Это очень известная проблема, но я не могу найти ответ в конкретном случае, который ищу.
Рассмотрим два мяча:
Сбросим их с довольно важной высоты, на землю, С воздуха. (Это важно, потому что все пруфы, которые я просматриваю, происходят в вакууме).
Я спорю с коллегой. Он считает, что шар 1 будет падать быстрее в воздухе, а оба шара будут падать с одинаковой скоростью в вакууме. Я думаю, что одинаковые формы и объемы делают одинаковым трение воздуха и что вакуум здесь не имеет значения. Может ли кто-нибудь сказать, кто прав, и предоставить небольшое доказательство?
Извините, но ваш коллега прав.
Конечно, таким же образом действует трение о воздух. Однако трение в хорошем приближении пропорционально квадрату скорости, . При предельной скорости эта сила уравновешивает гравитацию,
И поэтому
Значит, предельная скорость шара, в 10 раз тяжелее, будет примерно в 3 раза выше. В вакууме и нет конечной скорости (и нет трения), таким образом вместо .
Шар 1 будет падать быстрее в воздухе, но оба шара будут падать с одинаковой скоростью в вакууме.
В вакууме на каждый шарик действует только сила тяжести. Эта сила пропорциональна массе. Ускорение объекта под действием силы обратно пропорционально его массе, поэтому масса уравновешивается. Каждый шарик будет ускоряться одинаково, что соответствует ускорению силы тяжести для местных условий (около 9,8 м/с 2 на поверхности земли).
Однако в воздухе есть дополнительная восходящая сила из-за трения с воздухом. Эта сила зависит от скорости и формы падающего объекта. Если бы оба шара падали с одинаковой скоростью, на них воздействовала бы одинаковая восходящая сила из-за сопротивления воздуха. Эта сила не пропорциональна массе объекта, поэтому вызывает большее замедление объекта с меньшей массой.
Например, 10-килограммовый мяч тянет вниз под действием силы тяжести с силой 98 Н, тогда как 1-килограммовый мяч тянет вниз только с силой 9,8 Н. Предположим, что они падают с одинаковой скоростью по воздуху и что каждый из них испытывает 3 Н подъема вверх. сила из-за воздуха. Мяч 1 теперь тянет вниз с общей силой 95 Н, а мяч 2 с силой 6,8 Н. Это означает, что шар 1 испытывает 95 Н / 10 кг = 9,5 м/с 2 ускорения вниз, а шар 2 испытывает 6,8 Н / 1 кг = 6,8 м/с 2 ускорение вниз. Это означает, что шар 1 будет продолжать падать быстрее, чем шар 2.
F
на , а m g
затем заменить g
на ньютоновское выражение, g
шар 1 будет больше, поэтому он будет ускоряться быстрее.g
то, что будет другим, но F
(извините за глупую ошибку). F
будет отличаться между шарами и больше для шара 1, поэтому я думаю, что он должен ускоряться быстрее.g
ньютоновским выражением». Если вы подумаете о том, что на самом деле представляет собой ньютоновское выражение, вспомнив, что g — это то, что вы называете ускорением под действием силы тяжести,
, таким образом
, и это зависит только от радиуса и массы земли, а не от массы объекта, который вы сбрасываете.Другие ответы и комментарии охватывают разницу в ускорении из-за сопротивления, что будет самым большим эффектом, но не забывайте, что, если вы находитесь в атмосфере, также необходимо учитывать плавучесть.
Плавучесть создает на шариках дополнительную восходящую силу, равную весу вытесненного воздуха. Поскольку на каждый шар действует одна и та же сила, ускорение, вызванное этой силой, будет различаться в зависимости от массы мяча.
Это легче всего проиллюстрировать, если рассмотреть один шар как свинцовый, а другой как воздушный шар с гелием — очевидно, что воздушный шар с гелием не падает, потому что он легче вытесняемого им воздуха. Восходящая сила плавучести больше, чем направленная вниз сила тяжести.
В более тяжелой жидкости, такой как вода, этот эффект еще более выражен.
Я не удовлетворен тем, как ответил @Bernhard, поскольку он просто показывает максимальную скорость, таким образом, лишь частично отвечая на вопрос.
Сопротивление воздуха можно записать в виде:
Применение закона Ньютона к одному из объектов дает в любой момент падения:
Как видите, ускорение зависит от массы объекта. . Более тяжелый предмет будет ускоряться больше, чем более легкий, поэтому будет двигаться быстрее в течение всего падения. Оба объекта в какой-то момент достигнут максимальной скорости, что хорошо объясняется в ответе @Bernhard.
Таким образом, в любой момент падения ваш более тяжелый объект будет быстрее более легкого.
Поскольку воздух создает силу, приблизительно пропорциональную квадрату скорости, ускорение каждой сферы равно Чистое ускорение на каждой сфере равно . По мере увеличения скорости, увеличивается до тех пор, пока чистое ускорение становится нулем , и, таким образом, каждая сфера достигает своей конечной скорости.
После использования итерационного метода я определил, что масса 1 кг достигает конечной скорости примерно за 10 секунд, а масса 10 кг примерно за 33 секунды. Хотя сферы достигают своей конечной скорости в разное время, большая масса достигает большей скорости, потому что более легкая масса достигает своей конечной скорости раньше и после этого не увеличивается. Более тяжелой массе требуется больше времени, чтобы достичь конечной скорости, и поэтому она становится больше. Таким образом, более тяжелая масса быстрее достигнет земли.
Эту задачу легко решить по формуле «F=ma». Вы должны быть знакомы с причиной, по которой он будет падать с такой же скоростью в вакууме. Но если мы говорим о свободном падении в атмосфере, как вы сказали, будет трение от курса, а так как объекты имеют одинаковую форму, то оно будет одинаковым.
Так как сила трения на двух телах одинакова, то у того, у которого масса больше, ускорение меньше (отрицательное), а у тела с меньшей массой — большее (отрицательное) ускорение. Таким образом, мяч с меньшей массой будет замедлен в большей степени (чем мяч с большей массой).
ВСЕГДА помните, F=ma. Сила зависит ТОЛЬКО от массы, а НЕ от плотности!
PS - я не знаю, почему другие так усложняют задачу с помощью этих формул!
Дэвидмх
Ник Т
Петр
Аарон Новструп
Александр Гельбух
Александр Гельбух
Генри Ф
Петр