Eindsnelheid en vrije val

Eindsnelheid en vrije val zijn twee verwante concepten die de neiging hebben verwarrend te worden omdat ze afhangen van het feit of een lichaam zich al dan niet in een lege ruimte of in een vloeistof bevindt (bijvoorbeeld in de atmosfeer of zelfs in water). Bekijk de definities en vergelijkingen van de termen, hoe ze gerelateerd zijn en hoe snel een lichaam in vrije val valt of met eindsnelheid onder verschillende omstandigheden.

Definitie van eindsnelheid

Eindsnelheid wordt gedefinieerd als de hoogste snelheid die kan worden bereikt door een object dat door een vloeistof valt, zoals lucht of water. Wanneer eindsnelheid wordt bereikt, is de neerwaartse zwaartekracht gelijk aan de som van het drijfvermogen van het object en de sleepkracht. Een object met een eindsnelheid heeft nul netto versnelling.

Terminal Velocity-vergelijking

Er zijn twee bijzonder nuttige vergelijkingen voor het vinden van eindsnelheid. De eerste is voor eindsnelheid zonder rekening te houden met drijfvermogen:

V_t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

waar:

• V_t is de eindsnelheid
• m is de massa van het object dat valt
• g is versnelling door zwaartekracht
• C_d is de sleepcoëfficiënt
• ρ is de dichtheid van de vloeistof waardoor het object valt
• A is het dwarsdoorsnedegebied geprojecteerd door het object

Vooral in vloeistoffen is het belangrijk om rekening te houden met het drijfvermogen van het object. Het principe van Archimedes wordt gebruikt om de verplaatsing van volume (V) door de massa te verklaren. De vergelijking wordt dan:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Definitie van vrije val

Het dagelijkse gebruik van de term "vrije val" is niet hetzelfde als de wetenschappelijke definitie. Bij normaal gebruik wordt een luchtduiker geacht in vrije val te zijn bij het bereiken van eindsnelheid zonder parachute. In werkelijkheid wordt het gewicht van de luchtduiker ondersteund door een luchtkussen.

Vrije val wordt gedefinieerd volgens de Newtoniaanse (klassieke) fysica of in termen van algemene relativiteitstheorie. In de klassieke mechanica beschrijft vrije val de beweging van een lichaam wanneer de enige kracht die erop inwerkt zwaartekracht is. De richting van de beweging (omhoog, omlaag, enz.) Is onbelangrijk. Als het zwaartekrachtveld uniform is, werkt het gelijkelijk op alle delen van het lichaam, waardoor het "gewichtloos" wordt of "0 g" ervaart. Hoewel het misschien vreemd lijkt, kan een object zich in een vrije val bevinden, zelfs wanneer het omhoog of helemaal in beweging is. Een skydiver die van buiten de atmosfeer springt (zoals een HALO-sprong) bereikt bijna een echte eindsnelheid en vrije val.

Over het algemeen kan, zolang de luchtweerstand verwaarloosbaar is met betrekking tot het gewicht van een object, een vrije val bereiken. Voorbeelden hiervan zijn:

• Een ruimtevaartuig in de ruimte zonder een voortstuwingssysteem ingeschakeld
• Een object naar boven gegooid
• Een object is uit een valtoren of in een valbuis gevallen
• Een persoon die omhoog springt

Objecten daarentegen niet in vrije val omvatten

• Een vliegende vogel
• Een vliegend vliegtuig (omdat de vleugels lift bieden)
• Een parachute gebruiken (omdat het de zwaartekracht tegengaat met slepen en in sommige gevallen lift kan bieden)
• Een skydiver die geen parachute gebruikt (omdat de sleepkracht gelijk is aan zijn gewicht bij eindsnelheid)

In de algemene relativiteitstheorie wordt vrije val gedefinieerd als de beweging van een lichaam langs een geodetische, met zwaartekracht beschreven als ruimte-tijd kromming.