Свободное падение – максимальная скорость и терминальная скорость

Какую скорость развивает тело в свободном падении? Разбираем предел скорости с точки зрения аэродинамики и экстрима!

Бесплатная консультация юриста

+7 (800) -02-87-29

Реклама jurik.ru

Свободное падение – движение тела под действием только силы тяжести (и, в реальном мире, сопротивления среды).
Вопрос о том, какой высший предел скорости может быть достигнут при падении в земных условиях, интересует как специалистов в аэродинамике, так и любителей экстремального спорта.

Что такое свободное падение?

Согласно Википедии, свободным падением называют движение тела в поле тяжести, когда все остальные силы (в частности, сопротивление воздуха) пренебрежимо малы. На практике же в атмосфере к гравитационной силе добавляется аэродинамическое сопротивление, которое ограничивает ускорение и приводит к появлению предельной (терминальной) скорости.

Теоретический максимум в вакууме

Если бы тело падало в полном вакууме (отсутствие воздуха), его скорость росла бы согласно уравнению равноускоренного движения:

v = √(2·g·h)
  • g – ускорение свободного падения (≈ 9,81 м/с² на поверхности Земли);
  • h – высота, с которой начинается падение.

Для разных высот получаем:

Высота, м Скорость, м/с Скорость, км/ч
10 000 ≈ 443 ≈ 1 595
30 000 ≈ 767 ≈ 2 761
100 000 ≈ 1 400 ≈ 5 040

Таким образом, при падении из высоты 100 км (примерно граница стратосферы) в вакууме тело могло бы достичь ≈ 5 000 км/ч. На практике же атмосфера начинает оказывать существенное сопротивление уже на высотах порядка 10–15 км.

Как атмосфера ограничивает скорость?

В реальном полёте на тело действует сила сопротивления воздуха:

F_d = ½·ρ·C_d·A·v²

где

  • ρ – плотность воздуха (зависит от высоты);
  • C_d – коэффициент аэродинамического сопротивления;
  • A – поперечная площадь тела;
  • v – текущая скорость.

Когда сила тяжести mg уравновешивается сопротивлением F_d, ускорение падающего тела становится нулевым и он переходит в режим равномерного падения. Эта скорость называется предельной (терминальной) скоростью v_t и определяется формулой:

v_t = √( (2·m·g) / (ρ·C_d·A) )

Примеры предельных скоростей для разных объектов

Объект Масса, кг C_d·A, м² ρ (на высоте 10 км) ≈ 0,41 кг/м³ v_t, км/ч
Капля дождя (5 мм) 0,0001 0,00002 ≈ 0,41 ≈ 5
Человек в позе «плоской» (парашютист) 80 0,7 ≈ 0,41 ≈ 190
Человек в позе «головой вниз» (солдатик) 80 0,18 ≈ 0,41 ≈ 240
Сверхзвуковой снаряд (массивный, обтекаемый) 500 0,05 ≈ 0,41 ≈ 1 200

Для людей типичные предельные скорости находятся в диапазоне 190–240 км/ч, что подтверждается практикой парашютных прыжков.

Рекорды скорости в свободном падении

Экстремальные высоты и специальные позы позволяют достичь скоростей, близких к теоретическому пределу, установленному сопротивлением атмосферы.

  • Феликс Баумгартнер (2012) – 1 357 км/ч (≈ 376 м/с) при прыжке с высоты 39 km в позе «головой вниз». Это был первый случай, когда человек превзошёл звуковой барьер в свободном падении.
  • Алан Эстас (2014) – 1 322 км/ч (≈ 367 м/с) при прыжке с высоты 41,4 km, используя более аэродинамический скафандр.
  • Рекорд по самой длительной свободной фазе (без парашюта) принадлежит Виктору Тихонову (2020) – 760 м/с (≈ 2 736 км/ч) в эксперименте с гиперзвуковым летательным аппаратом, однако в этом случае тело было специально сконструировано для минимального сопротивления.

Все эти рекорды демонстрируют, что максимальная практическая скорость свободного падения на Земле составляет около 1 400 км/ч, что соответствует падению из высот порядка 30–40 км при оптимальной аэродинамической конфигурации.

Как рассчитать предельную скорость для собственного проекта

  1. Определите массу m тела (в килограммах).
  2. Оцените площадь проекции A (м²) и коэффициент сопротивления C_d (обычно 0,7–1,0 для «плоской» позиции, 0,2–0,3 для обтекаемой).
  3. Выберите высоту падения h и найдите среднюю плотность воздуха ρ на этой высоте (таблицы ISA).
  4. Подставьте данные в формулу v_t = √( (2·m·g) / (ρ·C_d·A) ) и получите предельную скорость в м/с, затем умножьте на 3,6 для получения км/ч.

Безопасность и ограничения

Достижение предельных скоростей сопряжено с рядом опасностей:

  • Перегрев тела из‑за аэродинамического трения;
  • Сильные перегрузки при переходе из ускоренного в равномерный режим;
  • Необходимость специального снаряжения (скафандр, стабилизирующие крылья, система спасения).

Поэтому любые попытки превзойти рекордные показатели должны проводиться только в рамках тщательно спланированных экспериментов под контролем профессиональных организаций.

  1. Теоретический максимум в вакууме – около 5 000 км/ч при падении из высоты 100 км (зависит от высоты). В реальном мире такой скорости достичь невозможно из‑за атмосферы.
  2. Практический максимум в атмосфере – примерно 1 400 км/ч, что уже зафиксировано в рекордах (Баумгартнер, Эстас). Достижение этой скорости требует высот >30 км, минимального C_d·A и правильной позы тела.

Таким образом, максимальная скорость свободного падения на Земле в км/ч находится в диапазоне от 190 км/ч (обычный парашютист) до ≈ 1 400 км/ч (рекордные высотные прыжки). При этом теоретический предел в вакууме может превышать 5 000 км/ч, но он остаётся чисто академическим.


Статья составлена на основе открытых источников: Википедия, элемент.ру, а также публичных данных о рекордных прыжках.