Velocità terminale e caduta libera
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La velocità terminale e la caduta libera sono due concetti correlati che tendono a confondersi perché dipendono dal fatto che un corpo si trovi nello spazio vuoto o in un fluido (ad es. Atmosfera e persino acqua). Dai un'occhiata alle definizioni e alle equazioni dei termini, come sono correlate e quanto velocemente un corpo cade in caduta libera o alla velocità terminale in condizioni diverse.
Definizione velocità terminale
La velocità terminale è definita come la velocità massima che può essere raggiunta da un oggetto che cade attraverso un fluido, come aria o acqua. Quando viene raggiunta la velocità terminale, la forza di gravità verso il basso è uguale alla somma della galleggiabilità dell'oggetto e della forza di resistenza. Un oggetto a cui una velocità terminale ha un'accelerazione netta zero.
Equazione di velocità terminale
Esistono due equazioni particolarmente utili per trovare la velocità terminale. Il primo è per la velocità terminale senza tener conto dell'assetto:
Vt = (2mg / ρACd)1/2
dove:
- Vt è la velocità terminale
- m è la massa dell'oggetto che sta cadendo
- g è l'accelerazione dovuta alla gravità
- Cd è il coefficiente di resistenza
- ρ è la densità del fluido attraverso cui l'oggetto cade
- A è l'area della sezione trasversale proiettata dall'oggetto
Nei liquidi, in particolare, è importante tenere conto della galleggiabilità dell'oggetto. Il principio di Archimede viene utilizzato per spiegare lo spostamento del volume (V) da parte della massa. L'equazione diventa quindi:
Vt = [2 (m - ρV) g / ρACd]1/2
Definizione di caduta libera
L'uso quotidiano del termine "caduta libera" non è lo stesso della definizione scientifica. Nell'uso comune, un subacqueo è considerato in caduta libera al raggiungimento della velocità terminale senza paracadute. In realtà, il peso del sommozzatore è supportato da un cuscino d'aria.
La caduta libera è definita secondo la fisica newtoniana (classica) o in termini di relatività generale. Nella meccanica classica, la caduta libera descrive il movimento di un corpo quando l'unica forza che agisce su di esso è la gravità. La direzione del movimento (su, giù, ecc.) Non è importante. Se il campo gravitazionale è uniforme, agisce allo stesso modo su tutte le parti del corpo, rendendolo "senza peso" o sperimentando "0 g". Sebbene possa sembrare strano, un oggetto può trovarsi in caduta libera anche quando si muove verso l'alto o all'inizio del suo movimento. Un paracadutista che salta dall'esterno dell'atmosfera (come un salto HALO) raggiunge quasi la vera velocità terminale e la caduta libera.
In generale, fintanto che la resistenza all'aria è trascurabile rispetto al peso di un oggetto, può raggiungere la caduta libera. Esempi inclusi:
- Un veicolo spaziale nello spazio senza un sistema di propulsione innestato
- Un oggetto lanciato verso l'alto
- Un oggetto è caduto da una torre di lancio o in un tubo di lancio
- Una persona che salta in piedi
Al contrario, gli oggetti non in caduta libera includono
- Un uccello in volo
- Un aereo in volo (perché le ali forniscono ascensore)
- Usando un paracadute (perché contrasta la gravità con la resistenza e in alcuni casi può fornire ascensore)
- Un paracadutista che non usa un paracadute (perché la forza di resistenza è uguale al suo peso alla velocità terminale)
Nella relatività generale, la caduta libera è definita come il movimento di un corpo lungo un geodetico, con la gravità descritta come curvatura spazio-temporale.
