Когато обект падне към Земята, се случват много различни неща, вариращи от енергийни трансфери до въздушно съпротивление до нарастваща скорост и инерция. Разбирането на всички фактори в играта ви подготвя за разбирането на редица проблеми в класическата физика, значението на термини като импулс и естеството на запазването на енергията. Кратката версия е, че когато даден обект падне към Земята, той набира скорост и инерция и своята кинетика енергията се увеличава с падането на гравитационната й потенциална енергия, но това обяснение прескача много важни подробности.
TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)
Когато даден обект падне към Земята, той се ускорява поради силата на гравитацията, набира скорост и инерция, докато възходящата сила на въздушното съпротивление точно балансира силата надолу поради тежестта на обекта под тежестта - точка, наричана терминал скорост.
Гравитационната потенциална енергия, която обектът има в началото на падането, се превръща в кинетична енергия при падане и това кинетичната енергия отива в произвеждането на звук, карайки обекта да отскочи и деформира или счупва обекта, когато удари земя.
Скорост, ускорение, сила и инерция
Гравитацията кара обектите да падат към Земята. По цялата повърхност на планетата гравитацията предизвиква постоянно ускорение от 9,8 m / s2, често даван символътж. Това варира все така леко в зависимост от това къде се намирате (това е около 9,78 m / s2 при екватора и 9,83 m / s2 при полюсите), но остава по принцип еднакъв по повърхността. Това ускорение кара обекта да увеличава скоростта си с 9,8 метра в секунда всяка секунда, когато попадне под гравитацията.
Импулс (стр) е тясно свързана със скоростта (v) чрез уравнението:
p = mv
така обектът набира скорост през цялото си падане. Масата на обекта не влияе върху това колко бързо пада под гравитацията, но масивните обекти имат повече инерция със същата скорост поради тази връзка.
Силата (F) въздействието върху обекта е демонстрирано във втория закон на Нютон, който гласи:
F = ma
В този случай ускорението се дължи на гравитацията, така чеа = g,което означава, че:
което е уравнението за теглото.
Въздушно съпротивление и терминална скорост
Земната атмосфера играе роля в процеса. Въздухът забавя падането на обекта поради въздушно съпротивление (по същество силата на всички въздушни молекули, които го удрят при падане), и тази сила се увеличава колкото по-бързо пада обектът. Това продължава, докато достигне точка, наречена терминална скорост, където силата надолу, дължаща се на теглото на обекта, съвпада точно със силата нагоре поради въздушното съпротивление. Когато това се случи, обектът вече не може да ускорява и продължава да пада с тази скорост, докато не се удари в земята.
На тяло като нашата луна, където няма атмосфера, този процес няма да се случи и обектът ще продължи да се ускорява поради гравитацията, докато не се удари в земята.
Трансфери на енергия върху падащ обект
Алтернативен начин да мислим за това какво се случва, когато даден обект пада към Земята, е по отношение на енергията. Преди да падне - ако приемем, че е неподвижен - обектът притежава енергия под формата на гравитационен потенциал. Това означава, че има потенциал да набере много скорост поради позицията си спрямо повърхността на Земята. Ако е неподвижен, кинетичната му енергия е нула. Когато обектът се освободи, гравитационната потенциална енергия постепенно се превръща в кинетична енергия, докато набира скорост. При липса на въздушно съпротивление, което води до загуба на някаква енергия, кинетичната енергия точно преди обектът, който удря земята, ще бъде същият като гравитационната потенциална енергия, която е имал най-високо точка.
Какво се случва, когато обект удари земята?
Когато обектът се удари в земята, кинетичната енергия трябва да отиде някъде, защото енергията не се създава или унищожава, а само се прехвърля. Ако сблъсъкът е еластичен, което означава, че обектът може да отскочи, голяма част от енергията отива в това да го отскочи отново. При всички реални сблъсъци енергията се губи, когато се удари в земята, като част от нея преминава в създаване на звук, а друга в деформиране или дори разбиване на обекта. Ако сблъсъкът е напълно нееластичен, обектът е смачкан или смазан и цялата енергия отива в създаването на звука и ефекта върху самия обект.