Гранична швидкість падіння
Рейтинг: 5/5
Швидкість падіння тіла в газі або рідини стабілізується після досягнення тілом швидкості, при якій сила гравітаційного тяжіння врівноважується силою опору середовища.
Відповідно до законів механіки Ньютона. тіло, що знаходиться в стані вільного падіння, має рухатися рівноприскореному, оскільки на нього діє нічим не врівноважена сила земного тяжіння. При падінні тіла в земній атмосфері (або будь-який інший газоподібної або рідкому середовищі) ми, однак, спостерігаємо іншу картину, оскільки на сцену виходить ще одна сила. Падаючи, тіло повинно розсовувати собою молекули повітря, які протидіють цьому, в результаті чого починає діяти сила аеродинамічного опору або в'язкого гальмування. Чим вище швидкість падіння, тим сильніше опір. І, коли спрямована вгору сила в'язкого гальмування порівнюється за величиною з спрямованої вниз гравітаційної силою, їх рівнодіюча стає рівною нулю, і тіло переходить зі стану прискореного падіння в стан рівномірного падіння. Швидкість такого рівномірного падіння називається граничною швидкістю падіння тіла в середовищі.
Модуль граничної швидкості падіння залежить від аеродинамічних або гідродинамічних властивостей тіла, тобто, від ступеня його обтічності. У найпростішому випадку ідеально обтічного тіла навколо нього не утворюється ніяких додаткових завихрень, що перешкоджають падінню, - так званих турбулентності - і ми спостерігаємо ламінарний потік. У ламінарному потоці сила опору в'язкої середовища зростає прямо пропорційно швидкості тіла. Навколо дрібних дощових крапель в повітрі, наприклад, утворюється класичний ламінарний потік. При цьому гранична швидкість падіння таких крапель буде дуже мала - близько 5 км / год, що відповідає швидкості прогулянкового кроку. Ось чому дрібний дощ деколи здається «завислим» в повітрі. Ще меншу граничну швидкість мали масляні краплі, використані в досвіді Милликена.
При русі в в'язкому середовищі більших об'єктів, однак, починають переважати інші ефекти і закономірності. При досягненні дощовими краплями діаметра всього лише в десяті частки міліметра навколо них починають утворюватися так звані завихрення в результаті зриву потоку. Ви їх, можливо, спостерігали досить наочно: коли машина восени їде по дорозі, засипаній опалим листям, сухе листя не просто розмітаються по сторонам від машини, але починають кружляти в подобі вальсу. Описувані ними кола в точності повторюють лінії вихорів фон Кармана. які отримали свою назву на честь інженера-фізика угорського походження Теодора фон Кармана (Theodore von Kármán, 1881-1963), який, емігрувавши в США і працюючи в Каліфорнійському технологічному інституті, став одним з основоположників сучасної прикладної аеродинаміки. Цими турбулентними вихорами зазвичай і обумовлено гальмування - саме вони вносять основний внесок в те, що машина або літак, розігнавшись до певної швидкості, стикаються зі зростаючим опором повітря і далі прискорюватися не в змозі. Якщо вам доводилося на великій швидкості роз'їжджатися на своєму легковому автомобілі з важким і швидким зустрічним фургоном і машину починало «водити» з боку в бік, знайте: ви потрапили у вир фон Кармана і познайомилися з ним не з чуток.
При вільному падінні крупних тел в атмосфері завихрення починаються практично відразу, і гранична швидкість падіння досягається дуже швидко. Для парашутистів, наприклад, гранична швидкість становить від 190 км / год при максимальному опорі повітря, коли вони падають долілиць, розкинувши руки, до 240 км / год при пірнанні «рибкою» або «солдатиком».