Robežātrums: krišana caur pretestību

1 · Prognozē

Izpletņlēcējs krīt caur gaisu, kas atspiežas ar pretestības spēku, kas aug ar ātrumu. Ja izpletņlēcējs pielāgo ķermeņa pozīciju, lai palielinātu gaisa pretestību, vai viņa pastāvīgais krišanas ātrums (robežātrums) iznāk lielāks, mazāks vai tas pats nekā ar mazāku pretestību?

2 · Iestati

  1. Atver robežātruma eksperimentu. Izpletņlēcējs (bumba) sākas pie skatuves augšas un krīt gravitācijas ietekmē, gaisa pretestībai darbojoties uz to.
  2. Pārliecinies, ka ātruma zonde ir pievienota izpletņlēcējam, tad pārbaudi tā masu un gaisa pretestības (frictionAir) vērtību Īpašību panelī.
  3. Katrai rindai zemāk iestati izpletņlēcēja masu un gaisa pretestību Īpašību panelī atbilstoši, palaid simulāciju, līdz zondes ātruma rādījums beidz mainīties (tas tuvosies pastāvīgai vērtībai, pirms izpletņlēcējs sasniedz grīdu), un ieraksti šo pastāvīgo ātrumu.

3 · Vāc datus

Masa (kg)Gaisa pretestībaRobežātrums (m/s)KE pie robežātruma (J)
1.000.04
1.000.06
1.000.10

Zīmē gaisa pretestību (x ass) pret savu izmērīto robežātrumu (y ass). Vai sakarība ir taisne? Kādu formu tā ir?

4 · Analizē

  1. Katrai rindai sareizini savu izmērīto robežātrumu ar gaisa pretestības vērtību un tad ar 60. Tev jānonāk tuvu 9.8 × (1 − gaisa pretestība), nevis precīzi 9.8. Kāpēc? Simulācija pielieto pretestību reizi uz kadru, nevis nepārtraukti, un tas maksā tieši vienu reizinātāju (1 − gaisa pretestība). Ko līdzsvars tomēr saka par spēkiem, kad izpletņlēcējs beidz paātrināties?
  2. Katra rinda izmanto vienu un to pašu masu. Vai masa parādās kaut kur sakarībā, ko tu atradi iepriekšējā jautājumā? Pēc taviem datiem, vai smagāks izpletņlēcējs sasniedz citu robežātrumu nekā vieglāks šajā simulācijā?

5 · Paplašina

  1. Īstā gaisa pretestība aug ar ātruma kvadrātu, nevis tieši ar ātrumu, un tās stiprums atkarīgs no ķermeņa šķērsgriezuma laukuma un masas. Prognozē, kā īsta izpletņlēcēja robežātrums mainītos starp pozīciju „izplests ērglis” ar seju uz leju un niršanu ar kājām uz leju — un kāpēc masa svarīga īstam izpletņlēcējam, kaut tavos datos augstāk tā nebija.
  2. Izpletņlēcējs atver izpletni, kas strauji palielina gaisa pretestību. Izmantojot atrasto sakarību, prognozē, kas notiek ar krišanas ātrumu tieši pēc kupola atvēršanas, un izskaidro, kāpēc ātrums nelec uzreiz uz jauno robežātrumu.

Fizika aiz šī eksperimenta

Ņūtona otrais likums līdzsvarā

Rezultējošais spēks ir masa reiz paātrinājums. Izpletņlēcējam paātrinoties, augšupvērstā pretestības spēks aug, līdz tieši līdzsvaro gravitācijas vilkšanu uz leju — rezultējošais spēks (un līdz ar to paātrinājums) krītas uz nulli, un ātrums beidz mainīties. Šis pastāvīgais ātrums ir tavs izmērītais robežātrums.

Kinētiskā enerģija

Kinētiskā enerģija ir puse no masas reiz ātruma kvadrāts. Kad izpletņlēcējs sasniedz robežātrumu, šī ir kinētiskā enerģija, ko tas nes atlikušajā krišanas daļā — enerģija, ko gaisa pretestība nepārtraukti aizvāc kā siltumu, noturot ātrumu nemainīgu.

← Atpakaļ pie eksperimenta

Mehānika

138 bezmaksas drukājamas fizikas darba lapas