ความเร็วปลาย การตกผ่านแรงต้าน

1 · ทำนาย

นักดิ่งพ้นห่วงตกผ่านอากาศซึ่งดันกลับด้วยแรงต้านที่โตตามอัตราเร็ว ถ้าเขาปรับท่าร่างกายเพิ่มแรงต้านอากาศ อัตราเร็วตกคงที่ของเขา (ความเร็วปลาย) จะสูงกว่า ต่ำกว่า หรือเท่าเดิมกับแรงต้านน้อยกว่า

• แรงต้านอากาศมากกว่าให้ความเร็วปลายสูงกว่า
• ความเร็วปลายเท่ากันไม่ว่าแรงต้านเท่าใด
• แรงต้านอากาศมากกว่าให้ความเร็วปลายต่ำกว่า

2 · จัดเตรียม

1. เปิดค่าที่ตั้งไว้ Terminal Velocity นักดิ่งพ้นห่วง (ลูกบอล) เริ่มใกล้ยอดฉากและตกภายใต้ความโน้มถ่วงโดยมีแรงต้านอากาศกระทำ
2. ตรวจว่าโพรบวัดอัตราเร็วติดนักดิ่งพ้นห่วงแล้ว แล้วดูมวลกับค่าแรงต้านอากาศ (frictionAir) ในแผงคุณสมบัติ
3. สำหรับแต่ละแถวข้างล่าง ตั้งมวลและแรงต้านอากาศของนักดิ่งพ้นห่วงในแผงคุณสมบัติให้ตรง รันการจำลองจนค่าอัตราเร็วของโพรบหยุดเปลี่ยน (จะเข้าใกล้ค่าคงที่ก่อนถึงพื้น) แล้วบันทึกอัตราเร็วคงที่นั้น

3 · เก็บข้อมูล

พล็อตแรงต้านอากาศ (แกน x) กับความเร็วปลายที่วัดได้ (แกน y) เป็นเส้นตรงหรือไม่ รูปร่างอะไร

4 · วิเคราะห์

1. สำหรับแต่ละแถว คูณความเร็วปลายที่วัดได้ด้วยค่าแรงต้านอากาศแล้วคูณ 60 คุณควรได้ใกล้ 9.8 × (1 − แรงต้านอากาศ) ไม่ใช่ 9.8 พอดี เพราะอะไร แบบจำลองปรับใช้แรงต้านครั้งเดียวต่อเฟรมแทนต่อเนื่อง ซึ่งเสียพอดีหนึ่งตัวคูณ (1 − แรงต้านอากาศ) สมดุลนี้ยังบอกอะไรเกี่ยวกับแรงเมื่อนักดิ่งพ้นห่วงเร่งความเร็วแล้ว
2. ทุกแถวใช้มวลเดียวกัน มวลปรากฏที่ใดในความสัมพันธ์ที่คุณพบในคำถามก่อนหรือไม่ จากข้อมูลของคุณ นักดิ่งพ้นห่วงที่หนักกว่าไปถึงความเร็วปลายต่างจากเบากว่าในแบบจำลองนี้หรือไม่

5 · ต่อยอด

1. แรงต้านอากาศจริงโตตามกำลังสองของอัตราเร็ว ไม่ใช่ตามตรง และความแรงขึ้นกับพื้นที่หน้าตัดและมวลของวัตถุ ทำนายว่าความเร็วปลายของนักดิ่งพ้นห่วงจริงต่างกันอย่างไรระหว่างท่าคว่ำ “กางแขนกางขา” กับท่าพุ่งหัว — และเหตุใดมวลจึงสำคัญกับนักดิ่งพ้นห่วงจริงทั้งที่ข้อมูลข้างบนของคุณไม่แสดง
2. นักดิ่งพ้นห่วงเปิดร่มซึ่งเพิ่มแรงต้านอากาศอย่างฉับพลัน ใช้ความสัมพันธ์ที่คุณพบ ทำนายว่าอัตราเร็วตกของเขาเป็นอย่างไรทันทีหลังร่มคลุม และอธิบายว่าเหตุใดเขาไม่กระโดดไปที่ความเร็วปลายใหม่ทันที

ฟิสิกส์เบื้องหลังการทดลองนี้

← กลับไปการทดลอง