Как найти максимальную скорость падения тела

Была ли эта статья полезной?

Согласно законам механики Ньютона, тело, находящееся в состоянии свободного падения, должно двигаться равноускоренно, поскольку на него действует ничем не уравновешенная сила земного притяжения. При падении тела в земной атмосфере (или любой другой газообразной или жидкой среде) мы, однако, наблюдаем иную картину, поскольку на сцену выходит еще одна сила. Падая, тело должно раздвигать собой молекулы воздуха, которые противодействуют этому, в результате чего начинает действовать сила аэродинамического сопротивления или вязкого торможения. Чем выше скорость падения, тем сильнее сопротивление. И, когда направленная вверх сила вязкого торможения сравнивается по величине с направленной вниз гравитационной силой, их равнодействующая становится равной нулю, и тело переходит из состояния ускоренного падения в состояние равномерного падения. Скорость такого равномерного падения называется предельной скоростью падения тела в среде.

Модуль предельной скорости падения зависит от аэродинамических или гидродинамических свойств тела, то есть, от степени его обтекаемости. В самом простом случае идеально обтекаемого тела вокруг него не образуется никаких дополнительных завихрений, препятствующих падению, — так называемых турбулентностей — и мы наблюдаем ламинарный поток. В ламинарном потоке сила сопротивления вязкой среды возрастает прямо пропорционально скорости тела. Вокруг мелких дождевых капель в воздухе, например, образуется классический ламинарный поток. При этом предельная скорость падения таких капель будет весьма мала — около 5 км/ч, что соответствует скорости прогулочного шага. Вот почему моросящий дождь порой кажется «зависшим» в воздухе. Еще меньшую предельную скорость имели масляные капли, использованные в опыте Милликена.

При движении в вязкой среде более крупных объектов, однако, начинают преобладать иные эффекты и закономерности. При достижении дождевыми каплями диаметра всего лишь в десятые доли миллиметра вокруг них начинают образовываться так называемые завихрения в результате срыва потока. Вы их, возможно, наблюдали весьма наглядно: когда машина осенью едет по дороге, засыпанной опавшей листвой, сухие листья не просто разметаются по сторонам от машины, но начинают кружиться в подобии вальса. Описываемые ими круги в точности повторяют линии вихрей фон Кармана, получивших свое название в честь инженера-физика венгерского происхождения Теодора фон Кармана (Theodore von Kármán, 1881–1963), который, эмигрировав в США и работая в Калифорнийском технологическом институте, стал одним из основоположников современной прикладной аэродинамики. Этими турбулентными вихрями обычно и обусловлено торможение — именно они вносят основной вклад в то, что машина или самолет, разогнавшись до определенной скорости, сталкиваются с резко возросшим сопротивлением воздуха и дальше ускоряться не в состоянии. Если вам доводилось на большой скорости разъезжаться на своем легковом автомобиле с тяжелым и быстрым встречным фургоном и машину начинало «водить» из стороны в сторону, знайте: вы попали в вихрь фон Кармана и познакомились с ним не понаслышке.

При свободном падении крупных тел в атмосфере завихрения начинаются практически сразу, и предельная скорость падения достигается очень быстро. Для парашютистов, например, предельная скорость составляет от 190 км/ч при максимальном сопротивлении воздуха, когда они падают плашмя, раскинув руки, до 240 км/ч при нырянии «рыбкой» или «солдатиком».

Terminal velocity and free fall are two related concepts that tend to get confusing because they depend on whether or not a body is in empty space or in a fluid (e.g., an atmosphere or even water). Take a look at the definitions and equations of the terms, how they are related, and how fast a body falls in free fall or at terminal velocity under different conditions.

Terminal Velocity Definition

Terminal velocity is defined as the highest velocity that can be achieved by an object that is falling through a fluid, such as air or water. When terminal velocity is reached, the downward force of gravity is equal to the sum of the object’s buoyancy and the drag force. An object at terminal velocity has zero net acceleration.

Terminal Velocity Equation

There are two particularly useful equations for finding terminal velocity. The first is for terminal velocity without taking into account buoyancy:

V_t = (2mg/ρAC_d)^1/2

where:

• V_t is the terminal velocity
• m is the mass of the object that is falling
• g is acceleration due to gravity
• C_d is the drag coefficient
• ρ is the density of the fluid through which the object is falling
• A is the cross-sectional area projected by the object

In liquids, in particular, it’s important to account for the buoyancy of the object. Archimedes’ principle is used to account for the displacement of volume (V) by the mass. The equation then becomes:

V_t = [2(m — ρV)g/ρAC_d]^1/2

Free Fall Definition

The everyday use of the term «free fall» is not the same as the scientific definition. In common usage, a skydiver is considered to be in free fall upon achieving terminal velocity without a parachute. In actuality, the weight of the skydiver is supported by a cushion of air.

Freefall is defined either according to Newtonian (classical) physics or in terms of general relativity. In classical mechanics, free fall describes the motion of a body when the only force acting upon it is gravity. The direction of the movement (up, down, etc.) is unimportant. If the gravitational field is uniform, it acts equally on all parts of the body, making it «weightless» or experiencing «0 g». Although it might seem strange, an object can be in free fall even when moving upward or at the top of its motion. A skydiver jumping from outside the atmosphere (like a HALO jump) very nearly achieves true terminal velocity and free fall.

In general, as long as air resistance is negligible with respect to an object’s weight, it can achieve free fall. Examples include:

• A spacecraft in space without a propulsion system engaged
• An object thrown upward
• An object dropped from a drop tower or into a drop tube
• A person jumping up

In contrast, objects not in free fall include:

• A flying bird
• A flying aircraft (because the wings provide lift)
• Using a parachute (because it counters gravity with drag and in some cases may provide lift)
• A skydiver not using a parachute (because the drag force equals his weight at terminal velocity)

In general relativity, free fall is defined as the movement of a body along a geodesic, with gravity described as space-time curvature.

Free Fall Equation

If an object is falling toward the surface of a planet and the force of gravity is much greater than the force of air resistance or else its velocity is much less than terminal velocity, the vertical velocity of free fall may be approximated as:

v_t = gt + v₀

where:

• v_t is the vertical velocity in meters per second
• v₀ is the initial velocity (m/s)
• g is the acceleration due to gravity (about 9.81 m/s² near Earth)
• t is the elapsed time (s)

How Fast Is Terminal Velocity? How Far Do You Fall?

Because terminal velocity depends on drag and an object’s cross-section, there is no one speed for terminal velocity. In general, a person falling through the air on Earth reaches terminal velocity after about 12 seconds, which covers about 450 meters or 1500 feet.

A skydiver in the belly-to-earth position reaches a terminal velocity of about 195 km/hr (54 m/s or 121 mph). If the skydiver pulls in his arms and legs, his cross-section is decreased, increasing terminal velocity to about 320 km/hr (90 m/s or just under 200 mph). This is about the same as the terminal velocity achieved by a peregrine falcon diving for prey or for a bullet falling down after having been dropped or fired upward. The world record terminal velocity was set by Felix Baumgartner, who jumped from 39,000 meters and reached a terminal velocity of 1,341 km/hr (834 mph).

References and Further Reading

• Huang, Jian. «Speed of a Skydiver (Terminal Velocity)». The Physics Factbook. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
• U.S. Fish and Wildlife Service. «All About the Peregrine Falcon.» December 20, 2007.
• The Ballistician. «Bullets in the Sky». W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, March 2001.

Свободное падение тела — это его равнопеременное движение, которое происходит под действием силы тяжести. В этот момент другие силы, которые могут воздействовать на тело либо отсутствуют, либо настолько малы, что их влияние не учитывается. Например, когда парашютист прыгает из самолета, первые несколько секунд после прыжка он падает в свободном состоянии. Этот короткий отрезок времени характеризуется ощущением невесомости, сходным с тедж.м, что испытывают космонавты на борту космического корабля.

История открытия явления

О свободном падении тела ученые узнали еще в Средневековье: Альберт Саксонский и Николай Орем изучали это явление, но некоторые их выводы были ошибочными. Например, они утверждали, что скорость падающего тяжелого предмета возрастает прямо пропорционально пройденному расстоянию. В 1545 году поправку этой ошибки сделал испанский ученый Д. Сото, установивший факт, что скорость падающего тела увеличивается пропорционально времени, которое проходит от начала падения этого предмета.

В 1590 г. итальянский физик Галилео Галилей сформулировал закон, который устанавливает четкую зависимость пройденного падающим предметом пути от времени. Также ученым было доказано, что при отсутствии воздушного сопротивления все предметы на Земле падают с одинаковым ускорением, хотя до его открытия было принято считать, что тяжелые предметы падают быстрее.

Была открыта новая величина — ускорение свободного падения, которое состоит из двух составляющих: гравитационного и центробежного ускорений. Обозначается ускорение свободного падения буквой g и имеет различное значение для разных точек земного шара: от 9,78 м/с² (показатель для экватора) до 9,83 м/с² (значение ускорения на полюсах). На точность показателей влияют долгота, широта, время суток и некоторые другие факторы.

Стандартное значение g принято считать равным 9,80665 м/с². В физических расчетах, которые не требуют соблюдения высокой точности, значение ускорения принимают за 9,81 м/с². Для облегчения расчетов допускается принимать значение g равным 10 м/с².

Для того чтобы продемонстрировать, как предмет падает в соответствии с открытием Галилея, ученые устраивают такой опыт: в длинную стеклянную трубку помещают предметы с различной массой, из трубки выкачивают воздух. После этого трубку переворачивают, все предметы под действием силы тяжести падают одновременно на дно трубки, независимо от их массы.

Когда эти же предметы помещены в какую-либо среду, одновременно с силой тяжести на них действует сила сопротивления, поэтому предметы в зависимости от своей массы, формы и плотности будут падать в разное время.

Формулы для расчетов

Существуют формулы, с помощью которых можно рассчитывать различные показатели, связанные со свободным падением. В них используются такие условные обозначения:

1. u — конечная скорость, с которой перемещается исследуемое тело, м/с;
2. h — высота, с которой перемещается исследуемое тело, м;
3. t — время перемещения исследуемого тела, с;
4. g — ускорение (постоянная величина, равная 9,8 м/с²).

Формула для определения расстояния, пройденного падающим предметом при известной конечной скорости и времени падения: h = ut /2.

Формула для расчета расстояния, пройденного падающим предметом по постоянной величине g и времени: h = gt ²/2.

Формула для определения скорости падающего предмета в конце падения при известном времени падения: u = gt .

Формула для расчета скорости предмета в конце падения, если известна высота, с которой падает исследуемый предмет: u = √2 gh.

Интересные факты

Если не углубляться в научные знания, бытовое определение свободного перемещения подразумевает передвижение какого-либо тела в земной атмосфере, когда на него не воздействуют никакие посторонние факторы, кроме сопротивления окружающего воздуха и силы тяжести.

В различное время добровольцы соревнуются между собой, пытаясь установить личный рекорд. В 1962 г. испытатель-парашютист из СССР Евгений Андреев установил рекорд, который был занесен в Книгу рекордов Гиннеса: при прыжке с парашютом в свободном падении он преодолел расстояние в 24500 м, во время прыжка не был использован тормозной парашют.

В 1960 г. американец Д. Киттингер совершил парашютный прыжок с высоты 31 тыс. м, но с использованием парашютно-тормозной установки.

В 2005 г. была зафиксирована рекордная скорость при свободном падении — 553 км/ч, а через семь лет установлен новый рекорд — эта скорость была увеличена до 1342 км/ч. Этот рекорд принадлежит австрийскому парашютисту Феликсу Баумгартнеру, который известен во всем мире своими опасными трюками.

Видео

Посмотрите интересное и познавательное видео, которое расскажет вам о скорости падения тел.