Hvad sker der som et objekt falder mod jorden?

Når en genstand falder mod jorden, sker der mange forskellige ting, lige fra energioverførsler til luftmotstand over for stigende hastighed og momentum. Forståelse af alle faktorer ved spil forbereder dig til at forstå en række problemer i klassisk fysik, betydningen af ​​begreber som momentum og naturens bevarelse af energi. Den korte version er, at når et objekt falder mod jorden, får det fart og momentum, og dets kinetiske energi stiger, mens dens tyngdekraftpotentiel energi falder, men denne forklaring springer mange vigtige detaljer i.

TL; DR (for længe , Ikke læst)

Når et objekt falder mod jorden, accelereres det på grund af tyngdekraften, der opnår fart og momentum, indtil luftens modstand styrker nøjagtigheden af ​​den nedadgående kraft på grund af objektets vægt under tyngdekraften - et punkt benævnt terminalhastighed.

Gravitationspotentialet energi, som et objekt har i starten af ​​et fald, omdannes til kinetisk energi som det falder, og denne kinetiske energi går i at producere lyd, hvilket gør objektet at hoppe og deformere eller bryde objektet som det rammer jorden.

Hastighed, acceleration, kraft og moment

Gravity får objekter til at falde mod jorden. Over hele overfladen af ​​planeten forårsager tyngdekraften en konstant acceleration på 9,8 m /s ^{2, som almindeligvis gives symbolet g
. Dette varierer alligevel så lidt afhængigt af hvor du er (det er ca. 9,78 m /s 2 ved ækvator og 9,83 m /s 2 ved polerne), men det forbliver stort set det samme over overfladen. Denne acceleration får objektet til at stige i hastighed med 9,8 meter pr. Sekund hvert sekund, det falder under tyngdekraft.}

Momentum ( p
) er tæt forbundet med hastigheden ( v
) gennem ligningen p
= mv
, så objektet får fart i løbet af dets fald. Objektets masse påvirker ikke hvor hurtigt det falder under tyngdekraften, men massive genstande har mere momentum i samme hastighed på grund af dette forhold.

Kraften ( F
) virker på objektet er demonstreret i Newtons anden lov, der angiver F
= ma
, så kraften = masse × acceleration. I dette tilfælde er accelerationen på grund af tyngdekraften, så a
= g,
hvilket betyder at F
= mg
, ligningen for vægt.

Luftmodstand og terminalhastighed
Jordens atmosfære spiller en rolle i processen. Luften sænker objektets fald på grund af luftmotstanden (i det væsentlige kraften af ​​alle luftmolekylerne rammer den som den falder), og denne kraft øges jo hurtigere objektet falder. Dette fortsætter, indtil det når et punkt kaldet terminalhastighed, hvor den nedadgående kraft på grund af objektets vægt svarer nøjagtigt til den opadgående kraft på grund af luftmotstanden. Når dette sker, kan objektet ikke accelerere længere og fortsætter med at falde med den hastighed, indtil den rammer jorden.

På en krop som vores måne, hvor der ikke er nogen atmosfære, ville denne proces ikke forekomme, og objektet ville fortsætte med at accelerere på grund af tyngdekraften, indtil det ramte jorden.

Energioverførsler på et faldende objekt

En alternativ måde at tænke på, hvad der sker, når et objekt falder mod jorden, er i vilkår for energi. Før det falder - hvis vi antager det er stationært - har genstanden energi i form af gravitationspotentiale. Det betyder, at det har potentialet til at hente meget fart på grund af sin position i forhold til jordens overflade. Hvis den er stationær, er dens kinetiske energi nul. Når objektet frigives, omdannes den gravitationspotentielle energi gradvist til kinetisk energi, da den henter fart. I mangel af luftmodstand, som forårsager, at noget energi går tabt, vil den kinetiske energi lige før objektet rammer jorden, være den samme som den gravitationspotentiale energi, den havde på sit højeste punkt.

Hvad sker der et objekt rammer jorden?

Når objektet rammer jorden, skal den kinetiske energi gå et sted, fordi energi ikke er skabt eller ødelagt, kun overført. Hvis kollisionen er elastisk, hvilket betyder, at objektet kan hoppe, går meget af energien ind, så den hopper op igen. I alle virkelige kollisioner går energi tabt, når det rammer jorden, en del af det går i at skabe en lyd, og nogle går i at deformere eller endda bryde objektet fra hinanden. Hvis kollisionen er helt uelastisk, bliver objektet squashed eller knust, og hele energien går ud på at skabe lyden og effekten på selve objektet.