Kiedy obiekt spada w kierunku Ziemi, dzieje się wiele różnych rzeczy, od transferu energii przez opór powietrza po wzrost prędkości i pędu. Zrozumienie wszystkich wchodzących w grę czynników przygotowuje cię do zrozumienia szeregu problemów w fizyce klasycznej, znaczenia terminów takich jak pęd i natury zachowania energii. Krótka wersja jest taka, że gdy obiekt spada w kierunku Ziemi, nabiera prędkości i pędu, a także jego kinetyki energia wzrasta wraz ze spadkiem jej grawitacyjnej energii potencjalnej, ale to wyjaśnienie pomija wiele ważnych Detale.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Kiedy obiekt spada w kierunku Ziemi, przyspiesza z powodu siły grawitacji, nabierając prędkości i pędu, aż do siły skierowanej ku górze opór powietrza dokładnie równoważy siłę skierowaną w dół spowodowaną ciężarem obiektu pod wpływem grawitacji – punkt zwany terminalem prędkość.
Grawitacyjna energia potencjalna obiektu na początku upadku jest przekształcana w energię kinetyczną, gdy spada, a to energia kinetyczna jest wykorzystywana do wytwarzania dźwięku, powodującego odbijanie się obiektu i deformowanie lub łamanie obiektu, gdy uderza w ziemia.
Prędkość, przyspieszenie, siła i pęd
Grawitacja powoduje, że obiekty spadają w kierunku Ziemi. Na całej powierzchni planety grawitacja powoduje stałe przyspieszenie 9,8 m/s2, powszechnie określany symbolemsol. Różni się to nieznacznie w zależności od tego, gdzie jesteś (to około 9,78 m/s2 na równiku i 9,83 m/s2 na biegunach), ale pozostaje zasadniczo taka sama na całej powierzchni. Przyspieszenie to powoduje, że obiekt zwiększa prędkość o 9,8 metra na sekundę na sekundę, gdy spada pod wpływem grawitacji.
Pęd (p) jest ściśle powiązany z prędkością (v) poprzez równanie:
p=mv
więc obiekt nabiera rozpędu podczas upadku. Masa obiektu nie wpływa na to, jak szybko spada pod wpływem grawitacji, ale z powodu tej zależności masywne obiekty mają większy pęd przy tej samej prędkości.
Siła (fa) działające na przedmiot jest pokazane w drugim prawie Newtona, które stwierdza:
F=ma
W tym przypadku przyspieszenie jest spowodowane grawitacją, więcza = sol,co oznacza że:
co jest równaniem wagi.
Opór powietrza i prędkość końcowa
Atmosfera Ziemi odgrywa w tym procesie rolę. Powietrze spowalnia upadek obiektu ze względu na opór powietrza (zasadniczo siła wszystkich cząsteczek powietrza uderzających w niego podczas spadania), a siła ta wzrasta, im szybciej obiekt spada. Trwa to do momentu osiągnięcia punktu zwanego prędkością końcową, gdzie siła skierowana w dół spowodowana ciężarem obiektu dokładnie odpowiada sile skierowanej w górę spowodowanej oporem powietrza. Kiedy tak się dzieje, obiekt nie może już przyspieszać i nadal spada z tą prędkością, dopóki nie uderzy w ziemię.
Na ciele takim jak nasz Księżyc, gdzie nie ma atmosfery, ten proces nie zaszedłby, a obiekt nadal przyspieszałby pod wpływem grawitacji, aż uderzyłby w ziemię.
Przenoszenie energii na spadającym obiekcie
Alternatywnym sposobem myślenia o tym, co dzieje się, gdy obiekt spada na Ziemię, jest wykorzystanie energii. Zanim spadnie – jeśli założymy, że jest nieruchomy – obiekt posiada energię w postaci potencjału grawitacyjnego. Oznacza to, że może zwiększyć prędkość ze względu na swoje położenie względem powierzchni Ziemi. Jeśli jest nieruchomy, jego energia kinetyczna wynosi zero. Kiedy obiekt zostaje uwolniony, grawitacyjna energia potencjalna jest stopniowo przekształcana w energię kinetyczną, gdy nabiera prędkości. W przypadku braku oporu powietrza, który powoduje utratę pewnej ilości energii, energia kinetyczna tuż przed uderzenie obiektu w ziemię byłaby taka sama, jak grawitacyjna energia potencjalna, którą miał w swojej najwyższej punkt.
Co się dzieje, gdy obiekt uderza o ziemię?
Kiedy obiekt uderza w ziemię, energia kinetyczna musi gdzieś iść, ponieważ energia nie jest tworzona ani niszczona, tylko przekazywana. Jeśli zderzenie jest elastyczne, co oznacza, że obiekt może się odbić, znaczna część energii jest wykorzystywana do ponownego odbicia. We wszystkich prawdziwych zderzeniach energia jest tracona, gdy uderza w ziemię, część z niej tworzy dźwięk, a część deformuje lub nawet rozbija obiekt. Jeśli zderzenie jest całkowicie nieelastyczne, obiekt zostaje zgnieciony lub rozbity, a cała energia zostanie wykorzystana w wytworzeniu dźwięku i efektu na samym obiekcie.