Vitesse terminale et chute libre
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La vitesse terminale et la chute libre sont deux concepts connexes qui ont tendance à prêter à confusion car ils dépendent du fait qu'un corps se trouve ou non dans un espace vide ou dans un fluide (par exemple, l'atmosphère ou même l'eau). Jetez un œil aux définitions et aux équations des termes, comment ils sont liés et à quelle vitesse un corps tombe en chute libre ou à la vitesse terminale dans différentes conditions.
Définition de la vitesse terminale
La vitesse terminale est définie comme la vitesse la plus élevée qui peut être atteinte par un objet qui tombe à travers un fluide, comme l'air ou l'eau. Lorsque la vitesse terminale est atteinte, la force de gravité vers le bas est égale à la somme de la flottabilité de l'objet et de la force de traînée. Un objet dont la vitesse terminale n'a aucune accélération nette.
Équation de vitesse terminale
Il existe deux équations particulièrement utiles pour trouver la vitesse terminale. Le premier concerne la vitesse terminale sans tenir compte de la flottabilité:
Vt = (2 mg / ρACré)1/2
où:
- Vt est la vitesse terminale
- m est la masse de l'objet qui tombe
- g est l'accélération due à la gravité
- Cré est le coefficient de traînée
- ρ est la densité du fluide à travers lequel l'objet tombe
- A est la section transversale projetée par l'objet
Dans les liquides, en particulier, il est important de tenir compte de la flottabilité de l'objet. Le principe d'Archimède est utilisé pour rendre compte du déplacement du volume (V) par la masse. L'équation devient alors:
Vt = [2 (m - ρV) g / ρACré]1/2
Définition de la chute libre
L'utilisation quotidienne du terme «chute libre» n'est pas la même que la définition scientifique. Dans l'usage courant, un plongeur aérien est considéré en chute libre lorsqu'il atteint la vitesse terminale sans parachute. En réalité, le poids du plongeur aérien est soutenu par un coussin d'air.
La chute libre est définie soit selon la physique newtonienne (classique), soit en termes de relativité générale. En mécanique classique, la chute libre décrit le mouvement d'un corps lorsque la seule force qui agit sur lui est la gravité. La direction du mouvement (haut, bas, etc.) est sans importance. Si le champ gravitationnel est uniforme, il agit également sur toutes les parties du corps, le rendant "en apesanteur" ou subissant "0 g". Bien que cela puisse sembler étrange, un objet peut être en chute libre même lorsqu'il se déplace vers le haut ou au sommet de son mouvement. Un parachutiste sautant de l'extérieur de l'atmosphère (comme un saut HALO) atteint presque la vraie vitesse terminale et la chute libre.
En général, tant que la résistance à l'air est négligeable par rapport au poids d'un objet, elle peut atteindre une chute libre. Les exemples comprennent:
- Un vaisseau spatial dans l'espace sans système de propulsion engagé
- Un objet jeté vers le haut
- Un objet tombé d'une tour de chute ou dans un tube de descente
- Une personne qui saute
En revanche, les objets ne pas en chute libre comprennent
- Un oiseau volant
- Un avion volant (parce que les ailes assurent la portance)
- Utiliser un parachute (car il contrecarre la gravité avec la traînée et dans certains cas peut fournir une portance)
- Un parachutiste n'utilisant pas de parachute (car la force de traînée est égale à son poids à la vitesse terminale)
En relativité générale, la chute libre est définie comme le mouvement d'un corps le long d'une géodésique, la gravité étant décrite comme une courbure spatio-temporelle.
