종단 속도: 항력을 통해 낙하

1 · 예측

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?

• 더 많은 공기 저항은 더 높은 종단 속도를 제공합니다.
• 종단 속도는 공기 저항에 관계없이 동일합니다.
• 더 많은 공기 저항은 더 낮은 종단 속도를 제공합니다.

2 · 설정

1. 터미널 속도 사전 설정을 엽니다. 스카이다이버(공)는 장면 상단 근처에서 시작하여 공기 저항이 작용하는 동안 중력에 의해 낙하합니다.
2. 속도 프로브가 스카이다이버에 부착되어 있는지 확인한 다음 Inspector 패널에서 질량과 공기 저항(frictionAir) 값을 확인하세요.
3. 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.

3 · 데이터 수집

공기 저항(x축)을 측정한 종단 속도(y축)에 대해 그래프로 그리세요. 이 관계는 직선입니까? 어떤 모양입니까?

4 · 분석

1. 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?
2. 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?

5 · 확장

1. 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.
2. 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.

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