Όταν ένα αντικείμενο πέφτει προς τη Γη, συμβαίνουν πολλά διαφορετικά πράγματα, από τη μεταφορά ενέργειας έως την αντίσταση του αέρα έως την αύξηση της ταχύτητας και της ορμής. Η κατανόηση όλων των παραγόντων στο παιχνίδι σας προετοιμάζει για την κατανόηση μιας σειράς προβλημάτων στην κλασική φυσική, την έννοια των όρων όπως η ορμή και τη φύση της εξοικονόμησης ενέργειας. Η σύντομη εκδοχή είναι ότι όταν ένα αντικείμενο πέφτει προς τη Γη, κερδίζει ταχύτητα και ορμή και την κινητική του η ενέργεια αυξάνεται καθώς η δυναμική της βαρύτητάς της πέφτει, αλλά αυτή η εξήγηση παραλείπει πολλά σημαντικά Λεπτομέριες.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Όταν ένα αντικείμενο πέφτει προς τη Γη, επιταχύνεται λόγω της δύναμης της βαρύτητας, κερδίζοντας ταχύτητα και ορμή μέχρι την ανοδική δύναμη του η αντίσταση του αέρα εξισορροπεί ακριβώς την προς τα κάτω δύναμη λόγω του βάρους του αντικειμένου κάτω από τη βαρύτητα - ένα σημείο που αναφέρεται ως τερματικό ταχύτητα.
Η δυνητική ενέργεια βαρύτητας που έχει ένα αντικείμενο στην αρχή μιας πτώσης μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια καθώς πέφτει, και αυτό η κινητική ενέργεια πηγαίνει στην παραγωγή ήχου, προκαλώντας την αναπήδηση του αντικειμένου και παραμόρφωση ή σπάσιμο του αντικειμένου καθώς χτυπά το έδαφος.
Ταχύτητα, επιτάχυνση, δύναμη και ορμή
Η βαρύτητα προκαλεί την πτώση των αντικειμένων προς τη Γη. Σε ολόκληρη την επιφάνεια του πλανήτη, η βαρύτητα προκαλεί συνεχή επιτάχυνση 9,8 m / s2, συνήθως δίνεται το σύμβολοσολ. Αυτό ποικίλλει τόσο ελαφρώς ανάλογα με το πού βρίσκεστε (είναι περίπου 9,78 m / s2 στον ισημερινό και 9,83 m / s2 στους πόλους), αλλά παραμένει γενικά το ίδιο σε όλη την επιφάνεια. Αυτή η επιτάχυνση προκαλεί την αύξηση της ταχύτητας του αντικειμένου κατά 9,8 μέτρα ανά δευτερόλεπτο κάθε δευτερόλεπτο πέφτει κάτω από τη βαρύτητα.
Ορμή (Π) συνδέεται στενά με την ταχύτητα (β) μέσω της εξίσωσης:
p = mv
έτσι το αντικείμενο κερδίζει ορμή καθ 'όλη την πτώση του. Η μάζα του αντικειμένου δεν επηρεάζει πόσο γρήγορα πέφτει κάτω από τη βαρύτητα, αλλά τα τεράστια αντικείμενα έχουν περισσότερη ορμή με την ίδια ταχύτητα λόγω αυτής της σχέσης.
Η δύναμη (φά) η δράση πάνω στο αντικείμενο αποδεικνύεται στο δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, ο οποίος ορίζει:
F = μα
Σε αυτήν την περίπτωση, η επιτάχυνση οφείλεται στη βαρύτητα, έτσιένα = σολ,το οποίο σημαίνει ότι:
που είναι η εξίσωση για το βάρος.
Αντίσταση αέρα και ταχύτητα τερματικού
Η ατμόσφαιρα της Γης παίζει ρόλο στη διαδικασία. Ο αέρας επιβραδύνει την πτώση του αντικειμένου λόγω της αντίστασης του αέρα (ουσιαστικά η δύναμη όλων των μορίων του αέρα που το χτυπούν καθώς πέφτει) και αυτή η δύναμη αυξάνεται όσο πιο γρήγορα πέφτει το αντικείμενο. Αυτό συνεχίζεται μέχρι να φτάσει σε ένα σημείο που ονομάζεται τερματική ταχύτητα, όπου η προς τα κάτω δύναμη λόγω του βάρους του αντικειμένου ταιριάζει ακριβώς με την ανοδική δύναμη λόγω της αντίστασης του αέρα. Όταν συμβεί αυτό, το αντικείμενο δεν μπορεί να επιταχυνθεί πια και συνεχίζει να πέφτει με αυτήν την ταχύτητα μέχρι να φτάσει στο έδαφος.
Σε ένα σώμα όπως το φεγγάρι μας, όπου δεν υπάρχει ατμόσφαιρα, αυτή η διαδικασία δεν θα συνέβαινε και το αντικείμενο θα συνέχιζε να επιταχύνεται λόγω της βαρύτητας μέχρι να χτυπήσει στο έδαφος.
Μεταφορά ενέργειας σε ένα αντικείμενο που πέφτει
Ένας εναλλακτικός τρόπος να σκεφτούμε τι συμβαίνει καθώς ένα αντικείμενο πέφτει προς τη Γη είναι από την άποψη της ενέργειας. Πριν πέσει - αν υποθέσουμε ότι είναι ακίνητο - το αντικείμενο διαθέτει ενέργεια με τη μορφή βαρυτικού δυναμικού. Αυτό σημαίνει ότι έχει τη δυνατότητα να πάρει πολύ ταχύτητα λόγω της θέσης του σε σχέση με την επιφάνεια της Γης. Εάν είναι σταθερή, η κινητική του ενέργεια είναι μηδενική. Όταν απελευθερώνεται το αντικείμενο, η δυναμική βαρυτική ενέργεια μετατρέπεται σταδιακά σε κινητική ενέργεια καθώς παίρνει ταχύτητα. Ελλείψει αντίστασης στον αέρα, η οποία προκαλεί απώλεια ενέργειας, η κινητική ενέργεια λίγο πριν ένα αντικείμενο χτυπά το έδαφος θα είναι το ίδιο με τη βαρυτική δυναμική ενέργεια που είχε στα υψηλότερα σημείο.
Τι συμβαίνει όταν ένα αντικείμενο χτυπά το έδαφος;
Όταν το αντικείμενο χτυπά το έδαφος, η κινητική ενέργεια πρέπει να πάει κάπου, επειδή η ενέργεια δεν δημιουργείται ή καταστρέφεται, μεταφέρεται μόνο. Εάν η σύγκρουση είναι ελαστική, που σημαίνει ότι το αντικείμενο μπορεί να αναπηδήσει, μεγάλο μέρος της ενέργειας πηγαίνει στο να ανακάμψει ξανά. Σε όλες τις πραγματικές συγκρούσεις, η ενέργεια χάνεται όταν χτυπά το έδαφος, μερικές από αυτές δημιουργούν έναν ήχο και μερικές πηγαίνουν σε παραμόρφωση ή ακόμη και σπάζουν το αντικείμενο. Εάν η σύγκρουση είναι τελείως ανελαστική, το αντικείμενο συμπιέζεται ή συνθλίβεται και όλη η ενέργεια πηγαίνει στη δημιουργία του ήχου και της επίδρασης στο ίδιο το αντικείμενο.