Wanneer een object in de richting van de aarde valt, gebeuren er veel verschillende dingen, variërend van energieoverdrachten tot luchtweerstand tot stijgende snelheid en momentum. Als u alle factoren begrijpt die een rol spelen, bereidt u zich voor op het begrijpen van een reeks problemen in de klassieke natuurkunde, de betekenis van termen als momentum en de aard van het behoud van energie. De korte versie is dat wanneer een object naar de aarde valt, het snelheid en momentum krijgt, en zijn kinetische energie neemt toe naarmate de potentiële energie van de zwaartekracht daalt, maar deze uitleg slaat veel belangrijke over details.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Wanneer een object in de richting van de aarde valt, versnelt het door de zwaartekracht en wint het aan snelheid en momentum tot de opwaartse kracht van luchtweerstand balanceert precies de neerwaartse kracht als gevolg van het gewicht van het object onder zwaartekracht - een punt dat terminal wordt genoemd snelheid.
De gravitatie-potentiële energie die een object heeft aan het begin van een val, wordt tijdens het vallen omgezet in kinetische energie, en dit kinetische energie gaat naar het produceren van geluid, waardoor het object stuitert en het object vervormt of breekt wanneer het de grond.
Snelheid, versnelling, kracht en momentum
Zwaartekracht zorgt ervoor dat objecten naar de aarde vallen. Over het hele oppervlak van de planeet zorgt de zwaartekracht voor een constante versnelling van 9,8 m/s2, meestal gezien het symboolg. Dit varieert enigszins, afhankelijk van waar je bent (het is ongeveer 9,78 m/s2 op de evenaar en 9,83 m/s2 aan de polen), maar aan de oppervlakte blijft het grotendeels hetzelfde. Deze versnelling zorgt ervoor dat het object elke seconde met 9,8 meter per seconde in snelheid toeneemt als het onder de zwaartekracht valt.
momentum (p) is nauw verbonden met snelheid (v) door de vergelijking:
p=mv
dus het object krijgt tijdens zijn val vaart. De massa van het object heeft geen invloed op hoe snel het onder de zwaartekracht valt, maar massieve objecten hebben meer momentum bij dezelfde snelheid vanwege deze relatie.
De kracht (F) handelen op het object wordt aangetoond in de tweede wet van Newton, die stelt:
F=ma
In dit geval is de versnelling het gevolg van de zwaartekracht, duseen = g,wat betekent dat:
dat is de vergelijking voor gewicht.
Luchtweerstand en eindsnelheid
De atmosfeer van de aarde speelt een rol in het proces. De lucht vertraagt de val van het object vanwege de luchtweerstand (in wezen de kracht van alle luchtmoleculen die het raken terwijl het valt), en deze kracht neemt toe naarmate het object sneller valt. Dit gaat door totdat het een punt bereikt dat eindsnelheid wordt genoemd, waar de neerwaartse kracht als gevolg van het gewicht van het object exact overeenkomt met de opwaartse kracht als gevolg van luchtweerstand. Wanneer dit gebeurt, kan het object niet meer versnellen en blijft het met die snelheid vallen totdat het de grond raakt.
Op een lichaam zoals onze maan, waar geen atmosfeer is, zou dit proces niet plaatsvinden, en het object zou door de zwaartekracht blijven versnellen totdat het de grond zou raken.
Energieoverdrachten op een vallend voorwerp
Een alternatieve manier om na te denken over wat er gebeurt als een object naar de aarde valt, is in termen van energie. Voordat het valt – als we aannemen dat het stilstaat – bezit het object energie in de vorm van zwaartekrachtpotentieel. Dit betekent dat het de potentie heeft om veel snelheid op te pikken vanwege zijn positie ten opzichte van het aardoppervlak. Als het stationair is, is de kinetische energie nul. Wanneer het object wordt losgelaten, wordt de potentiële zwaartekrachtenergie geleidelijk omgezet in kinetische energie naarmate het sneller gaat. Bij afwezigheid van luchtweerstand, waardoor er wat energie verloren gaat, zal de kinetische energie net voor de object de grond raakt zou hetzelfde zijn als de zwaartekracht potentiële energie die het op zijn hoogst had punt.
Wat gebeurt er als een voorwerp de grond raakt?
Wanneer het object de grond raakt, moet de kinetische energie ergens heen gaan, omdat energie niet wordt gecreëerd of vernietigd, maar alleen wordt overgedragen. Als de botsing elastisch is, wat betekent dat het object kan stuiteren, gaat veel van de energie erin om het weer omhoog te laten stuiteren. Bij alle echte botsingen gaat energie verloren wanneer deze de grond raakt, een deel ervan gaat naar het creëren van een geluid en een deel gaat naar het vervormen of zelfs uit elkaar vallen van het object. Als de botsing volledig onelastisch is, wordt het object platgedrukt of verpletterd en gaat alle energie naar het creëren van het geluid en het effect op het object zelf.