Οριακή ταχύτητα: Πτώση μέσα σε αντίσταση

1 · Πρόβλεψε

Ένας αλεξιπτωτιστής πέφτει στον αέρα, που ανταποδίδει με δύναμη αντίστασης που μεγαλώνει με την ταχύτητα. Αν ο αλεξιπτωτιστής ρυθμίσει τη θέση του σώματός του για να αυξήσει την αντίσταση του αέρα, θα καταλήξει η σταθερή ταχύτητα πτώσης του (οριακή ταχύτητα) υψηλότερη, χαμηλότερη ή ίδια με λιγότερη αντίσταση;

• Περισσότερη αντίσταση αέρα δίνει υψηλότερη οριακή ταχύτητα
• Η οριακή ταχύτητα είναι ίδια ανεξαρτήτως αντίστασης αέρα
• Περισσότερη αντίσταση αέρα δίνει χαμηλότερη οριακή ταχύτητα

2 · Διάταξη

1. Άνοιξε την προεπιλογή Οριακή ταχύτητα. Ένας αλεξιπτωτιστής (μπάλα) ξεκινά κοντά στην κορυφή της σκηνής και πέφτει υπό βαρύτητα ενώ δρα πάνω του η αντίσταση του αέρα.
2. Επιβεβαίωσε ότι ο αισθητήρας ταχύτητας είναι συνδεδεμένος στον αλεξιπτωτιστή, μετά έλεγξε τη μάζα του και την τιμή αντίστασης αέρα (frictionAir) στο πάνελ Ιδιότητες.
3. Για κάθε γραμμή παρακάτω, ρύθμισε τη μάζα του αλεξιπτωτιστή και την αντίσταση αέρα στο πάνελ Ιδιότητες ώστε να ταιριάζουν, τρέξε την προσομοίωση μέχρι η ένδειξη ταχύτητας του αισθητήρα να πάψει να αλλάζει (θα πλησιάσει σταθερή τιμή πριν ο αλεξιπτωτιστής φτάσει στο δάπεδο), και κατέγραψε αυτή τη σταθερή ταχύτητα.

3 · Συλλογή Δεδομένων

Χάραξε την αντίσταση αέρα (άξονας x) έναντι της οριακής ταχύτητας που μέτρησες (άξονας y). Είναι η σχέση ευθεία γραμμή; Τι σχήμα έχει;

4 · Ανάλυση

1. Για κάθε γραμμή, πολλαπλασίασε την μετρημένη οριακή ταχύτητα με την τιμή αντίστασης αέρα και μετά με 60. Θα πρέπει να καταλήξεις κοντά στο 9.8 × (1 − αντίσταση αέρα), όχι ακριβώς 9.8. Γιατί; Η προσομοίωση εφαρμόζει την αντίσταση μία φορά ανά καρέ αντί συνεχώς, και αυτό κοστίζει ακριβώς έναν παράγοντα (1 − αντίσταση αέρα). Τι σου λέει ακόμη η ισορροπία για τις δυνάμεις μόλις ο αλεξιπτωτιστής πάψει να επιταχύνει;
2. Κάθε γραμμή χρησιμοποιεί την ίδια μάζα. Εμφανίζεται η μάζα κάπου στη σχέση που βρήκες στην προηγούμενη ερώτηση; Με βάση τα δεδομένα σου, φτάνει ένας βαρύτερος αλεξιπτωτιστής διαφορετική οριακή ταχύτητα από έναν ελαφρύτερο σε αυτή την προσομοίωση;

5 · Επέκταση

1. Η πραγματική αντίσταση του αέρα μεγαλώνει με το τετράγωνο της ταχύτητας, όχι ευθέως με την ταχύτητα, και η ισχύς της εξαρτάται από το εμβαδόν διατομής και τη μάζα του αντικειμένου. Πρόβλεψε πώς θα άλλαζε η οριακή ταχύτητα πραγματικού αλεξιπτωτιστή ανάμεσα σε θέση πλάτης-κάτω «ανοιχτός αετός» και βουτιά με τα πόδια κάτω — και γιατί η μάζα παίζει ρόλο για πραγματικό αλεξιπτωτιστή παρότι δεν έπαιζε στα δεδομένα σου παραπάνω.
2. Ένας αλεξιπτωτιστής ανοίγει αλεξίπτωτο, που αυξάνει απότομα την αντίσταση αέρα του. Χρησιμοποιώντας τη σχέση που βρήκες, πρόβλεψε τι θα γίνει με την ταχύτητα πτώσης του αμέσως μετά το άνοιγμα του θόλου, και εξήγησε γιατί δεν πηδά αμέσως στη νέα οριακή ταχύτητα.

Η Φυσική Πίσω από Αυτό το Πείραμα

← Πίσω στο πείραμα

138 δωρεάν εκτυπώσιμα φύλλα εργασίας φυσικής