Kecepatan Terminal dan Jatuh Bebas

Kecepatan terminal dan jatuh bebas adalah dua konsep terkait yang cenderung membingungkan karena mereka bergantung pada apakah benda ada di ruang kosong atau di dalam fluida (mis., suasana atau bahkan air). Lihatlah definisi dan persamaan istilah, bagaimana mereka terkait, dan seberapa cepat benda jatuh bebas atau pada kecepatan terminal dalam kondisi yang berbeda.

Kecepatan terminal didefinisikan sebagai kecepatan tertinggi yang dapat dicapai oleh suatu benda yang jatuh melalui fluida, seperti udara atau air. Ketika kecepatan terminal tercapai, gaya gravitasi ke bawah sama dengan jumlah benda daya apung dan gaya seret. Objek pada kecepatan terminal memiliki nol jaring percepatan.

Ada dua persamaan yang sangat berguna untuk menemukan kecepatan terminal. Yang pertama adalah untuk kecepatan terminal tanpa mempertimbangkan daya apung:

V_t = (2mg / ρAC_d)^1/2

dimana:

• V_t adalah kecepatan terminal
• m adalah massa benda yang jatuh
• g adalah akselerasi karena gravitasi
instagram viewer
• C_d adalah koefisien drag
• ρ adalah densitas fluida tempat benda jatuh
• A adalah luas penampang yang diproyeksikan oleh objek

Dalam cairan, khususnya, penting untuk memperhitungkan daya apung objek. Prinsip Archimedes digunakan untuk menjelaskan perpindahan volume (V) oleh massa. Persamaannya kemudian menjadi:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

Penggunaan sehari-hari dari istilah "jatuh bebas" tidak sama dengan definisi ilmiah. Dalam penggunaan umum, skydiver dianggap jatuh bebas setelah mencapai kecepatan terminal tanpa parasut. Pada kenyataannya, berat skydiver didukung oleh bantalan udara.

Freefall didefinisikan baik menurut fisika Newton (klasik) atau dalam hal Relativitas umum. Dalam mekanika klasik, jatuh bebas menggambarkan gerakan suatu benda ketika satu-satunya kekuatan yang bekerja padanya adalah gravitasi. Arah gerakan (naik, turun, dll.) Tidak penting. Jika medan gravitasi seragam, ia bekerja secara merata di semua bagian tubuh, menjadikannya "tanpa bobot" atau mengalami "0 g". Meskipun mungkin tampak aneh, sebuah objek dapat jatuh bebas bahkan ketika bergerak ke atas atau di atas gerakannya. Sebuah penerjun payung yang melompat dari luar atmosfer (seperti lompatan HALO) hampir mencapai kecepatan terminal yang sebenarnya dan jatuh bebas.

Secara umum, selama hambatan udara dapat diabaikan sehubungan dengan berat benda, ia dapat mencapai jatuh bebas. Contohnya termasuk:

• Sebuah pesawat ruang angkasa di ruang angkasa tanpa sistem propulsi bergerak
• Sebuah benda terlempar ke atas
• Objek dijatuhkan dari drop tower atau ke drop tube
• Seseorang melompat

Sebaliknya, benda tidak jatuh bebas termasuk:

• Seekor burung terbang
• Pesawat terbang (karena sayap memberikan daya angkat)
• Menggunakan parasut (karena itu melawan gravitasi dengan hambatan dan dalam beberapa kasus dapat memberikan gaya angkat)
• Skydiver tidak menggunakan parasut (karena gaya hambat sama dengan beratnya pada kecepatan terminal)

Dalam relativitas umum, jatuh bebas didefinisikan sebagai pergerakan benda di sepanjang geodesik, dengan gravitasi digambarkan sebagai kelengkungan ruang-waktu.

Jika sebuah benda jatuh ke permukaan sebuah planet dan gaya gravitasi jauh lebih besar daripada kekuatan udara resistensi atau kecepatannya jauh lebih kecil dari kecepatan terminal, kecepatan vertikal jatuh bebas mungkin diperkirakan sebagai:

v_t = gt + v₀

dimana:

• v_t adalah kecepatan vertikal dalam meter per detik
• v₀ adalah kecepatan awal (m / s)
• g adalah akselerasi karena gravitasi (sekitar 9,81 m / s² dekat Bumi)
• t adalah waktu yang telah berlalu

Karena kecepatan terminal tergantung pada seret dan penampang benda, tidak ada satu kecepatan untuk kecepatan terminal. Secara umum, seseorang yang jatuh di udara di Bumi mencapai kecepatan terminal setelah sekitar 12 detik, yang mencakup sekitar 450 meter atau 1500 kaki.

Skydiver dalam posisi perut-ke-bumi mencapai kecepatan terminal sekitar 195 km / jam (54 m / s atau 121 mph). Jika skydiver menarik lengan dan kakinya, potongan melintangnya menurun, meningkatkan kecepatan terminal hingga sekitar 320 km / jam (90 m / s atau hanya di bawah 200 mph). Ini hampir sama dengan kecepatan terminal yang dicapai oleh penyelaman elang peregrine untuk mangsa atau untuk peluru yang jatuh setelah dijatuhkan atau ditembakkan ke atas. Rekor kecepatan terminal dunia ditetapkan oleh Felix Baumgartner, yang melompat dari 39.000 meter dan mencapai kecepatan terminal 134 km / jam (834 mph).

• Huang, Jian. "Kecepatan Skydiver (Kecepatan Terminal)". Buku Fakta Fisika. Glenn Elert, Sekolah Menengah Midwood, Brooklyn College, 1999.
• Layanan Ikan dan Margasatwa A.S. "Semua Tentang Peregrine Falcon"20 Desember 2007.
• The Ballistician. "Peluru di Langit". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, Maret 2001.