السرعة النهائية والسقوط الحر مفهومان مرتبطان يميلان إلى الخلط لأنهما يعتمدان على ما إذا كان الجسم في مساحة فارغة أو في مائع (على سبيل المثال، الغلاف الجوي أو حتى الماء).
تعريف السرعة النهائية.
تُعرَّف السرعة النهائية بأنها أعلى سرعة يمكن تحقيقها بواسطة جسم يسقط عبر مائع، مثل الهواء أو الماء. عند الوصول إلى سرعته النهائية، تكون قوة الجاذبية الهابطة مساوية لمجموع طفو الجسم وقوة السحب. جسم بسرعة نهائية ليس له صافي تسارع.
معادلة السرعة النهائية.
هناك نوعان من المعادلات المفيدة بشكل خاص لإيجاد السرعة النهائية. الأول هو السرعة دون مراعاة الطفو:
Vt = (2mg/ρACd)1/2
حيث:
Vt هي السرعة النهائية.
m هي كتلة الجسم الساقط.
g هو تسارع الجاذبية.
Cd هو معامل السحب.
ρ هي كثافة السائل الذي يسقط من خلاله الجسم.
A هي منطقة المقطع العرضي المتوقعة من قبل الكائن.
في السوائل، على وجه الخصوص، من المهم حساب قابلية الطفو في الجسم. يستخدم مبدأ أرخميدس لحساب إزاحة الحجم (V) بالكتلة. ثم تصبح المعادلة:
Vt = [2 (m – ρV) g / ACd] 1/2
تعريف السقوط الحر.
الاستخدام اليومي لمصطلح “السقوط الحر” يختلف عن التعريف العلمي. في الاستخدام الشائع، يعتبر لاعب القفز بالمظلات في حالة سقوط حر عند تحقيق سرعته النهائية بدون مظلة.
في الواقع، يتم دعم وزن اللاعب بوسادة من الهواء. يتم تعريف السقوط الحر إما وفقًا للفيزياء النيوتونية (الكلاسيكية) أو من حيث النسبية العامة.
في الميكانيكا الكلاسيكية، يصف السقوط الحر حركة الجسم عندما تكون الجاذبية هي القوة الوحيدة المؤثرة عليه. اتجاه الحركة (أعلى، أسفل، إلخ) غير مهم.
إذا كان مجال الجاذبية موحدًا، فإنه يعمل بالتساوي في جميع أجزاء الجسم، مما يجعله “عديم الوزن” أو يختبر “0 جم”. على الرغم من أنه قد يبدو غريبًا، يمكن أن يكون الجسم في حالة سقوط حر حتى عند التحرك لأعلى أو في الجزء العلوي من حركته.
يقفز لاعب القفز بالمظلات من خارج الغلاف الجوي (مثل قفزة HALO) تقريبًا يحقق سرعة نهائية حقيقية وسقوطًا حرًا.
بشكل عام، طالما أن مقاومة الهواء لا تذكر فيما يتعلق بوزن الجسم، فيمكنها تحقيق السقوط الحر. الامثلة تشمل:
- مركبة فضائية في الفضاء بدون نظام دفع.
- كائن مقذوف لأعلى.
- سقوط جسم من برج إسقاط أو في أنبوب إسقاط.
- شخص يقفز.
في المقابل، تشمل الأشياء التي لا تقع في السقوط الحر ما يلي:
- طائر يطير.
- طائرة تحلق (لأن الأجنحة توفر قوة رفع).
- استخدام المظلة (لأنها تقاوم الجاذبية بالسحب وفي بعض الحالات قد توفر قوة رفع).
- لا يستخدم لاعب القفز المظلي مظلة (لأن قوة السحب تساوي وزنه عند سرعته النهائية).
معادلة السقوط الحر.
إذا كان جسم ما يسقط باتجاه سطح كوكب وكانت قوة الجاذبية أكبر بكثير من قوة مقاومة الهواء أو كانت سرعته أقل بكثير من السرعة النهائية، فيمكن تقريب السرعة الرأسية للسقوط الحر على النحو التالي:
vt = gt + v0
حيث:
vt هي السرعة العمودية بالأمتار في الثانية.
v0 هي السرعة الابتدائية (م / ث).
g هي التسارع الناتج عن الجاذبية (حوالي 9.81 م / ث 2 بالقرب من الأرض).
t هو الوقت (الأوقات) المنقضية.
إقرأ أيضاً… ما هو مصادم الهدرونات الكبير؟
ما مدى سرعة السرعة النهائية؟
نظرًا لأنها تعتمد على السحب والمقطع العرضي لجسم ما، فلا توجد سرعة واحدة للسرعة النهائية. بشكل عام، الشخص الذي يسقط في الهواء على الأرض يصل إلى سرعته النهائية بعد حوالي 12 ثانية، والتي تغطي حوالي 450 مترًا.
يصل لاعب القفز بالمظلات في وضع البطن إلى الأرض إلى سرعة نهائية تبلغ حوالي 195 كم / ساعة (54 م / ث). إذا سحب لاعب القفز بالمظلات ذراعيه وساقيه، ينخفض المقطع العرضي له، مما يؤدي إلى زيادة سرعته إلى حوالي 320 كم / ساعة (90 م / ث).
هذا هو نفس السرعة النهائية التي يحققها الصقر للغوص من أجل الفريسة أو رصاصة تسقط بعد سقوطها أو إطلاقها لأعلى. تم تحديد سرعته النهائية القياسية العالمية بواسطة فيليكس بومغارتنر. الذي قفز من 39000 متر ووصل إلى سرعة تبلغ 1،341 كم / ساعة.