السرعة النهائية والسقوط الحر ، هما مفهومان مرتبطان يميلان إلى الخلط لأنهما يعتمدان على ما إذا كان الجسم في مكان فارغ ، أو في سائل ، على سبيل المثال ، جو أو حتى ماء ، ولمعرفة الفرق بنهما سنلقي نظرة على تعريفات ، ومعادلات المصطلحات ، وكيفية ارتباطها ، ومدى سرعة سقوط الجسم ، في السقوط الحر ، أو في السرعة النهائية في ظل ظروف مختلفة.

تعريف السرعة الطرفية

يتم تعريف السرعة النهائية ، بأنها أعلى سرعة يمكن تحقيقها بواسطة جسم يسقط عبر سائل ، مثل الهواء أو الماء ، وعندما يتم الوصول إلى السرعة النهائية ، فإن قوة الجاذبية الهابطة ، تساوي مجموع طفو الجسم ، وقوة السحب ، والجسم عند السرعة النهائية ، له تسارع صافٍ صفر.

هناك معادلتان مفيدتان بشكل خاص ، لإيجاد السرعة النهائية ، الأول يتعلق بالسرعة النهائية ، دون مراعاة الطفو، كالتالي :

VT = (2mg / ρACd) 1/2

أين:

• VT هي السرعة النهائية.
• m هي كتلة الجسم الساقط.
• g تسارع بسبب الجاذبية.
• Cd هو معامل السحب.
• ρ هي كثافة السائل الذي يسقط من خلاله الجسم.
• A  هي المنطقة المستعرضة التي يسقطها الكائن.

في السوائل ، على وجه الخصوص ، ومن المهم حساب طفو الكائن ، ويستخدم مبدأ [2]

في حين أن السرعة النهائية للطائر الذي يسقط بطنًا على الأرض تبلغ حوالي 120 ميلاً في الساعة ، في اتجاه حيث يحلق قفز الطائرات باتجاه الأرض ، وتزداد السرعة النهائية إلى 150-180 ميلاً في الساعة ،ويمكن أن تصل إلى 200 ميلاً في الساعة!

وكمقارنة ممتعة: يمكن للصقر القطني أن يصل إلى 242 ميلاً في الساعة أثناء الصيد ، مما يجعله بشكل لا لبس فيه أسرع عضو في مملكة الحيوان ، لذلك لا تفكر حتى في سباق هذا الطائر.

تنظم كتلة الطائر وحجم المظلة السرعة النهائية التي يتم الوصول إليها ، أثناء وجود المظلة ، ضع في اعتبارك أن المظلات المستخدمة في القفز بالمظلات المدنية الحديثة ، ليست مثل القباب البلاستيكية الهشة التي يقودها أصدقاؤنا المظليون الصغار من الطفولة ، والتي كانت على هيئة ستائر مربعة ، فالمظلات المعاصرة يتم بناؤها باستخدام جوي RAM-air، تضغط هذه الجنيحات وتحول السرعة الهابطة إلى زخم أمامي.

وفي نظام يسمى (الانقضاض)، عن طريق بدء مناورات متقدمة واستخدام المنعطفات الحادة ، وتُترجم السرعة المنخفضة لطيار المظلة ، إلى سرعات أمامية مذهلة ومسافات مغطاة.

تعريف السقوط الحر

الاستخدام اليومي لمصطلح (السقوط الحر) ، ليس هو نفسه التعريف العلمي ، ففي الاستخدام الشائع ، يعتبر القفز المظلي في حالة سقوط حر ، عند تحقيق السرعة النهائية بدون مظلة ، وفي الواقع ، يتم دعم وزن القافز بالمظلة ، بواسطة وسادة من الهواء.

ويتم تعريف السقوط الحر إما وفقًا للفيزياء النيوتونية (الكلاسيكية) ، أو من حيث النسبية العامة ، ففي الميكانيكا الكلاسيكية ، يصف السقوط الحر حركة الجسم ، عندما تكون القوة الوحيدة التي تعمل عليه هي الجاذبية ، واتجاه الحركة (لأعلى ، لأسفل ، إلخ…) غير مهم.

وإذا كان مجال الجاذبية متماثلاً ، فإنه يعمل بشكل متساوٍ ، على جميع أجزاء الجسم ، مما يجعله (بلا وزن) ، أو يعاني من (0 جم) ، على الرغم من أنه قد يبدو غريبًا ، يمكن أن يكون الجسم في حالة سقوط حر ، حتى عند التحرك لأعلى أو في أعلى حركته.

فالقفز بالمظلات من خارج الغلاف الجوي ، (مثل قفزة HALO) ، يكاد يحقق سرعة نهائية حقيقية ، وسقوط حر ، وبشكل عام ، طالما أن مقاومة الهواء لا تذكر فيما يتعلق بوزن الجسم ، يمكن أن تحقق السقوط الحر ، والأمثله تشمل التالي :

1- مركبة فضائية في الفضاء ، تعمل بدون نظام دفع.
2- كائن يرمي لأعلى.
3- كائن يسقط من برج إسقاط ، أو في أنبوب إسقاط.
4- شخص يقفز.

وفي المقابل ، تشمل الأشياء التي لا تقع في السقوط الحر ، ما يلي :

1- طيران طائر.
2- طائرة تحلق (لأن الأجنحة توفر الصعود).
3- استخدام المظلة (لأنها تقاوم الجاذبية بالسحب ، وفي بعض الحالات قد توفر رفعًا).
4- قفز بالمظلات لا يستخدم المظلة (لأن قوة السحب ، تساوي وزنه عند السرعة النهائية).

وفي النسبية العامة ، يتم تعريف [4]

مدى سرعة السرعة الطرفية ، وإلى أي مدى تقع

نظرًا لأن السرعة الطرفية ، تعتمد على السحب ، والمقطع العرضي للكائن ، فلا توجد سرعة واحدة للسرعة النهائية ، وبشكل عام ، يصل الشخص الذي يسقط في الهواء على الأرض ، إلى السرعة النهائية بعد حوالي 12 ثانية ، والتي تغطي حوالي 450 مترًا ، أو 1500 قدم.

ويصل قفز بالمظلات في وضع بطن إلى الأرض ، بسرعة نهائية تبلغ حوالي 195 كم / ساعة ، (54 م / ث أو 121 ميل في الساعة) ، وإذا سحب القافز في ذراعيه ، وساقيه ، ينخفض المقطع العرضي له ، مما يزيد من سرعة المحطة الطرفية ، إلى حوالي 320 كم / ساعة ، (90 م / ث ، أو أقل بقليل من 200 ميل في الساعة).

وهذا هو نفس السرعة النهائية ، التي يحققها صقر الشاهين للغطس في الفريسة ، أو برصاصة تسقط بعد إسقاطها ، أو إطلاقها إلى أعلى ، وقد تم تعيين سرعة الرقم القياسي العالمي ، للسائق من قبل فيليكس بومغارتنر ، الذي قفز من 39000 متر ، ووصل إلى سرعة نهائية ، قدرها 134 كم / ساعة ، (834 ميل في الساعة).