Tabla de Contenidos
Banyak orang memahami dengan terjun bebas jenis gerakan yang terjadi saat penerjun payung melompat keluar dari pesawat, sebelum membuka parasut. Namun, pada kenyataannya, ini bukanlah jenis gerakan yang berbeda yang terjadi dengan parasut terbuka, juga tidak benar-benar jatuh bebas. Dalam fisika klasik, jatuh bebas didefinisikan sebagai gerakan yang digambarkan oleh benda yang jatuh ketika hanya gaya gravitasi yang bekerja padanya. Dengan kata lain, itu adalah jenis jatuh yang terjadi di ruang hampa atau di luar angkasa, di mana percepatan adalah percepatan gravitasi, dan tidak ada gesekan atau gaya lain yang melawan jatuh.
Di sisi lain, kecepatan terminal adalah istilah yang terkait dengan sebut saja cara “sehari-hari” untuk mempertimbangkan jatuh bebas, tetapi tidak dengan jatuh bebas yang sebenarnya. Kecepatan terminal didefinisikan sebagai kecepatan maksimum yang dicapai oleh benda ketika jatuh melalui fluida seperti gas (udara, misalnya) atau cairan (air, misalnya) .
Fisika kecepatan terminal
Jatuh bebas merupakan gerak yang dipercepat, sehingga tidak memiliki kecepatan maksimum (kecuali kecepatan cahaya, tentunya kecepatan maksimum yang mungkin menurut fisika relativistik). Di sisi lain, ketika benda jatuh melalui fluida, selain gaya gravitasi, ada dua gaya lain yang ikut berperan: daya apung dan gesekan.
Daya apung adalah gaya yang melawan gravitasi dan sama dengan berat fluida yang dipindahkan saat benda melewatinya. Jika benda bergerak melalui gas seperti udara, gaya ini dapat diabaikan, tetapi jika bergerak melalui cairan padat, gaya ini harus diperhitungkan.
Di sisi lain, beberapa tumbukan benda dengan partikel fluida menghasilkan gaya gesekan yang memperlambatnya. Gaya ini disebut hambatan hidrodinamik . Hambatan hidrodinamik meningkat dengan kecepatan (“hydro” dalam hal ini berarti fluida, dan “dinamis” berarti gerak), sehingga saat tubuh berakselerasi ke bawah, gesekan meningkat.
Konsekuensi dari ini adalah bahwa ada kecepatan di mana jumlah gaya apung dan gaya gesekan menjadi sama dengan gaya gravitasi, sehingga benda yang mencapai kecepatan ini tidak mengalami gaya total apa pun, yang mulai turun. dengan kecepatan konstan. Kecepatan ini adalah kecepatan terminal.
Persamaan kecepatan terminal
Bergantung pada apakah kontribusi gaya apung (juga disebut gaya apung) dapat diabaikan atau tidak , ada dua persamaan untuk menghitung kecepatan terminal.
Kasus pertama
Jika gaya apung tidak diperhitungkan, seperti pada kasus benda berat yang jatuh di udara, persamaannya adalah:
Di mana:
v ∞ sesuai dengan kecepatan terminal (dalam m/s).
m adalah massa benda yang jatuh (dalam kg).
g adalah percepatan gravitasi (9,8 m/s 2 dekat permukaan bumi).
ρ fluida adalah densitas fluida (dalam kg/m 3 ).
A mengacu pada luas penampang tegak lurus terhadap perpindahan (dalam m 2 ).
C d adalah koefisien drag (atau drag) hidrodinamik (tanpa dimensi).
kasus kedua
Dalam kasus di mana kerapatan fluida tidak dapat diabaikan (seperti saat bergerak melalui cairan), pengurangan berat akibat gaya apung harus diperhitungkan.
Menurut prinsip Archimedes, gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Ini, pada gilirannya, sama dengan hasil kali volume benda, densitas fluida, dan percepatan gravitasi. Dengan memasukkan variabel-variabel ini ke dalam persamaan di atas, diperoleh persamaan yang lebih umum untuk kecepatan terminal:
di mana V adalah volume benda (dalam m 3 ) dan semua variabel lainnya didefinisikan dengan cara yang sama seperti pada persamaan sebelumnya.
Bagaimana Menafsirkan Persamaan Kecepatan Terminal
Menafsirkan persamaan ini membantu kita memahami berbagai fenomena, mulai dari cara kerja parasut hingga mekanisme pendaratan burung. Memodifikasi variabel dalam persamaan memungkinkan kita memanipulasi nilai kecepatan terminal, yang dapat membantu kita menambah atau menguranginya sesuai kebutuhan.
Kita tidak dapat memodifikasi percepatan gravitasi, maupun densitas cairan tempat kita jatuh, atau massa kita sendiri tanpa melepaskan diri dari sesuatu yang kita bawa. Namun, ada dua hal yang bisa kita mainkan, area dan koefisien drag.
Peregrine Falcon memanfaatkannya dengan sangat baik. Ketika dia ingin turun dengan kecepatan maksimum, dia mengecilkan tubuhnya dan menukik, yang mengurangi luas penampang tubuhnya, sehingga meningkatkan kecepatan terminalnya sesuai dengan persamaan di atas. Ini juga membuatnya lebih aerodinamis, yang mengurangi koefisien hambatannya.
Persamaan jatuh bebas
Ketika sebuah benda jatuh bebas, satu-satunya gaya yang bekerja padanya adalah beratnya, sehingga jatuh dengan percepatan gravitasi, g . Dalam hal ini, kecepatan terus meningkat dengan laju sekitar 10 m/s setiap detik yang berlalu, dan diberikan oleh persamaan berikut:
Di mana:
v t adalah kecepatan (dalam m/s) setelah waktu t berlalu .
v 0 adalah kecepatan awal (dalam m/s).
g adalah percepatan gravitasi (9,8 m/s 2 dekat permukaan bumi).
t adalah waktu yang berlalu sejak awal jatuh bebas (dalam s).
Apa yang bergantung pada kecepatan terminal?
Kecepatan terminal bergantung pada banyak faktor, antara lain bentuk benda dan massanya, sehingga akan ada kecepatan terminal yang berbeda untuk setiap situasi. Namun, sebagai referensi, kami akan berkomentar bahwa rekor dunia untuk kecepatan terminal tertinggi dipegang oleh Felix Baumgartner dari Austria, yang mencapai kecepatan 1.342 km/jam saat melompat dari balon udara setinggi 39 km.
Di sisi lain, seorang penerjun payung rata-rata dapat jatuh antara 195 km/jam dan 320 km/jam tergantung dari posisi jatuhnya.
Contoh benda jatuh bebas
Sebuah bulu jatuh ke dalam tabung vakum
Jika semua udara dievakuasi dari sebuah tabung dan sebuah bulu dijatuhkan ke dalamnya, ia akan jatuh bebas dengan kecepatan yang sama dengan bola timah yang jatuh di udara dari ketinggian yang sama.
Dua bola dengan massa berbeda dilempar dari Menara Pisa
Untuk mendemonstrasikan prinsip fisik ini, Galileo Galilei, pada akhir abad ke-16, menjatuhkan dua bola dengan massa berbeda dari puncak Menara Pisa, dan keduanya jatuh ke tanah pada waktu yang bersamaan. Meskipun bergerak melalui udara, massa, ukuran, dan jarak pendek (yang memastikan kecepatan rendah) membuat efek tarikan udara dapat diabaikan dan kedua bola jatuh dengan kecepatan yang sama dan hampir sama seperti yang mereka lakukan di ruang hampa. .
satelit di orbit
Meski tidak mengenai tanah, benda-benda di orbit sebenarnya bergerak jatuh bebas dan memiliki percepatan yang setara dengan gravitasi yang mendorongnya ke tanah.
Yang terjadi adalah percepatan ini tegak lurus terhadap perpindahan, jadi alih-alih mengubah kecepatannya, ia hanya mengubah arahnya, sehingga menjaga satelit tetap berada di orbit melingkar.
Contoh benda jatuh dengan kecepatan terminal
Seekor bulu jatuh di udara
Kita semua telah melihat bagaimana sehelai bulu perlahan turun saat jatuh dari udara ke tanah. Ini karena ia memiliki area yang luas dibandingkan dengan massanya.
Seorang penerjun payung sebelum dan sesudah membuka parasutnya
Baik sebelum maupun sesudah membuka parasut, skydiver bergerak dengan kecepatan terminal. Perbedaannya adalah luas permukaan parasut jauh lebih besar daripada luas badan penerjun payung, sehingga kecepatan terminal pada kasus kedua jauh lebih kecil daripada yang pertama.
Roket luar angkasa saat masuk kembali ke atmosfer
Gesekan roket dengan atmosfer selama masuk kembali begitu kuat dan menghasilkan begitu banyak panas sehingga, tanpa isolasi termal, roket akan hancur.
Sebuah balon pesta diluncurkan dari sebuah gedung
Sangat mudah untuk melihat bahwa balon pesta yang digembungkan memiliki banyak hambatan hidrodinamik, yang menjelaskan betapa lambatnya balon itu jatuh saat dilepaskan.
Referensi
Elert, Glenn (2021). The Hypertextbook Fisika : Drag Aerodinamis. Diperoleh dari https://physics.info/drag/
Elert, Glenn (2021). The Physics Hypertextbook : Jatuh Bebas. Diperoleh dari https://physics.info/falling/
Huang, Jiang. “Kecepatan Penerjun Payung (Kecepatan Terminal)”. Buku Fakta Fisika. Glenn Elert, Sekolah Menengah Midwood, Universitas Brooklyn, 1999.
Serway, RA, & Jewett, JW (2013). Fisika untuk Ilmuwan dan Insinyur ( edisi ke-9 ). Kota New York, New York: Pembelajaran Cengage.
