La différence entre la vitesse terminale et la chute libre

Plongeurs parachutistes

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La vitesse terminale et la chute libre sont deux concepts liés qui ont tendance à prêter à confusion car ils dépendent du fait qu'un corps se trouve ou non dans un espace vide ou dans un fluide (par exemple, un atmosphère ou même de l'eau). Jetez un œil aux définitions et aux équations des termes, comment ils sont liés et à quelle vitesse un corps tombe en chute libre ou à vitesse terminale dans différentes conditions.

Définition de la vitesse terminale

La vitesse terminale est définie comme la vitesse la plus élevée pouvant être atteinte par un objet qui tombe à travers un fluide, tel que l'air ou l'eau. Lorsque la vitesse terminale est atteinte, la force de gravité vers le bas est égale à la somme des forces de l'objet. flottabilité et la force de traînée. Un objet à vitesse terminale a une valeur nette nulle accélération .



Équation de vitesse terminale

Il existe deux équations particulièrement utiles pour trouver la vitesse terminale. Le premier concerne la vitesse terminale sans tenir compte de la flottabilité :

DANSt= (2mg/ρAC)1/2



où:

  • DANStest la vitesse terminale
  • m est la masse de l'objet qui tombe
  • g est accélération due à la pesanteur
  • Cest le coefficient de traînée
  • ρ est la densité du fluide à travers lequel l'objet tombe
  • A est la section transversale projetée par l'objet

Dans les liquides, en particulier, il est important de tenir compte de la flottabilité de l'objet. Le principe d'Archimede est utilisé pour rendre compte du déplacement du volume (V) par la masse. L'équation devient alors :

DANSt= [2(m - ρV)g/ρAC]1/2

Définition de la chute libre

L'utilisation quotidienne du terme 'chute libre' n'est pas la même que la définition scientifique. Dans l'usage courant, un parachutiste est considéré comme étant en chute libre lorsqu'il atteint la vitesse terminale sans parachute. En réalité, le poids du parachutiste est supporté par un coussin d'air.



La chute libre est définie soit selon la physique newtonienne (classique), soit en termes de relativité générale . En mécanique classique, la chute libre décrit le mouvement d'un corps lorsque la seule force agissant sur lui est la gravité. Le sens du mouvement (haut, bas, etc.) n'a pas d'importance. Si le champ gravitationnel est uniforme, il agit également sur toutes les parties du corps, le rendant « en apesanteur » ou subissant « 0 g ». Bien que cela puisse sembler étrange, un objet peut être en chute libre même lorsqu'il se déplace vers le haut ou au sommet de son mouvement. Un parachutiste sautant de l'extérieur de l'atmosphère (comme un saut HALO) atteint presque la véritable vitesse terminale et la chute libre.

En général, tant que la résistance de l'air est négligeable par rapport au poids d'un objet, il peut atteindre une chute libre. Les exemples comprennent:



  • Un vaisseau spatial dans l'espace sans système de propulsion engagé
  • Un objet lancé vers le haut
  • Un objet tombé d'une tour de largage ou dans un tube de descente
  • Une personne qui saute

En revanche, les objets ne pas en chute libre comprennent :

  • Un oiseau volant
  • Un avion en vol (parce que le les ailes assurent la portance )
  • Utilisation d'un parachute (car il contrecarre la gravité avec une traînée et, dans certains cas, peut fournir une portance)
  • Un parachutiste n'utilisant pas de parachute (car la force de traînée est égale à son poids à la vitesse terminale)

En relativité générale, la chute libre est définie comme le mouvement d'un corps le long d'une géodésique, la gravité étant décrite comme une courbure de l'espace-temps.



Équation de chute libre

Si un objet tombe vers la surface d'une planète et que la force de gravité est bien supérieure à la force de résistance de l'air ou si sa vitesse est bien inférieure à la vitesse terminale, la vitesse verticale de chute libre peut être approchée comme suit :

danst= gt + v0



où:

  • danstest la vitesse verticale en mètres par seconde
  • dans0est la vitesse initiale (m/s)
  • g est l'accélération due à la pesanteur (environ 9,81 m/sdeuxprès de la Terre)
  • t est le temps écoulé (s)

Quelle est la vitesse de la vitesse terminale ? Jusqu'où tombez-vous ?

Étant donné que la vitesse terminale dépend de la traînée et de la section transversale d'un objet, il n'y a pas de vitesse unique pour la vitesse terminale. En général, une personne tombant dans les airs sur Terre atteint la vitesse terminale après environ 12 secondes, ce qui couvre environ 450 mètres ou 1500 pieds.

Un parachutiste en position ventre contre terre atteint une vitesse terminale d'environ 195 km / h (54 m / s ou 121 mph). Si le parachutiste tire dans ses bras et ses jambes, sa section transversale est diminuée, augmentant la vitesse terminale à environ 320 km/h (90 m/s ou un peu moins de 200 mph). C'est à peu près la même que la vitesse terminale atteinte par un faucon pèlerin plongeant pour une proie ou pour une balle tombant après avoir été larguée ou tirée vers le haut. Le record du monde de vitesse terminale a été établi par Felix Baumgartner, qui a sauté de 39 000 mètres et atteint une vitesse terminale de 1 341 km/h (834 mph).

Références et lectures complémentaires

  • Huang, Jian. 'Vitesse d'un parachutiste (vitesse terminale)'. Le Factbook de Physique. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
  • Service américain de la pêche et de la faune. ' Tout savoir sur le faucon pèlerin .' 20 décembre 2007.
  • Le Balisticien. 'Des balles dans le ciel'. W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, mars 2001.