Meccanica

Velocità terminale

Osserva la velocità stabilizzarsi ben prima dell'arrivo, e l'accelerazione (a) tendere a 0 mentre la resistenza dell'aria raggiunge la gravità.

Velocità terminale — simulazione interattiva (Meccanica). Osserva la velocità stabilizzarsi ben prima dell'arrivo, e l'accelerazione (a) tendere a 0 mentre la resistenza dell'aria raggiunge la gravità. Laboratorio virtuale di fisica gratuito nel browser con misure SI dal vivo e tutorial guidato.

Velocità terminale

Mentre un oggetto che cade accelera, la resistenza dell'aria cresce finché bilancia il peso. L'accelerazione scende a zero e la velocità si stabilizza.

Prima della velocità terminale, il peso supera la resistenza e l'oggetto accelera. Con la velocità, la resistenza cresce finché la forza netta è zero. L'oggetto cade allora a una velocità terminale quasi costante.

• F_net = mg − F_drag
• Alla velocità limite: a → 0

Sintesi dell'indagine

Pianifica la domanda prima di aprire il laboratorio

La sintesi riprende la pagina pre-renderizzata: domanda guida, previsioni concorrenti, ruoli delle variabili, leggi dominanti, procedura, analisi ed estensioni restano visibili e in quest'ordine.

Domanda guida

Un paracadutista cade nell'aria, che respinge con una resistenza che cresce con la velocità. Se modifica la posizione del corpo per aumentare quella resistenza, la sua velocità di caduta stabile (velocità terminale) risulta più alta, più bassa o uguale che con meno resistenza?

Previsioni da valutare

• Più resistenza dell'aria dà una velocità terminale più alta
• La velocità terminale è uguale qualunque sia la resistenza
• Più resistenza dell'aria dà una velocità terminale più bassa

Ruoli delle variabili

Cosa imposti tu:

• Massa (kg)
• Resistenza dell'aria

Cosa misuri:

• Velocità terminale (m/s)
• KE a velocità terminale (J)

Come si svolge l'indagine

1. Apri il preset Velocità terminale. Un paracadutista (palla) parte vicino al sommo della scena e cade sotto gravità con resistenza dell'aria.
2. Verifica che la sonda di velocità sia agganciata al paracadutista, poi controlla massa e valore di resistenza (frictionAir) nel pannello Proprietà.
3. Per ogni riga qui sotto, imposta massa e resistenza del paracadutista nel pannello Proprietà come indicato, esegui la simulazione finché la lettura della sonda smette di cambiare (si avvicina a un valore stabile prima che il paracadutista tocchi terra) e registra quella velocità stabile.

Equazione che governa

Seconda legge di Newton all'equilibrio — F = m·a

Forza netta pari a massa per accelerazione. Mentre il paracadutista accelera, la resistenza verso l'alto cresce finché bilancia esattamente la spinta verso il basso della gravità: la forza netta (e dunque l'accelerazione) scende a zero e la velocità smette di cambiare. Quella velocità stabile è la velocità terminale che hai misurato.

Energia cinetica — KE = ½·m·v²

L'energia cinetica è metà della massa per la velocità al quadrato. Raggiunta la velocità terminale, questa è l'energia cinetica che il paracadutista porta per il resto della caduta: energia che la resistenza dell'aria rimuove in continuo come calore, mantenendo la velocità costante.

Cosa il foglio stampabile chiede di ricavare agli studenti

• Per ogni riga, moltiplica la velocità terminale misurata per il valore di resistenza e poi per 60. Dovresti arrivare vicino a 9.8 × (1 − resistenza), non esattamente 9.8. Perché? La simulazione applica la resistenza una volta per fotogramma invece che in continuo, e questo costa esattamente un fattore (1 − resistenza). Cosa ti dice comunque l'equilibrio sulle forze una volta che il paracadutista smette di accelerare?
• Ogni riga usa la stessa massa. La massa compare nella relazione trovata alla domanda precedente? Dai tuoi dati, un paracadutista più pesante raggiunge una velocità terminale diversa da uno più leggero in questa simulazione?

Dove si ritrova fuori dal laboratorio

• La vera resistenza dell'aria cresce col quadrato della velocità, non linearmente, e la sua intensità dipende da sezione e massa dell'oggetto. Prevedi come cambierebbe la velocità terminale reale di un paracadutista tra la posizione «a pancia in giù a stella» e il tuffo a piedi — e perché la massa conta per un paracadutista reale anche se nei tuoi dati sopra non contava.
• Un paracadutista apre il paracadute, aumentando di colpo la resistenza. Con la relazione trovata, prevedi cosa succede alla velocità di caduta subito dopo l'apertura, e spiega perché non salta istantaneamente alla nuova velocità terminale.

• 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

1. Benvenuto alla velocità terminale
2. Seleziona il paracadutista
3. Premi Play
4. La velocità si stabilizza
5. Apri i dati
6. Ce l'hai fatta!

Apri la simulazione interattiva per costruire la scena, premere Play ed esplorare con misure dal vivo e un tutorial guidato.

Apri laboratorio interattivo →

Scarica foglio di laboratorio →

La seconda legge di Newton