터미널 속도와 자유 낙하는 신체가 빈 공간인지 또는 유체 (예 :대기 또는 물)에 의존하기 때문에 혼란스러워하는 두 가지 관련 개념입니다. 용어의 정의와 방정식, 관련 방법 및 다른 조건에서 자유 낙하 또는 터미널 속도에서 신체가 얼마나 빨리 떨어지는지를 살펴보십시오.
.터미널 속도 정의
말기 속도는 공기 또는 물과 같이 유체를 통해 떨어지는 물체에 의해 달성 될 수있는 최고 속도로 정의됩니다. 말기 속도에 도달하면 중력 하향 힘은 물체 부력의 합 및 항력의 합과 같습니다. 터미널 속도의 물체는 순 가속도가 0입니다.
터미널 속도 방정식
터미널 속도를 찾는 데 특히 유용한 두 가지 방정식이 있습니다. 첫 번째는 부력을 고려하지 않고 터미널 속도를위한 것입니다 :
v t =(2mg/ρac d )
여기서 :
- v t 터미널 속도 입니다
- m은 떨어지는 물체의 질량입니다
- g는 중력으로 인해 가속입니다
- c d 드래그 계수 입니다
- ρ는 물체가 떨어지는 유체의 밀도입니다
- a는 물체 에 의해 투사 된 단면 영역입니다
특히 액체에서는 물체의 부력을 설명하는 것이 중요합니다. Archimedes의 원리는 질량에 의한 부피 (v)의 변위를 설명하는 데 사용됩니다. 그런 다음 방정식은 다음과 같습니다.
v t =[2 (m -ρv) g/ρac d ]
자유 가을 정의
"자유 낙하"라는 용어의 일상적인 사용은 과학적 정의와 동일하지 않습니다. 일반적인 사용으로, 스카이 다이버는 낙하산없이 말기 속도를 달성 할 때 자유 낙상에있는 것으로 간주됩니다. 실제로, 스카이 다이버의 무게는 공기 쿠션으로지지됩니다.
자유 낙하는 뉴턴 (클래식) 물리학 또는 일반 상대성에 따라 정의됩니다. 고전적인 역학에서 자유 낙하는 신체의 움직임을 묘사합니다. 운동의 방향 (위, 아래로)은 중요하지 않습니다. 중력장이 균일 한 경우 신체의 모든 부분에서 똑같이 작용하여 "무중력"또는 "0 g"를 경험합니다. 이상하게 보일지 모르지만, 위쪽으로 움직이거나 움직임의 상단으로 이동할 때에도 물체는 자유 가을에있을 수 있습니다. 대기 (후광 점프와 같은)에서 점프하는 스카이 다이버는 진정한 터미널 속도와 자유 낙하를 거의 달성합니다.
일반적으로 공기 저항이 물체의 무게와 관련하여 무시할 수있는 한 자유 낙하를 달성 할 수 있습니다. 예는 다음과 같습니다.
- 추진 시스템이없는 우주의 우주선
- 물체가 위로 던져졌습니다
- 물체가 드롭 타워에서 또는 드롭 튜브로 떨어졌습니다
- 점프하는 사람
대조적으로, 물체 not 자유 가을에는 다음이 포함됩니다.
- 날아 다니는 새
- 비행 항공기 (날개가 리프트를 제공하기 때문에)
- 낙하산 사용 (중력을 드래그와 카운팅하고 경우에 따라 리프트를 제공 할 수 있기 때문에
- 낙하산을 사용하지 않는 스카이 다이버 (드래그 력이 말기 속도에서 체중과 같기 때문에)
일반적으로 상대성 이론에서 자유 낙하는 시공간 곡률로 묘사 된 중력과 함께 측지를 따라 신체의 움직임으로 정의됩니다.
자유 낙하 방정식
물체가 행성의 표면을 향해 떨어지고 중력의 힘이 공기 저항력보다 훨씬 크거나 속도가 말단 속도보다 훨씬 적 으면 자유 낙하의 수직 속도가 다음과 같이 근사 될 수 있습니다.
v t =gt + v 0
여기서 :
- v t 초당 미터의 수직 속도 입니다
- v 0 초기 속도 (m/s) 입니다
- g는 중력으로 인한 가속도입니다 (지구 근처 약 9.81m/s)
- t는 경과 시간 입니다
터미널 속도는 얼마나 빠르나요? 얼마나 멀리 떨어져 있습니까?
터미널 속도는 드래그와 물체의 단면에 의존하기 때문에 터미널 속도에는 속도가 하나도 없습니다. 일반적으로 지구상의 공기를 통해 떨어지는 사람은 약 12 초 후에 말기 속도에 도달하며 약 450 미터 또는 1500 피트입니다.
배꼽에서 지구 위치의 스카이 다이버는 약 195km/hr (54m/s 또는 121mph)의 터미널 속도에 도달합니다. 스카이 다이버가 팔과 다리를 당기면 그의 단면이 감소하여 터미널 속도가 약 320km/hr (90m/s 또는 200mph)로 증가합니다. 이것은 Prey를 위해 Peregrine Falcon 다이빙에 의해 달성 된 터미널 속도 또는 떨어지거나 상향 발사 된 후 떨어지는 총알과 거의 동일합니다. 세계 기록 터미널 속도는 39,000 미터에서 뛰어 내려 1,341km/hr (834mph)의 터미널 속도에 도달 한 Felix Baumgartner에 의해 설정되었습니다.
참조 및 추가 읽기
- Huang, Jian. "스카이 다이버의 속도 (터미널 속도)". 물리학 사실. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
- U.S. 어류 및 야생 동물 서비스. "Peregrine Falcon에 관한 모든 것." 2007 년 12 월 20 일.
- 탄도인. "하늘의 총알". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, 2001 년 3 월.
