السرعة النهائية: السقوط عبر مقاومة الهواء

1 · توقّع

يسقط مظلي في الهواء الذي يرد عليه بقوة سحب تنمو مع السرعة. إذا غيّر المظلي وضع جسمه لزيادة مقاومة الهواء، فهل سرعة سقوطه المستقرة (السرعة النهائية) تصبح أعلى أم أدنى أم كما هي؟

• مقاومة هواء أكبر تعطي سرعة نهائية أعلى
• السرعة النهائية نفسها مهما كانت مقاومة الهواء
• مقاومة هواء أكبر تعطي سرعة نهائية أدنى

2 · التجهيز

1. افتح تجربة السرعة النهائية. يبدأ مظلي (كرة) قرب أعلى المشهد ويسقط تحت الجاذبية مع تأثير مقاومة الهواء عليه.
2. تأكد من تثبيت مسبر السرعة على المظلي، ثم افحص كتلته وقيمة مقاومة الهواء (frictionAir) في لوحة الخصائص.
3. لكل صف أدناه، اضبط كتلة المظلي ومقاومة الهواء في لوحة الخصائص لتطابق الجدول، وشغّل المحاكاة حتى تتوقف قراءة سرعة المسبر عن التغير (تقترب من قيمة مستقرة قبل بلوغ المظلي الأرض)، وسجّل تلك السرعة المستقرة.

3 · اجمع البيانات

ارسم مقاومة الهواء (المحور x) مقابل السرعة النهائية التي قستها (المحور y). هل العلاقة خط مستقيم؟ ما شكلها؟

4 · حلّل

1. لكل صف اضرب السرعة النهائية التي قستها في قيمة مقاومة الهواء ثم في 60. ينبغي أن تهبط قريبًا من 9.8 × (1 − air drag) لا 9.8 بالضبط. لماذا؟ تطبق المحاكاة السحب مرة كل إطار لا على نحو مستمر، وذلك يكلف عامل (1 − air drag) واحدًا بالضبط. ماذا يخبرك التوازن عن القوى بعد أن يتوقف المظلي عن التسارع؟
2. كل الصفوف بالكتلة نفسها. هل تظهر الكتلة في العلاقة التي وجدتها في السؤال السابق؟ بحسب بياناتك، هل يبلغ مظلي أثقل سرعة نهائية مختلفة عن أخف في هذه المحاكاة؟

5 · وسّع

1. مقاومة الهواء الحقيقية تنمو مع مربع السرعة لا مع السرعة مباشرة، وتعتمد شدتها على المقطع العرضي للجسم وكتلته. تنبأ كيف تتغير السرعة النهائية لمظلي حقيقي بين وضع «النسر المفرود» بوضع البطن وبين الغطسة بالقدمين — ولماذا تهم الكتلة لمظلي حقيقي رغم أنها لم تهم في بياناتك أعلاه.
2. يفتح مظلي مظلته فتزيد مقاومة هوائه زيادة حادة. بالعلاقة التي وجدتها، تنبأ بما يحدث لسرعة سقوطه بعد لحظة من فتح المظلة، واشرح لماذا لا يقفز فورًا إلى السرعة النهائية الجديدة.

الفيزياء خلف هذه التجربة

← عودة إلى التجربة