Endgeschwindigkeit und freier Fall

Endgeschwindigkeit und freier Fall sind zwei verwandte Konzepte, die dazu neigen, verwirrend zu werden, da sie davon abhängen, ob sich ein Körper im leeren Raum oder in einer Flüssigkeit befindet (z. B. und Atmosphäre oder sogar Wasser). Schauen Sie sich die Definitionen und Gleichungen der Begriffe an, wie sie zusammenhängen und wie schnell ein Körper unter verschiedenen Bedingungen im freien Fall oder mit Endgeschwindigkeit fällt.

Definition der Endgeschwindigkeit

Die Endgeschwindigkeit ist definiert als die höchste Geschwindigkeit, die von einem Objekt erreicht werden kann, das durch eine Flüssigkeit wie Luft oder Wasser fällt. Wenn die Endgeschwindigkeit erreicht ist, entspricht die nach unten gerichtete Schwerkraft der Summe aus Auftrieb und Widerstandskraft des Objekts. Ein Objekt mit einer Endgeschwindigkeit hat eine Nettobeschleunigung von Null.

Endgeschwindigkeitsgleichung

Es gibt zwei besonders nützliche Gleichungen zum Ermitteln der Endgeschwindigkeit. Die erste bezieht sich auf die Endgeschwindigkeit ohne Berücksichtigung des Auftriebs:

V_t = (2 mg / pAC_d)^1/2

wo:

• V_t ist die Endgeschwindigkeit
• m ist die Masse des fallenden Objekts
• g ist die Erdbeschleunigung
• C_d ist der Luftwiderstandsbeiwert
• ρ ist die Dichte der Flüssigkeit, durch die das Objekt fällt
• A ist die vom Objekt projizierte Querschnittsfläche

Insbesondere in Flüssigkeiten ist es wichtig, den Auftrieb des Objekts zu berücksichtigen. Das Archimedes-Prinzip wird verwendet, um die Verschiebung des Volumens (V) durch die Masse zu berücksichtigen. Die Gleichung lautet dann:

V_t = [2 (m - pV) g / pAC_d]^1/2

Freier Fall Definition

Der alltägliche Gebrauch des Begriffs "freier Fall" entspricht nicht der wissenschaftlichen Definition. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird davon ausgegangen, dass sich ein Fallschirmspringer beim Erreichen der Endgeschwindigkeit ohne Fallschirm im freien Fall befindet. Tatsächlich wird das Gewicht des Himmeltauchers von einem Luftkissen getragen.

Der freie Fall wird entweder nach der Newtonschen (klassischen) Physik oder nach der allgemeinen Relativitätstheorie definiert. In der klassischen Mechanik beschreibt der freie Fall die Bewegung eines Körpers, wenn die einzige auf ihn einwirkende Kraft die Schwerkraft ist. Die Bewegungsrichtung (hoch, runter usw.) ist unwichtig. Wenn das Gravitationsfeld gleichmäßig ist, wirkt es auf alle Körperteile gleich, wodurch es "schwerelos" wird oder "0 g" erfährt. Obwohl es seltsam erscheinen mag, kann sich ein Objekt im freien Fall befinden, selbst wenn es sich nach oben oder oben bewegt. Ein Fallschirmspringer, der von außerhalb der Atmosphäre springt (wie ein HALO-Sprung), erreicht beinahe die wahre Endgeschwindigkeit und den freien Fall.

Im Allgemeinen kann ein freier Fall erzielt werden, solange der Luftwiderstand in Bezug auf das Gewicht eines Objekts vernachlässigbar ist. Beispiele beinhalten:

• Ein Raumfahrzeug im Weltraum ohne Antriebssystem
• Ein nach oben geworfener Gegenstand
• Ein Gegenstand fiel von einem Fallturm oder in eine Fallröhre
• Eine Person sprang auf

Im Gegensatz dazu Objekte nicht im freien Fall enthalten

• Ein fliegender Vogel
• Ein fliegendes Flugzeug (weil die Flügel für Auftrieb sorgen)
• Verwendung eines Fallschirms (da er der Schwerkraft durch Ziehen entgegenwirkt und in einigen Fällen für Auftrieb sorgt)
• Ein Fallschirmspringer, der keinen Fallschirm benutzt (weil die Zugkraft seinem Gewicht bei Endgeschwindigkeit entspricht)

In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird der freie Fall als Bewegung eines Körpers entlang einer Geodätik definiert, wobei die Schwerkraft als Raum-Zeit-Krümmung bezeichnet wird.