역학
한계 속도
착지 전 속도가 일정해지고 공기 저항이 중력을 따라잡으며 가속도(a)가 0에 가까워지는 것을 관찰하세요.
한계 속도 — 인터랙티브 역학 시뮬레이션. 착지 전 속도가 일정해지고 공기 저항이 중력을 따라잡으며 가속도(a)가 0에 가까워지는 것을 관찰하세요. 실시간 SI 측정값과 안내형 튜토리얼을 제공하는 무료 브라우저 기반 가상 물리 실험실입니다.
한계 속도
낙하 물체가 빨라지면 공기 항력이 커져 무게와 균형을 이룹니다. 가속도는 0에 가까워지고 속도는 일정해집니다.
한계 속도 이전에는 무게가 항력보다 커서 가속합니다. 속도가 증가하면 항력도 증가해 합력이 0이 됩니다. 그 후 거의 일정한 한계 속도로 낙하합니다.
- F_net = mg − F_drag
- 종단 속도에서: a → 0
조사 개요
랩을 열기 전에 질문을 계획하세요.
이 브리프는 사전 렌더링된 페이지를 반영합니다. 탐구 질문, 서로 다른 예측, 변수의 역할, 지배 법칙, 설정, 분석 및 확장 질문을 이 순서로 계속 표시합니다.
운전 질문
스카이다이버는 공중에서 떨어지며 속도에 따라 증가하는 항력으로 뒤로 밀려납니다. 스카이다이버가 공기 저항을 증가시키기 위해 몸의 위치를 조정하면 꾸준한 낙하 속도(종단 속도)가 더 높아지나요, 낮아지나요, 아니면 저항이 덜할 때와 같나요?
검토할 예측
- 더 많은 공기 저항은 더 높은 종단 속도를 제공합니다.
- 종단 속도는 공기 저항에 관계없이 동일합니다.
- 더 많은 공기 저항은 더 낮은 종단 속도를 제공합니다.
다양한 역할
설정하는 것:
- 대량의 (kg)
- 에어 드래그
측정하는 것:
- 종단 속도 (m/s)
- 종단 속도의 KE (J)
실험 진행 방법
- 터미널 속도 사전 설정을 엽니다. 스카이다이버(공)는 장면 상단 근처에서 시작하여 공기 저항이 작용하는 동안 중력에 의해 낙하합니다.
- 속도 프로브가 스카이다이버에 부착되어 있는지 확인한 다음 Inspector 패널에서 질량과 공기 저항(frictionAir) 값을 확인하세요.
- 아래의 각 행에 대해 Inspector에서 스카이다이버의 질량과 공기 저항을 일치하도록 설정하고, 프로브의 속도 판독값이 변경을 멈출 때까지 시뮬레이션을 실행하고(스카다이버가 바닥에 도달하기 전에 일정한 값에 접근하게 됩니다), 그 일정한 속도를 기록합니다.
지배방정식
뉴턴의 평형 제2법칙 — F = m·a
알짜 힘은 질량과 가속도를 곱한 것과 같습니다. 스카이다이버의 속도가 빨라짐에 따라 위쪽으로 향하는 항력은 중력이 아래쪽으로 끌어당기는 힘과 정확하게 균형을 이룰 때까지 증가합니다. 순 힘(따라서 가속도)이 0으로 떨어지고 속도 변화가 멈춥니다. 그 꾸준한 속도가 측정한 종단 속도입니다.
운동에너지 — KE = ½·m·v²
운동 에너지는 질량 곱하기 속력의 제곱의 절반입니다. 스카이다이버가 종단 속도에 도달하면, 이는 낙하 나머지 시간 동안 지니는 운동 에너지이며 — 이 에너지는 공기 저항이 계속해서 열로 제거하여 속력을 일정하게 유지합니다.
인쇄용 실험지에서 학생이 계산할 내용
- 각 행에 대해 측정한 종단 속도에 공기 저항 값을 곱한 뒤 60을 곱하세요. 정확히 9.8이 아니라 9.8 × (1 − 공기 저항)에 가까운 값이 나올 것입니다. 왜일까요? 시뮬레이션은 저항을 연속적으로가 아니라 프레임마다 한 번 적용하므로 정확히 (1 − 공기 저항)만큼의 인수가 빠집니다. 그래도 이 균형은 스카이다이버가 더 이상 빨라지지 않을 때의 힘에 대해 무엇을 말해 주나요?
- 모든 행은 동일한 질량을 사용합니다. 이전 질문에서 찾은 관계의 어느 곳에나 질량이 나타납니까? 귀하의 데이터에 따르면, 이 시뮬레이션에서 더 무거운 스카이다이버는 더 가벼운 스카이다이버와 다른 최종 속도에 도달합니까?
실험 밖에서의 활용
- 실제 공기 저항은 속력에 직접 비례하지 않고 속력의 제곱에 비례하여 커지며, 그 세기는 물체의 단면적과 질량에 따라 달라집니다. 실제 스카이다이버의 종단 속도가 배를 아래로 향한 '독수리 자세'와 발을 아래로 한 다이빙 자세 사이에서 어떻게 달라질지, 그리고 위 데이터에서는 질량이 영향을 주지 않았음에도 실제 스카이다이버에게는 질량이 왜 중요한지 예측하세요.
- 스카이다이버가 낙하산을 펼치면 공기 저항이 급격히 증가합니다. 찾은 관계를 사용하여 캐노피가 열린 직후 낙하 속도에 어떤 일이 발생하는지 예측하고 왜 즉시 새로운 최종 속도로 점프하지 않는지 설명하십시오.
- 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
- 종단 속도에 오신 것을 환영합니다
- 스카이다iver 선택
- 재생을 누르세요
- 속도가 평탄해짐
- 데이터 열기
- 잘 하셨습니다!
대화형 시뮬레이션을 열어 장면을 빌드하고 재생을 누른 뒤, 실시간 측정 및 가이드 튜토리얼과 함께 탐구해 보세요.