Mitä tapahtuu, kun esine putoaa kohti maapalloa?

Kun esine putoaa kohti maapalloa, tapahtuu paljon erilaisia ​​asioita, energiansiirroista ilmanvastukseen, nopeuden ja vauhdin nousuun. Kaikkien pelaavien tekijöiden ymmärtäminen valmistaa sinut ymmärtämään monia klassisen fysiikan ongelmia, sellaisten termien merkitystä kuin liikemäärä ja energiansäästön luonne. Lyhyt versio on, että kun esine putoaa kohti maapalloa, se saa nopeuden ja vauhdin sekä kineettisen energia kasvaa, kun sen gravitaatiopotentiaalienergia putoaa, mutta tämä selitys ohittaa monet tärkeät yksityiskohdat.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Kun esine putoaa kohti maapalloa, se kiihtyy painovoiman vaikutuksesta ja saa nopeutta ja vauhtia, kunnes ilmavastus tasapainottaa tarkasti kohteen painosta johtuvaa alaspäin suuntautuvaa voimaa - piste, jota kutsutaan terminaaliksi nopeus.

Kohteen gravitaatiopotentiaalienergia putoamisen alkaessa muuttuu kineettiseksi energiaksi sen pudotessa, ja tämä kineettinen energia menee äänen tuottamiseen, aiheuttaen kohteen pomppimisen, ja muodonmuutoksen tai rikkomisen, kun se osuu maahan.

Painovoima saa esineet putoamaan kohti maata. Koko planeetan pinnalla painovoima aiheuttaa jatkuvan kiihtyvyyden 9,8 m / s², yleisesti annettu symbolig. Tämä vaihtelee aina niin vähän riippuen missä olet (se on noin 9,78 m / s² päiväntasaajalla ja 9,83 m / s² pylväissä), mutta se pysyy suurin piirtein samana pinnan poikki. Tämä kiihtyvyys saa kohteen kasvamaan nopeudella 9,8 metriä sekunnissa joka sekunti, kun se putoaa painovoiman alle.

Vauhti (s) liittyy läheisesti nopeuteen (v) yhtälön avulla:

joten esine saa vauhtia koko putoamisensa ajan. Kohteen massa ei vaikuta siihen, kuinka nopeasti se putoaa painovoiman alle, mutta massiivisilla esineillä on enemmän vauhtia samalla nopeudella tämän suhteen takia.

Voima (F) esineeseen vaikuttava on osoitettu Newtonin toisessa laissa, jossa todetaan:

Tässä tapauksessa kiihtyvyys johtuu painovoimasta, jotena​ = ​g,mikä tarkoittaa, että:

mikä on painoyhtälö.

Maan ilmakehällä on rooli prosessissa. Ilma hidastaa kohteen putoamista ilmanvastuksen vuoksi (lähinnä kaikkien siihen osuvien ilmamolekyylien voima putoamisen aikana), ja tämä voima kasvaa sitä nopeammin esine putoaa. Tämä jatkuu, kunnes se saavuttaa pään, jota kutsutaan terminaalinopeudeksi, jossa kohteen painosta johtuva alaspäin suuntautuva voima vastaa tarkalleen ilmavastuksen aiheuttamaa ylöspäin suuntautuvaa voimaa. Kun näin tapahtuu, esine ei voi kiihtyä enää ja putoaa edelleen tällä nopeudella, kunnes se osuu maahan.

Kuun kaltaisessa ruumiissa, jossa ei ole ilmakehää, tätä prosessia ei tapahtuisi, ja esine jatkaisi kiihtymistä painovoiman vuoksi, kunnes se osuu maahan.

Vaihtoehtoinen tapa ajatella, mitä tapahtuu, kun esine putoaa kohti maata, on energian kannalta. Ennen kuin se putoaa - jos oletamme sen olevan paikallaan - esineellä on energiaa gravitaatiopotentiaalin muodossa. Tämä tarkoittaa sitä, että sillä on mahdollisuus nousta paljon nopeutta johtuen sijainnistaan ​​maan pintaan nähden. Jos se on paikallaan, sen liike-energia on nolla. Kun kohde vapautetaan, gravitaatiopotentiaalienergia muuttuu vähitellen kineettiseksi energiaksi, kun se lisää nopeutta. Ilman vastuksen puuttuessa, mikä aiheuttaa energian menetystä, kineettinen energia juuri ennen esine iskeytyy maahan olisi sama kuin painovoimapotentiaalienergia, joka sillä oli korkeimmillaan kohta.

Kun esine osuu maahan, kineettisen energian on mentävä jonnekin, koska energiaa ei luoda tai tuhota, vaan vain siirretään. Jos törmäys on joustava, mikä tarkoittaa, että esine voi pomppia, suuri osa energiasta menee siihen, että se palautuu ylös. Kaikissa todellisissa törmäyksissä energia menetetään, kun se osuu maahan, osa siitä menee äänen luomiseen ja osa muodonmuutokseen tai jopa hajottaa kohteen. Jos törmäys on täysin joustamaton, esine puristetaan tai murskataan, ja kaikki energia menee äänen ja vaikutuksen luomiseen itse esineeseen.