird davon ausgegangen, dass sich ein Fallschirmspringer im freien Fall befindet, wenn die Endgeschwindigkeit ohne Fallschirm erreicht wird. Tatsächlich wird das Gewicht des Fallschirmspringers von einem Luftkissen getragen.

Der freie Fall wird entweder nach der Newtonschen (klassischen) Physik oder in Bezug auf definiert generelle Relativität. In der klassischen Mechanik beschreibt der freie Fall die Bewegung eines Körpers, wenn die einzige auf ihn einwirkende Kraft die Schwerkraft ist. Die Bewegungsrichtung (nach oben, unten usw.) ist unwichtig. Wenn das Gravitationsfeld gleichmäßig ist, wirkt es gleichermaßen auf alle Körperteile, wodurch es "schwerelos" wird oder "0 g" erfährt. Obwohl es seltsam erscheinen mag, kann sich ein Objekt im freien Fall befinden, selbst wenn es sich nach oben oder am oberen Ende seiner Bewegung bewegt. Ein Fallschirmspringer, der von außerhalb der Atmosphäre springt (wie ein HALO-Sprung), erreicht fast die wahre Endgeschwindigkeit und den freien Fall.

Im Allgemeinen kann ein freier Fall erreicht werden, solange der Luftwiderstand in Bezug auf das Gewicht eines Objekts vernachlässigbar ist. Beispiele beinhalten:

• Ein Raumschiff im Weltraum ohne Eingriffssystem
• Ein Objekt, das nach oben geworfen wird
• Ein Objekt, das von einem Fallturm oder in ein Fallrohr gefallen ist
• Eine Person, die aufspringt

Im Gegensatz dazu Objekte nicht im freien Fall gehören:

• Ein fliegender Vogel
• Ein fliegendes Flugzeug (weil die Flügel sorgen für Auftrieb)
• Verwenden eines Fallschirms (weil er der Schwerkraft mit Luftwiderstand entgegenwirkt und in einigen Fällen für Auftrieb sorgen kann)
• Ein Fallschirmspringer, der keinen Fallschirm benutzt (weil die Widerstandskraft seinem Gewicht bei Endgeschwindigkeit entspricht)

In der allgemeinen Relativitätstheorie wird der freie Fall als die Bewegung eines Körpers entlang einer Geodät definiert, wobei die Schwerkraft als Raum-Zeit-Krümmung beschrieben wird.

Wenn ein Objekt auf die Oberfläche eines Planeten fällt und die Schwerkraft viel größer ist als die Luftkraft Widerstand oder seine Geschwindigkeit ist viel geringer als die Endgeschwindigkeit, die vertikale Geschwindigkeit des freien Falls kann sein angenähert als:

v_t = gt + v₀

wo:

• v_t ist die vertikale Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde
• v₀ ist die Anfangsgeschwindigkeit (m / s)
• g ist die Erdbeschleunigung (ca. 9,81 m / s)² in der Nähe der Erde)
• t ist die verstrichene Zeit (en)

Da die Endgeschwindigkeit vom Luftwiderstand und dem Querschnitt eines Objekts abhängt, gibt es keine einzige Geschwindigkeit für die Endgeschwindigkeit. Im Allgemeinen erreicht eine Person, die durch die Luft auf der Erde fällt, nach etwa 12 Sekunden die Endgeschwindigkeit, die etwa 450 Meter oder 1500 Fuß umfasst.

Ein Fallschirmspringer in Bauch-Erde-Position erreicht eine Endgeschwindigkeit von etwa 195 km / h (54 m / s). Wenn der Fallschirmspringer an Armen und Beinen zieht, verringert sich sein Querschnitt und die Endgeschwindigkeit erhöht sich auf etwa 320 km / h (90 m / s oder knapp 200 mph). Dies entspricht in etwa der Endgeschwindigkeit, die ein Wanderfalke erreicht, der nach Beute taucht oder nach einer Kugel, die nach dem Fallenlassen oder Abfeuern nach oben fällt. Die Weltrekord-Endgeschwindigkeit wurde von Felix Baumgartner eingestellt, der aus 39.000 Metern Höhe sprang und eine Endgeschwindigkeit von 134 km / h erreichte.

• Huang, Jian. "Geschwindigkeit eines Fallschirmspringers (Endgeschwindigkeit)". Das Physik-Factbook. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
• US-amerikanischer Fisch- und Wildtierservice. "Alles über den Wanderfalken20. Dezember 2007.
• Der Ballist. "Kugeln in den Himmel". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, März 2001.