Когда мы говорим о падении предметов, мы часто используем привычные термины․ Однако понятие «скорость свободного падения тела в км/ч» требует важного физического уточнения․ В повседневной жизни многие думают, что любой падающий объект достигает какой-то одной постоянной величины, но в реальности всё гораздо интереснее․
Что такое свободное падение?
Свободное падение — это движение объекта под действием исключительно гравитационной силы․ Как было подмечено в физических наблюдениях, в нашей Вселенной на вас оказывает гравитационное воздействие каждый объект․ Чем ближе мы к объекту и чем он массивнее, тем значительнее это воздействие․ Однако для объектов, находящихся на поверхности Земли, определяющей является гравитация нашей планеты․
Ускорение, а не скорость
Главное заблуждение заключается в самом термине «скорость свободного падения»․ В физике корректно говорить об ускорении свободного падения (g)․ В вакууме, где нет сопротивления воздуха, тело не падает с постоянной скоростью — оно постоянно разгоняется․
- Ускорение свободного падения на Земле (g) ≈ 9,8 м/с²
- Это означает, что каждую секунду падения в вакууме скорость тела увеличивается на 9,8 м/с․
Переводим в километры в час
Поскольку базовая физическая величина измеряется в метрах в секунду (м/с), нам нужно перевести её в более привычные для автомобилистов и пилотов километры в час (км/ч)․
Формула перевода проста: 1 м/с = 3,6 км/ч․
Следовательно, ускорение свободного падения составит: 9,8 × 3,6 = 35,28 км/ч․ Но важно понимать: это не конечная скорость, а прирост скорости за каждую секунду полета вниз!
Как растет скорость в вакууме (без воздуха)
Давайте посмотрим, как будет нарастать скорость свободно падающего тела в км/ч, если бы мы бросили его в безвоздушном пространстве с высоты нескольких километров:
- 1-я секунда: скорость ≈ 35 км/ч
- 2-я секунда: скорость ≈ 70 км/ч
- 3-я секунда: скорость ≈ 106 км/ч
- 5-я секунда: скорость ≈ 176 км/ч
- 10-я секунда: скорость ≈ 353 км/ч
Как видите, в вакууме скорость продолжала бы расти бесконечно, пока тело не встретило бы препятствие (например, поверхность планеты)․
Падение в реальных условиях (с учетом воздуха)
В реальной жизни мы живем в атмосфере, наполненной воздухом․ Воздух оказывает сопротивление движению․ И именно сопротивление воздуха, а не гравитация, определяет максимальную скорость падения для различных объектов․
Критическая (предельная) скорость
Когда сила сопротивления воздуха становится равной силе тяжести, тело перестает разгоняться․ С этого момента оно падает с постоянной скоростью, которая называется критической или предельной скоростью․
Эта скорость кардинально отличается для разных тел и зависит от:
- Массы тела
- Площади поперечного сечения (размеров и формы)
- Аэродинамических свойств
Примеры предельной скорости падения в воздухе (в км/ч):
- Капля дождя: около 8–10 км/ч (если бы она падала без воздуха, она пробивала бы нас насквозь, как пуля!)
- Человек в горизонтальном положении (распластанный): около 190–200 км/ч
- Человек в вертикальном положении (головой вниз): около 240–290 км/ч
- Парашютист с раскрытым куполом обычного парашюта: около 18–22 км/ч (безопасная скорость приземления)
- Свинцовый шарик (размером с горошину): около 130–160 км/ч
Рекорд свободного падения
Самый впечатляющий прыжок в истории был совершен Феликсом Баумгартнером в рамках проекта Red Bull Stratos․ Он прыгнул из стратосферы с высоты 39 километров․
На такой высоте воздух настолько разрежен, что сопротивление почти отсутствует․ Из-за этого Баумгартнер смог достичь невероятной скорости — 1357,6 км/ч! Он стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без транспортного средства (скорость звука в тех условиях составляла около 1100 км/ч)․ По мере спуска в плотные слои атмосферы он резко замедлился до обычных 240 км/ч․