Lõppkiirus: langemine takistusega

1 · Ennusta

Langevarjur langeb õhu läbi, mis lükkab vastu kiirusega kasvava takistusjõuga. Kui langevarjur kohandab oma kehaasendit õhutakistuse suurendamiseks, kas tema püsiv langemiskiirus (lõppkiirus) osutub kõrgemaks, madalamaks või samaks kui väiksema takistusega?

2 · Seadista

  1. Ava lõppkiiruse eelseadistus. Langevarjur (pall) alustab stseeni ülaservas ja langeb gravitatsiooni mõjul, samal ajal kui õhutakistus teda mõjutab.
  2. Kinnita, et kiiruse sond on langevarjurile kinnitatud, siis kontrolli tema massi ja õhutakistuse (frictionAir) väärtust Omaduste paneelil.
  3. Sea allpool iga rea jaoks langevarjuri mass ja õhutakistus Omaduste paneelil vastavaks, jooksuta simulatsiooni, kuni sondi kiiruse näit muutuda lakkab (see läheneb püsiväärtusele enne põrandat), ja kirjuta see püsiv kiirus üles.

3 · Kogu andmeid

Mass (kg)ÕhutakistusLõppkiirus (m/s)KE lõppkiirusel (J)
1.000.04
1.000.06
1.000.10

Joonista õhutakistus (x-telg) mõõdetud lõppkiiruse (y-telg) suhtes. Kas seos on sirge? Missugune kuju tal on?

4 · Analüüsi

  1. Korruta igas reas mõõdetud lõppkiirus õhutakistuse väärtuse ja seejärel 60-ga. Sa peaksid maanduma ligi 9,8 × (1 − õhutakistus), mitte täpselt 9,8 juures. Miks? Simulatsioon rakendab takistust korra kaadri kohta pigem kui pidevalt, ja see maksab täpselt ühe teguri (1 − õhutakistus). Mida jääkvus ikkagi ütleb jõudude kohta, kui langevarjur kiirendamise lõpetab?
  2. Iga rida kasutab sama massi. Kas mass ilmub kuskile eelmises küsimuses leitud seoses? Kas sinu andmete põhjal jõuab raskem langevarjur selles simulatsioonis teistsuguse lõppkiiruseni kui kergem?

5 · Laienda

  1. Päris õhutakistus kasvab kiiruse ruuduga, mitte otse kiirusega, ja tema tugevus sõltub eseme ristlõike pindalast ja massist. Ennusta, kuidas päris langevarjuri lõppkiirus muutuks lamaka „levis kotkas” ja jalad-all sukeldumise vahel — ja miks mass päris langevarjuri jaoks loeb, kuigi sinu ülaltoodud andmetes ei loonud.
  2. Langevarjur avab langevarju, mis teravalt suurendab tema õhutakistust. Kasutades leitud seost, ennusta, mis juhtub tema langemiskiirusega kohe pärast kupli avamist, ja selgita, miks ta ei hüppa koheselt uude lõppkiirusesse.

Selle eksperimendi füüsika

Newtoni teine seadus tasakaalus

Resultantjõud võrdub mass korda kiirendus. Langevarjuri kiirenedes kasvab ülespoole takistusjõud, kuni tasakaalustab täpselt gravitatsiooni allatõmbe — resultantjõud (ja seega kiirendus) langeb nullini ja kiirus lakkab muutumast. See püsiv kiirus on sinu mõõdetud lõppkiirus.

Kineetiline energia

Kineetiline energia on pool massist korda kiiruse ruut. Kui langevarjur jõuab lõppkiiruseni, on see kineetiline energia, mida ta langemise lõpuni kannab — energia, mida õhutakistus soojaustena pidevalt eemaldab, hoides kiiruse konstantsena.

← Tagasi eksperimendi juurde

Mehhaanika

138 tasuta prinditavat füüsika töölehte