Quando un oggetto cade verso la Terra, accadono molte cose diverse, che vanno dai trasferimenti di energia alla resistenza dell'aria all'aumento della velocità e del momento. Comprendere tutti i fattori in gioco ti prepara a comprendere una serie di problemi della fisica classica, il significato di termini come quantità di moto e la natura della conservazione dell'energia. La versione breve è che quando un oggetto cade verso la Terra, guadagna velocità e quantità di moto, e la sua cinetica l'energia aumenta quando la sua energia potenziale gravitazionale diminuisce, ma questa spiegazione salta molti importanti dettagli.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Quando un oggetto cade verso la Terra, accelera a causa della forza di gravità, guadagnando velocità e slancio fino a quando la forza verso l'alto di la resistenza dell'aria bilancia esattamente la forza verso il basso dovuta al peso dell'oggetto sotto gravità - un punto indicato come terminale velocità.
L'energia potenziale gravitazionale che un oggetto ha all'inizio di una caduta viene convertita in energia cinetica mentre cade, e questo l'energia cinetica entra nella produzione del suono, facendo rimbalzare l'oggetto e deformando o rompendo l'oggetto quando colpisce il terra.
Velocità, accelerazione, forza e momento
La gravità fa cadere gli oggetti verso la Terra. Su tutta la superficie del pianeta, la gravità provoca un'accelerazione costante di 9,8 m/s2, comunemente dato il simbolog. Questo varia leggermente a seconda di dove ti trovi (è circa 9,78 m/s2 all'equatore e 9,83 m/s2 ai poli), ma rimane sostanzialmente lo stesso su tutta la superficie. Questa accelerazione fa sì che l'oggetto aumenti di velocità di 9,8 metri al secondo ogni secondo in cui cade sotto gravità.
Quantità di moto (p) è strettamente legato alla velocità (v) attraverso l'equazione:
p=mv
quindi l'oggetto acquista slancio durante la sua caduta. La massa dell'oggetto non influisce sulla velocità con cui cade sotto la gravità, ma gli oggetti massicci hanno più slancio alla stessa velocità a causa di questa relazione.
La forza (F) che agisce sull'oggetto è dimostrato dalla seconda legge di Newton, che afferma:
F=ma
In questo caso, l'accelerazione è dovuta alla gravità, quindiun = g,che significa che:
che è l'equazione del peso.
Resistenza dell'aria e velocità terminale
L'atmosfera terrestre gioca un ruolo nel processo. L'aria rallenta la caduta dell'oggetto a causa della resistenza dell'aria (essenzialmente la forza di tutte le molecole d'aria che lo colpiscono mentre cade), e questa forza aumenta quanto più velocemente l'oggetto cade. Questo continua fino a raggiungere un punto chiamato velocità terminale, dove la forza verso il basso dovuta al peso dell'oggetto corrisponde esattamente alla forza verso l'alto dovuta alla resistenza dell'aria. Quando ciò accade, l'oggetto non può più accelerare e continua a cadere a quella velocità finché non colpisce il suolo.
Su un corpo come la nostra luna, dove non c'è atmosfera, questo processo non si verificherebbe e l'oggetto continuerebbe ad accelerare a causa della gravità fino a toccare il suolo.
Trasferimenti di energia su un oggetto che cade
Un modo alternativo di pensare a cosa succede quando un oggetto cade verso la Terra è in termini di energia. Prima che cada, se assumiamo che sia stazionario, l'oggetto possiede energia sotto forma di potenziale gravitazionale. Ciò significa che ha il potenziale per acquisire molta velocità grazie alla sua posizione rispetto alla superficie della Terra. Se è stazionario, la sua energia cinetica è zero. Quando l'oggetto viene rilasciato, l'energia potenziale gravitazionale viene gradualmente convertita in energia cinetica man mano che aumenta la velocità. In assenza di resistenza dell'aria, che provoca la perdita di energia, l'energia cinetica appena prima del l'oggetto colpisce il suolo sarebbe la stessa dell'energia potenziale gravitazionale che aveva al suo massimo punto.
Cosa succede quando un oggetto colpisce il suolo?
Quando l'oggetto colpisce il suolo, l'energia cinetica deve andare da qualche parte, perché l'energia non viene creata o distrutta, ma solo trasferita. Se la collisione è elastica, il che significa che l'oggetto può rimbalzare, gran parte dell'energia va a farlo rimbalzare di nuovo. In tutte le collisioni reali, l'energia viene persa quando colpisce il suolo, parte di essa va a creare un suono e parte va a deformare o addirittura a rompere l'oggetto. Se l'urto è completamente anelastico, l'oggetto viene schiacciato o frantumato e tutta l'energia va a creare il suono e l'effetto sull'oggetto stesso.