La vitesse terminale et la chute libre sont deux concepts connexes qui ont tendance à prêter à confusion car ils dépendent du fait qu'un corps se trouve 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 la vitesse terminale dans différentes conditions.
Définition de la vitesse terminale
La vitesse terminale est définie comme la vitesse la plus élevée qui peut être atteinte par un objet qui tombe à travers un fluide, comme l'air ou l'eau. Lorsque la vitesse terminale est atteinte, la force de gravité vers le bas est égale à la somme de l'objet flottabilité et la force de traînée. Un objet à vitesse terminale a un filet nul 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:
Vt = (2 mg / ρACré)1/2
où:
- Vt est la vitesse terminale
- m est la masse de l'objet qui tombe
- g est accélération due à la gravité
- Cré est 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 tenir compte du déplacement du volume (V) par la masse. L'équation devient alors:
Vt = [2 (m - ρV) g / ρACré]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 en chute libre lorsqu'il atteint la vitesse terminale sans parachute. En réalité, le poids du parachutiste est soutenu 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 qui agit sur lui est la gravité. La direction du mouvement (haut, bas, etc.) est sans 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 vraie vitesse terminale et la chute libre.
En général, tant que la résistance à l'air est négligeable par rapport au poids d'un objet, elle peut atteindre une chute libre. Les exemples comprennent:
- Un vaisseau spatial dans l'espace sans système de propulsion engagé
- Un objet jeté vers le haut
- Un objet tombé d'une tour de chute ou dans un tube de descente
- Une personne qui saute
En revanche, les objets ne pas en chute libre:
- Un oiseau volant
- Un avion volant (parce que le les ailes assurent la portance)
- Utiliser un parachute (car il contrecarre la gravité avec la 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 spatio-temporelle.
Équation de chute libre
Si un objet tombe vers la surface d'une planète et que la force de gravité est beaucoup plus grande que la force de l'air résistance ou bien sa vitesse est bien inférieure à la vitesse terminale, la vitesse verticale de chute libre peut être approximé comme:
vt = gt + v0
où:
- vt est la vitesse verticale en mètres par seconde
- v0 est la vitesse initiale (m / s)
- g est l'accélération due à la gravité (environ 9,81 m / s2 près de la Terre)
- t est le ou les temps écoulés
Quelle est la vitesse du terminal Terminal? Jusqu'où tombez-vous?
Étant donné que la vitesse terminale dépend de la traînée et de la section d'un objet, il n'y a pas de vitesse unique pour la vitesse terminale. En général, une personne tombant dans l'air sur Terre atteint la vitesse terminale après environ 12 secondes, ce qui couvre environ 450 mètres ou 1500 pieds.
Un parachutiste en position ventre-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 vitesse que celle atteinte par un faucon pèlerin plongeant pour une proie ou pour une balle tombant après avoir été lâchée 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 a atteint une vitesse terminale de 134 km / h (834 mph).
Références et lectures complémentaires
- Huang, Jian. "Vitesse d'un parachutiste (vitesse terminale)". Le Physics Factbook. Glenn Elert, Midwood High School, Brooklyn College, 1999.
- U.S.Fish and Wildlife Service. "Tout sur le faucon pèlerin. "20 décembre 2007.
- Le balisticien. "Des balles dans le ciel". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, mars 2001.