السرعة النهائية والسقوط الحر مفهومان مرتبطان يميلان إلى الخلط لأنهما يعتمدان على ما إذا كان الجسم في مساحة فارغة أو في سائل (على سبيل المثال، الغلاف الجوي أو حتى الماء).
سنشرح لك في مقالتنا تعريفات ومعادلات المصطلحات، وكيفية ارتباطها، ومدى سرعة سقوط الجسم في السقوط الحر أو السرعة النهائية في ظل ظروف مختلفة.
تعريف السرعة النهائية.
تُعرَّف السرعة النهائية بأنها أعلى سرعة يمكن تحقيقها بواسطة جسم يسقط عبر سائل، مثل الهواء أو الماء.
عند الوصول إلى السرعة 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 النهائية دون مراعاة الطفو:
Vt = [2 (m – ρV) g / A Cd] 1/2
حيث أن:
- 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 السرعة 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”.
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.
بالنسبة للسقوط الحر، فالامثلة 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 تمثّل 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 السرعة 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 أن:
- 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 البوزون في فيزياء الجسيمات؟
ما مدى السرعة النهائية؟ إلى أي مدى يمكنك أن تسقط؟
نظرًا لأن السرعة النهائية تعتمد على السحب والمقطع العرضي لجسم ما، فلا توجد سرعة واحدة للسرعة النهائية.
بشكل عام، الشخص الذي يسقط في الهواء على الأرض يصل إلى السرعة 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 أو 121 ميلاً في الساعة).
إذا سحب لاعب القفز بالمظلات ذراعيه وساقيه، ينخفض المقطع العرضي له، مما يؤدي إلى زيادة السرعة النهائية إلى حوالي 320 كم / ساعة (90 م / ث أو أقل بقليل من 200 ميل في الساعة).
هذا هو نفس السرعة النهائية التي يحققها الصقر الشاهين للغوص من أجل الفريسة أو رصاصة تسقط بعد سقوطها أو إطلاقها لأعلى.
تم تحديد السرعة النهائية القياسية العالمية بواسطة فيليكس بومغارتنر، الذي قفز من 39,000 متر ووصل إلى سرعة نهائية تبلغ 1،341 كم / ساعة (834 ميل في الساعة).