Når et objekt falder mod jorden, sker der mange forskellige ting, der spænder fra energioverførsler til luftmodstand til stigende hastighed og momentum. At forstå alle de faktorer, der spiller, forbereder dig til at forstå en række problemer inden for klassisk fysik, betydningen af udtryk som momentum og arten af bevarelse af energi. Den korte version er, at når et objekt falder mod jorden, får det fart og momentum og dets kinetiske energi stiger, når dens tyngdepotentiale energi falder, men denne forklaring springer over mange vigtige detaljer.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
Når et objekt falder mod jorden, accelererer det på grund af tyngdekraften og vinder hastighed og momentum indtil den opadgående kraft af luftmodstand afbalancerer nøjagtigt den nedadgående kraft på grund af genstandens vægt under tyngdekraften - et punkt kaldet terminal hastighed.
Den tyngdepotentialenergi, som et objekt har i starten af et fald, omdannes til kinetisk energi, når det falder, og dette kinetisk energi går i at producere lyd, hvilket får objektet til at hoppe og deformere eller bryde objektet, når det rammer jord.
Hastighed, acceleration, kraft og momentum
Tyngdekraften får genstande til at falde ned mod jorden. Over hele planetens overflade forårsager tyngdekraften en konstant acceleration på 9,8 m / s2, ofte givet symboletg. Dette varierer lige så lidt afhængigt af hvor du er (det er cirka 9,78 m / s2 ved ækvator og 9,83 m / s2 ved polerne), men det forbliver stort set det samme over overfladen. Denne acceleration får objektet til at stige i hastighed med 9,8 meter pr. Sekund hvert sekund, det falder under tyngdekraften.
Momentum (s) er tæt knyttet til hastighed (v) gennem ligningen:
p = mv
så genstanden får fart gennem hele sit fald. Objektets masse påvirker ikke, hvor hurtigt det falder under tyngdekraften, men massive genstande har mere momentum med samme hastighed på grund af dette forhold.
Kraften (F), der handler på objektet, demonstreres i Newtons anden lov, der siger:
F = ma
I dette tilfælde skyldes accelerationen tyngdekraften-en = g,hvilket betyder at:
hvilket er ligningen for vægt.
Luftmodstand og terminalhastighed
Jordens atmosfære spiller en rolle i processen. Luften nedsætter objektets fald på grund af luftmodstand (i det væsentlige kraften fra alle luftmolekyler, der rammer det, når det falder), og denne kraft øges, jo hurtigere objektet falder. Dette fortsætter, indtil det når et punkt kaldet terminalhastighed, hvor den nedadgående kraft på grund af objektets vægt nøjagtigt svarer til den opadgående kraft på grund af luftmodstand. Når dette sker, kan objektet ikke accelerere mere og fortsætter med at falde med den hastighed, indtil det rammer jorden.
På en krop som vores måne, hvor der ikke er nogen atmosfære, ville denne proces ikke forekomme, og objektet ville fortsætte med at accelerere på grund af tyngdekraften, indtil det ramte jorden.
Energioverførsler på et faldende objekt
En alternativ måde at tænke på, hvad der sker, når et objekt falder mod Jorden, er i form af energi. Før det falder - hvis vi antager, at det er stille - har objektet energi i form af tyngdepotentiale. Dette betyder, at det har potentialet til at opfange meget fart på grund af dets position i forhold til jordens overflade. Hvis den er stationær, er dens kinetiske energi nul. Når genstanden frigøres, omdannes tyngdepotentialenergien gradvist til kinetisk energi, når den tager fart. I mangel af luftmodstand, som får noget energi til at gå tabt, kan den kinetiske energi lige før objekt rammer jorden ville være det samme som den gravitationelle potentielle energi, den havde på sit højeste punkt.
Hvad sker der, når et objekt rammer jorden?
Når objektet rammer jorden, skal den kinetiske energi gå et eller andet sted, fordi energi ikke skabes eller ødelægges, kun overføres. Hvis kollisionen er elastisk, hvilket betyder, at genstanden kan hoppe, går meget af energien i at få den til at hoppe op igen. I alle reelle kollisioner går energi tabt, når den rammer jorden, noget af det går i at skabe en lyd, og noget går i at deformere eller endda bryde objektet fra hinanden. Hvis kollisionen er fuldstændig uelastisk, klemmes eller knuses genstanden, og al energi går i at skabe lyden og effekten på selve objektet.
