الفرق بين السرعة النهائية والسقوط الحر

السرعة النهائية والسقوط الحر ، هما مفهومان مرتبطان يميلان إلى الخلط لأنهما يعتمدان على ما إذا كان الجسم في مكان فارغ ، أو في سائل ، على سبيل المثال ، جو أو حتى ماء

،

ولمعرفة الفرق بنهما سنلقي نظرة على تعريفات ، ومعادلات المصطلحات ، وكيفية ارتباطها ، ومدى سرعة سقوط الجسم ، في السقوط الحر ، أو في السرعة النهائية في ظل ظروف مختلفة.

تعريف السرعة الطرفية

يتم تعريف السرعة النهائية ، بأنها أعلى سرعة يمكن تحقيقها بواسطة جسم يسقط عبر سائل ، مثل الهواء أو الماء ، وعندما يتم الوصول إلى السرعة النهائية ، فإن قوة الجاذبية الهابطة ، تساوي مجموع طفو الجسم ، وقوة السحب ، والجسم عند السرعة النهائية ، له تسارع صافٍ صفر.[1]

معادلة السرعة النهائية

هناك معادلتان مفيدتان بشكل خاص ، لإيجاد السرعة النهائية ، الأول يتعلق بالسرعة النهائية ، دون مراعاة الطفو، كالتالي :

VT = (2mg / ρACd) 1/2

أين


:

• VT هي السرعة النهائية.
• m هي كتلة الجسم الساقط.
• g تسارع بسبب الجاذبية.
• Cd هو معامل السحب.
• ρ هي كثافة السائل الذي يسقط من خلاله الجسم.
• A  هي المنطقة المستعرضة التي يسقطها الكائن
  
  .
  

في السوائل ، على وجه الخصوص ، ومن المهم حساب طفو الكائن ، ويستخدم مبدأ


أرخميدس


لحساب إزاحة الحجم (V) بالكتلة ، لتصبح المعادلة بعد ذلك :

VT = [2 (m – ρV) g / ρACd] 1/2

ارتباط السرعة النهائية بالمظلات

في القفز بالمظلات ، عندما نخرج من طائرة ، تتسارع أجسامنا ، ولكن فقط حتى النقطة التي تساوي فيها مقاومة الهواء قوة الجاذبية ، لذا فباختصار، فان السرعة النهائية في


القفز بالمظلات


،هي السرعة الهابطة التي يمكن أن يحققها جسم الإنسان في السقوط الحر.

وهناك عدد قليل من العوامل التي تؤثر على السرعة النهائية فقط ، وأحد هذه العوامل هو الاتجاه / مساحة السطح المقدمة ، وتفترض الاعتبارات النموذجية للسرعة النهائية في القفز بالمظلات ، أن القفز بالمظلات يقع في وضع بطن إلى الأرض ، أو يمارس نوعًا من القفز بالمظلات نسميه العمل النسبي (أو RW).

ومع ذلك ، هناك العديد من التوجهات المختلفة ، التي يمكن أن يتخذها الجسم ، وتؤدي هذه المواقف إلى كميات مختلفة من مقاومة الهواء ، وفي النهاية ، بسرعات نهائية مختلفة تمامًا.[2]

في حين أن السرعة النهائية للطائر الذي يسقط بطنًا على الأرض تبلغ حوالي 120 ميلاً في الساعة ، في اتجاه حيث يحلق قفز الطائرات باتجاه الأرض ، وتزداد السرعة النهائية إلى 150-180 ميلاً في الساعة ،ويمكن أن تصل إلى 200 ميلاً في الساعة!

وكمقارنة ممتعة: يمكن للصقر القطني أن يصل إلى 242 ميلاً في الساعة أثناء الصيد ، مما يجعله بشكل لا لبس فيه أسرع عضو في مملكة الحيوان ، لذلك لا تفكر حتى في سباق هذا الطائر.

السرعة النهائية  والمظلة مفتوحة

تنظم كتلة الطائر وحجم المظلة السرعة النهائية التي يتم الوصول إليها ، أثناء وجود المظلة ، ضع في اعتبارك أن المظلات المستخدمة في القفز بالمظلات المدنية الحديثة ، ليست مثل القباب البلاستيكية الهشة التي يقودها أصدقاؤنا المظليون الصغار من الطفولة ، والتي كانت على هيئة ستائر مربعة ، فالمظلات المعاصرة يتم بناؤها باستخدام جوي RAM-air، تضغط هذه الجنيحات وتحول السرعة الهابطة إلى زخم أمامي.

وفي نظام يسمى (الانقضاض)، عن طريق بدء مناورات متقدمة واستخدام المنعطفات الحادة ، وتُترجم السرعة المنخفضة لطيار المظلة ، إلى سرعات أمامية مذهلة ومسافات مغطاة.

تعريف السقوط الحر

الاستخدام اليومي لمصطلح (السقوط الحر) ، ليس هو نفسه التعريف العلمي ، ففي الاستخدام الشائع ، يعتبر القفز المظلي في حالة سقوط حر ، عند تحقيق السرعة النهائية بدون مظلة ، وفي الواقع ، يتم دعم وزن القافز بالمظلة ، بواسطة وسادة من الهواء.  [3]

ويتم تعريف السقوط الحر إما وفقًا للفيزياء النيوتونية (الكلاسيكية) ، أو من حيث النسبية العامة ، ففي الميكانيكا الكلاسيكية ، يصف السقوط الحر حركة الجسم ، عندما تكون القوة الوحيدة التي تعمل عليه هي الجاذبية ، واتجاه الحركة (لأعلى ، لأسفل ، إلخ…) غير مهم.

وإذا كان مجال الجاذبية متماثلاً ، فإنه يعمل بشكل متساوٍ ، على جميع أجزاء الجسم ، مما يجعله (بلا وزن) ، أو يعاني من (0 جم) ، على الرغم من أنه قد يبدو غريبًا ، يمكن أن يكون الجسم في حالة سقوط حر ، حتى عند التحرك لأعلى أو في أعلى حركته.

فالقفز بالمظلات من خارج الغلاف الجوي ، (مثل قفزة HALO) ، يكاد يحقق سرعة نهائية حقيقية ، وسقوط حر ، وبشكل عام ، طالما أن مقاومة الهواء لا تذكر فيما يتعلق بوزن الجسم ، يمكن أن تحقق السقوط الحر ، والأمثله تشمل التالي :

1- مركبة فضائية في الفضاء ، تعمل بدون نظام دفع.

2- كائن يرمي لأعلى.

3- كائن يسقط من برج إسقاط ، أو في أنبوب إسقاط.

4- شخص يقفز.

وفي المقابل ، تشمل الأشياء التي لا تقع في السقوط الحر ، ما يلي :

1- طيران طائر.

2- طائرة تحلق (لأن الأجنحة توفر الصعود).

3- استخدام المظلة (لأنها تقاوم الجاذبية بالسحب ، وفي بعض الحالات قد توفر رفعًا).

4- قفز بالمظلات لا يستخدم المظلة (لأن قوة السحب ، تساوي وزنه عند السرعة النهائية).

وفي النسبية العامة ، يتم تعريف


السقوط الحر


، على أنه حركة الجسم على طول الجيوديسية ، مع وصف الجاذبية ، بانحناء الزمكان.

معادلة السقوط الحر

إذا كان جسم ما يسقط باتجاه سطح كوكب ، وكانت قوة الجاذبية ، أكبر بكثير من قوة مقاومة الهواء ، أو إذا كانت سرعته ، أقل بكثير من السرعة الطرفية ، فقد يتم تقريب السرعة الرأسية ، للسقوط الحر على النحو التالي :

vt = gt + v0






أين:

• vt هي السرعة العمودية بالأمتار في الثانية.
• v0 هي السرعة الأولية (م / ث).
• g هو التسارع الناتج عن الجاذبية ، (حوالي 9.81 م / ث 2 بالقرب من الأرض).
• t هو الوقت المنقضي (الأوقات).[4]

مدى سرعة السرعة الطرفية ، وإلى أي مدى تقع

نظرًا لأن السرعة الطرفية ، تعتمد على السحب ، والمقطع العرضي للكائن ، فلا توجد سرعة واحدة للسرعة النهائية ، وبشكل عام ، يصل الشخص الذي يسقط في الهواء على الأرض ، إلى السرعة النهائية بعد حوالي 12 ثانية ، والتي تغطي حوالي 450 مترًا ، أو 1500 قدم.

ويصل قفز بالمظلات في وضع بطن إلى الأرض ، بسرعة نهائية تبلغ حوالي 195 كم / ساعة ، (54 م / ث أو 121 ميل في الساعة) ، وإذا سحب القافز في ذراعيه ، وساقيه ، ينخفض المقطع العرضي له ، مما يزيد من سرعة المحطة الطرفية ، إلى حوالي 320 كم / ساعة ، (90 م / ث ، أو أقل بقليل من 200 ميل في الساعة).

وهذا هو نفس السرعة النهائية ، التي يحققها صقر الشاهين للغطس في الفريسة ، أو برصاصة تسقط بعد إسقاطها ، أو إطلاقها إلى أعلى ، وقد تم تعيين سرعة الرقم القياسي العالمي ، للسائق من قبل فيليكس بومغارتنر ، الذي قفز من 39000 متر ، ووصل إلى سرعة نهائية ، قدرها 134 كم / ساعة ، (834 ميل في الساعة).