Mecànica
Velocitat límit
Observa com la velocitat s'estabilitza molt abans d'aterrar, i com l'acceleració (a) tendeix a 0 quan la resistència de l'aire iguala la gravetat.
Velocitat límit — simulació interactiva de Mecànica. Observa com la velocitat s'estabilitza molt abans d'aterrar, i com l'acceleració (a) tendeix a 0 quan la resistència de l'aire iguala la gravetat. Laboratori virtual de física gratuït al navegador, amb mesures SI en directe i tutorial guiat.
Velocitat límit
A mesura que un objecte que cau s'accelera, l'arrossegament de l'aire creix fins que equilibra el pes. L'acceleració llavors cau a zero i la velocitat s'estabilitza.
Abans de la velocitat límit, el pes supera l'arrossegament i l'objecte s'accelera. Quan la velocitat creix, l'arrossegament augmenta fins que la força resultant és zero. L'objecte llavors cau a una velocitat límit gairebé constant.
- F_net = mg − F_drag
- At terminal speed: a → 0
Resum de la investigació
Planifica la pregunta abans d'obrir el laboratori
El resum reflecteix la pàgina prerenderitzada: la pregunta conductora, les prediccions rivals, els rols de les variables, les lleis que governen, la configuració, l'anàlisi i les preguntes d'extensió es mantenen visibles i en aquest ordre.
Pregunta conductora
Un paracaigudista cau per l'aire, que li torna una força d'arrossegament que creix amb la velocitat. Si el paracaigudista canvia la posició del cos per augmentar aquell arrossegament, la seva velocitat de caiguda estable (velocitat límit) acaba sent més alta, més baixa o igual que amb menys arrossegament?
Prediccions a valorar
- Més arrossegament dóna una velocitat límit més alta
- La velocitat límit és la mateixa sigui quina sigui l'arrossegament
- Més arrossegament dóna una velocitat límit més baixa
Rols de les variables
El que tu defines:
- Massa (kg)
- Arrossegament de l'aire
El que tu mesures:
- Velocitat límit (m/s)
- KE a la velocitat límit (J)
Com funciona la investigació
- Obre el predefinit de Velocitat límit. Un paracaigudista (bola) comença a la part alta de l'escena i cau per gravetat mentre l'arrossegament de l'aire actua sobre ell.
- Comprova que la sonda de velocitat és adjunta al paracaigudista, i revisa'n la massa i el valor d'arrossegament de l'aire (frictionAir) al panell de Propietats.
- Per a cada fila de sota, defineix al panell de Propietats la massa i l'arrossegament del paracaigudista, executa la simulació fins que la lectura de velocitat de la sonda deixi de canviar (s'acostarà a un valor estable abans d'arribar a terra) i enregistra aquella velocitat estable.
Equació governant
Segona llei de Newton en equilibri — F = m·a
La força resultant iguala massa per acceleració. A mesura que el paracaigudista s'accelera, la força d'arrossegament cap amunt creix fins que equilibra exactament l'estirada gravitatòria cap avall: la força resultant (i per tant l'acceleració) cau a zero i la velocitat deixa de canviar. Aquella velocitat estable és la velocitat límit que has mesurat.
Energia cinètica — KE = ½·m·v²
L'energia cinètica és mitja massa per velocitat al quadrat. Un cop el paracaigudista assoleix la velocitat límit, aquesta és l'energia cinètica que porta la resta de la caiguda: energia que la resistència de l'aire elimina contínuament com a calor, mantenint la velocitat constant.
El que el full imprimible demana treballar a l'alumne
- Per a cada fila, multiplica la velocitat límit mesurada pel valor d'arrossegament i després per 60. Hauries d'arribar a prop de 9.8 × (1 − arrossegament), no exactament 9.8. Per què? La simulació aplica l'arrossegament un cop per fotograma i no contínuament, i això costa exactament un factor d'(1 − arrossegament). Què et diu l'equilibri sobre les forces un cop el paracaigudista deixa d'accelerar?
- Totes les files fan servir la mateixa massa. Apareix la massa enlloc de la relació que has trobat a la pregunta anterior? Segons les teves dades, un paracaigudista més pesant assoleix una velocitat límit diferent d'un de lleuger en aquesta simulació?
On apareix això més enllà del laboratori
- La resistència de l'aire real creix amb el quadrat de la velocitat, no directament amb la velocitat, i la seva força depèn de la secció i la massa de l'objecte. Prediu com canviaria la velocitat límit d'un paracaigudista real entre una posició de panxa enlaire «en creu» i un capbusso de peus primer, i per què la massa importa per a un paracaigudista real tot i que no ho feia a les teves dades de sobre.
- Un paracaigudista obre el paracaigudes, cosa que incrementa de cop el seu arrossegament. Amb la relació que has trobat, prediu què passa amb la seva velocitat de caiguda just després que la campana s'obri, i explica per què no salta instantàniament a la nova velocitat límit.
- 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
- Benvingut a Velocitat límit
- Selecciona el paracaigudista
- Prem Reprodueix
- La velocitat s'estabilitza
- Obre les dades
- Ho has aconseguit!
Obre la simulació interactiva per construir l'escena, prem Reprodueix i explora amb mesures en directe i un tutorial guiat.
Obre el laboratori interactiu →
Descarrega el full de treball →