Kodėl plunksna krenta lėtai?
Trumpas atsakymas: Plunksna krenta lėtai, nes judant ją spaudžia oras. Tas stūmimas aukštyn (oro pasipriešinimas arba tempimas) yra didelis, palyginti su mažu plunksnos svoriu, todėl ji pasiekia mažą pastovų greitį.
Kas iš tikrųjų vyksta?
Gravitacija viską link Žemės traukia tuo pačiu būdu, įskaitant ir plunksnas. Plunksnai judant žemyn, ji atsitrenkia į oro molekules. Šie susidūrimai sukuria jėgą, vadinamą oro pasipriešinimu, kuri stumia krintančią plunksną aukštyn.
Plunksna yra lengva ir išsklaidyta, todėl pagal savo svorį ji pagauna daug oro. Oro pasipriešinimas greitai auga, kol išlygina gravitaciją. Kai šios jėgos subalansuojasi, plunksna nustoja greitėti ir krenta pastoviu, mažu greičiu, vadinamu galutiniu greičiu.
Jei popierinį rutulį padarysite mažą ir kompaktišką, jis kris greičiau, nes, esant tokiam pačiam svoriui, jį spaudžia mažiau oro. Vakuume be oro plunksna ir sunkus objektas krenta kartu, nes oro pasipriešinimas išnyksta.
Ką sako fizika
Įvardyti dėsniai / principai: Pagrindinės idėjos yra gravitacija, oro pasipriešinimas (dar vadinamas tempimu) ir galutinis greitis.
Gravitacija kiekvienam objektui suteikia tą patį pagreitį Žemės link, jei neveikia jokios kitos jėgos. Oro pasipriešinimas priklauso nuo objekto formos, ploto, greičio ir oro tankio. Daugelio objektų pasipriešinimo jėga didėja didėjant greičiui (maždaug greičio kvadratu greitiems srautams) ir didėjant skerspjūvio plotui; inžinieriai tai apibūdina pasipriešinimo koeficientu skysčių dinamikoje.
Antrasis Niutono dėsnis (jėga lygi masei padauginus iš pagreičio) teigia, kad objekto pagreitis lygus grynajai jėgai (gravitacijai atėmus pasipriešinimą), padalytai iš masės. Maža plunksnos masė ir didelis plotas labai greitai padidina pasipriešinimą beveik tokiu pat dideliu, kaip ir jos svoris, todėl grynoji jėga mažėja link nulio ir plunksna pasiekia mažą galutinį greitį. Mažoms dalelėms arba labai lėtam judėjimui formulės, tokios kaip Stokso dėsnis, tiksliau apibūdina pasipriešinimą.
Kaip mes tai žinome: Eksperimentai vakuuminėse kamerose rodo, kad be oro plunksna ir sunkus objektas krenta tuo pačiu greičiu, įrodydami, kad oro pasipriešinimas sukelia skirtumą. Vėjo tunelio bandymai ir kritimai klasėje taip pat matuoja, kaip forma ir plotas keičia pasipriešinimą.
Pastebėk aplink
- Parašiutai: didelis paviršiaus plotas sukuria stiprų pasipriešinimą, todėl parašiutininkai krenta lėtai.
- Krentantys lapai: plonos, plačios formos sukuria didelį oro pasipriešinimą ir lėtai plazdena.
- Suglamžytas į kamuoliuką popierius krenta greičiau nei plokščias popierius, nes jis turi mažesnį plotą, kuris gaudo orą.
- Dulkės, nusėdusios kambaryje, krenta lėtai, nes mažos dalelės jaučia didelį pasipriešinimą, palyginti su savo svoriu.
- Numetus plunksną ir monetą vakuume (arba Mėnulyje), jos krenta kartu, nes nėra oro.
Išbandymas
Plunksna ir suglamžytas popierius
Sauga: nėra specialių pavojų.
Priemonės
- plunksna
- maža moneta arba akmuo
- popieriaus lapas
- laikmatis (nebūtina)
Žingsniai
- Laikykite plunksną ir monetą tame pačiame aukštyje ir numeskite jas kartu; stebėkite, kuri pirmiausia atsitrenks į žemę.
- Dabar suglamžykite popieriaus lapą į glaudų kamuoliuką ir numeskite popierinį kamuoliuką bei plokščią popierių iš to paties aukščio; stebėkite skirtumą.
- Palyginkite plunksną su suglamžyta moneta (arba akmeniu), kad pamatytumėte, kaip forma ir plotas keičia kritimo greitį. Ką tai rodo: objektai, kurių plotas didesnis ir nukreiptas į orą, krenta lėčiau, nes juos lėtina oro pasipriešinimas.
Žodžiai, kuriuos verta žinoti
- Gravitacija: Traukos jėga, verčianti objektus kristi link Žemės. Oro pasipriešinimas (tempimas): Oro jėga, spaudžianti judantį objektą.
- Galutinis greitis: Pastovus greitis, kurį objektas pasiekia, kai oro pasipriešinimas atsveria jo svorį.
- Masė: Medžiagos kiekis objekte, turintis įtakos gravitacijos greitėjimui.
Dažni klausimai
Ar plunksna kada nors kris taip greitai, kaip akmuo?
Taip – jei nėra oro (vakuumo), abi kris tuo pačiu greičiu, nes nėra oro pasipriešinimo.
Kodėl vėjas priverčia plunksną nuskristi?
Vėjas prideda horizontalias ir aukštyn kylančias oro jėgas, kurios gali pakelti arba nunešti plunksną, keisdamos jos kritimo būdą. Ar galime pakeisti plunksnos kritimo greitį? / A: Taip – ją suspaudžiant, pridedant svorio arba keičiant orą (kaip vėjo tunelyje), pasikeičia pasipriešinimas ir kritimo greitis.