Механика
Гранична скорост
Гледай как скоростта се изравнява далеч преди кацането, а ускорението (a) клони към 0, когато въздушното съпротивление настигна гравитацията.
Гранична скорост — интерактивна симулация Механика. Гледай как скоростта се изравнява далеч преди кацането, а ускорението (a) клони към 0, когато въздушното съпротивление настигна гравитацията. Безплатна виртуална физическа лаборатория в браузъра с живи SI измервания и упътване.
Гранична скорост
Докато падащ обект ускорява, въздушното съпротивление расте, докато уравновеси теглото. Ускорението тогава пада до нула и скоростта се изравнява.
Преди достигане на граничната скорост теглото надвишава съпротивлението и обектът ускорява. С нарастване на скоростта съпротивлението расте, докато равнодействващата сила стане нула. Обектът тогава пада с почти постоянна гранична скорост.
- F_net = mg − F_drag
- При гранична скорост: a → 0
Резюме на изследването
Планирай въпроса, преди да отвориш лабораторията
Краткото описание повтаря пререндерираната страница: водещият въпрос, съперничещите предсказвания, ролите на променливите, управляващите закони, постановката, анализът и разширяващите подсказки остават видими и в този ред.
Водещ въпрос
Скапокъртач пада във въздуха, който отвръща със съпротивление, растящо със скоростта. Ако той промени положението на тялото си, за да увеличи въздушното съпротивление, установената му скорост на падане (граничната скорост) става по-висока, по-ниска или същата, отколкото при по-малко съпротивление?
Предсказвания за преценка
- Повече въздушно съпротивление дава по-висока гранична скорост
- Граничната скорост е същата независимо от съпротивлението
- Повече въздушно съпротивление дава по-ниска гранична скорост
Роли на променливите
Какво задаваш ти:
- Маса (kg)
- Въздушно съпротивление
Какво измерваш:
- Гранична скорост (m/s)
- KE при гранична скорост (J)
Как протича изследването
- Отвори настройката гранична скорост. Скапокъртач (топка) започва близо до горната част на сцената и пада под гравитация, докато въздушното съпротивление действа на него.
- Провери, че сензорът за скорост е прикрепен към скапокъртача, после провери масата му и стойността на въздушното съпротивление (frictionAir) в панела Свойства.
- За всеки ред долу задай масата и въздушното съпротивление на скапокъртача в панела Свойства, пусни симулацията, докато показанието на скоростта на сензора спре да се променя (то ще приближава установена стойност преди скапокъртачът да достигне пода), и запиши тази установена скорост.
Управляващо уравнение
Втори закон на Нютон при равновесие — F = m·a
Равнодействващата сила е маса по ускорение. Докато скапокъртачът ускорява, възходящата сила на съпротивлението расте, докато точно уравновеси надолунатиснатата гравитация — равнодействващата сила (а значи и ускорението) пада до нула и скоростта спира да се променя. Тази установена скорост е измерената от теб гранична скорост.
Кинетична енергия — KE = ½·m·v²
Кинетичната енергия е половин маса по скорост на квадрат. Щом скапокъртачът достигне гранична скорост, това е кинетичната енергия, която носи до края на падането — енергия, която въздушното съпротивление непрекъснато отнема като топлина, поддържайки скоростта постоянна.
Какво иска да изчислят учениците печатният работен лист
- За всеки ред умножи измерената гранична скорост по стойността на въздушното съпротивление и после по 60. Трябва да се приземиш близо до 9.8 × (1 − air drag), не точно 9.8. Защо? Симулацията прилага съпротивлението веднъж на кадър, а не непрекъснато, и това струва точно един фактор (1 − air drag). Какво все пак ти казва балансът за силите, щом скапокъртачът спре да ускорява?
- Всеки ред ползва същата маса. Появява ли се масата някъде във връзката, която намери в предния въпрос? Според данните ти, достига ли по-тежък скапокъртач различна гранична скорост от по-лек в тази симулация?
Къде това се появява извън лабораторията
- Истинското въздушно съпротивление расте с квадрата на скоростта, не пряко с нея, и силата му зависи от напречното сечение и масата на обекта. Предскажи как би се променила граничната скорост на истински скапокъртач между положение „разперен корем надолу“ и гмуркане с краката — и защо масата има значение за истински скапокъртач, макар да нямаше в данните ти горе.
- Скапокъртач отваря парашут, който рязко увеличава въздушното му съпротивление. С връзката, която намери, предкажи какво става със скоростта му на падане веднага след отварянето, и обясни защо не скача мигновено на новата гранична скорост.
- AP Physics 1 — Unit 2: Force and Translational Dynamics
- AP Physics C: Mechanics — Unit 2: Force and Translational Dynamics
- IB Physics — A.2 Forces and momentum
- General High School Physics — Forces & Newton's laws
- NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law
- Добре дошъл при граничната скорост
- Избери скапокъртача
- Натисни Пусни
- Скоростта се изравнява
- Отвори данните
- Справи се!
Отвори интерактивната симулация, за да изградиш сцената, натисни Пусни и разгледай с живи измервания и насочено упътване.
Отвори интерактивната лаборатория →