Vitesse terminale : chute par traînée
1 · Prédire
Un parachutiste tombe dans l'air, qui s'oppose avec une force de traînée qui augmente avec la vitesse.
- Plus de traînée d'air donne une vitesse terminale plus élevée
- La vitesse terminale est la même quelle que soit la traînée aérienne
- Plus de traînée d'air donne une vitesse terminale plus faible
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage Terminal Velocity. Un parachutiste (balle) démarre près du haut de la scène et tombe sous l'effet de la gravité tandis que la traînée de l'air agit sur lui.
- ...dans le panneau des Propriétés.
- Pour chaque ligne ci-dessous, réglez la masse et la traînée d'air du parachutiste dans le panneau des Propriétés, exécutez la simulation jusqu'à ce que la vitesse de la sonde cesse de changer (elle s'approchera d'une valeur stable avant que le parachutiste n'atteigne le sol) et enregistrez cette vitesse constante.
3 · Collecter les données
| Masse (kg) | Traînée aérienne | Vitesse terminale (m/s) | KE à la vitesse terminale (J) |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 0.04 | ||
| 1.00 | 0.06 | ||
| 1.00 | 0.10 |
Tracez la traînée de l'air (axe des x) par rapport à la vitesse terminale que vous avez mesurée (axe des y). La relation est-elle une ligne droite ? De quelle forme s'agit-il ?
4 · Analyser
- Pour chaque ligne, multipliez... Vous devriez approcher... Que cet équilibre vous apprend-il...
- Chaque ligne utilise la même masse. La masse apparaît-elle quelque part dans la relation que vous avez trouvée à la question précédente ? D'après vos données, un parachutiste plus lourd atteint-il une vitesse terminale différente de celle d'un parachutiste plus léger dans cette simulation ?
5 · Approfondir
- La résistance réelle de l'air augmente avec le carré de la vitesse, et non directement avec la vitesse, et sa force dépend de la section transversale et de la masse de l'objet. Prédisez comment la vitesse terminale d'un vrai parachutiste changerait entre une position d'aigle écarté ventre vers le bas et une plongée pieds vers le bas - et pourquoi la masse est importante pour un vrai parachutiste même si cela ne figure pas dans vos données ci-dessus.
- Un parachutiste ouvre un parachute, ce qui augmente considérablement sa traînée aérienne. En utilisant la relation que vous avez trouvée, prédisez ce qui arrive à leur vitesse de chute juste après l'ouverture de la verrière et expliquez pourquoi ils ne sautent pas instantanément à la nouvelle vitesse terminale.
La physique derrière cette expérience
Deuxième loi de Newton à l'équilibre
La force nette est égale à la masse multipliée par l'accélération. À mesure que le parachutiste accélère, la force de traînée vers le haut augmente jusqu'à équilibrer exactement l'attraction vers le bas de la gravité : la force nette (et donc l'accélération) tombe à zéro et la vitesse cesse de changer. Cette vitesse constante est la vitesse terminale que vous avez mesurée.
Énergie cinétique
L'énergie cinétique est égale à la moitié de la masse multipliée par la vitesse au carré. Une fois que le parachutiste atteint la vitesse terminale, il s’agit de l’énergie cinétique qu’il transporte pour le reste de la chute – une énergie que la résistance de l’air élimine continuellement sous forme de chaleur, maintenant la vitesse constante.
Mécanique
- Mouvement du projectile et énergie cinétique
- Balle sur une rampe : énergie sur une pente sans friction
- Bloc sur une rampe à friction : recherche du seuil de frottement statique
- Force Lab : la deuxième loi de Newton
- Forces opposées : deuxième loi et quantité de mouvement de Newton
- Balle rebondissante : perte d'énergie à l'impact
- Collisions élastiques et conservation de la quantité de mouvement
- Collision inélastique et conservation de la quantité de mouvement
- Le berceau de Newton : élan et transfert d'énergie
- Pendule simple
- Masse sur ressort : mouvement harmonique simple
- Mouvement circulaire uniforme et force centripète
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