Viteza terminală este termenul pentru viteza pe care o atinge un obiect atunci când forța de tracțiune sau rezistența aerului care îl împinge este egală cu forța gravitației care îl trage în jos. Un obiect scăpat de la o înălțime va accelera inițial din cauza gravitației. Atmosfera, totuși, exercită o forță opusă, sau tragere, care crește pe măsură ce obiectul se mișcă mai repede. După un timp, se ajunge la un punct în care cele două forțe opuse sunt egale, iar după aceasta, viteza obiectului rămâne constantă, cu excepția cazului în care o altă forță acționează asupra lui: această viteză este cunoscută ca viteza sa terminală. Viteza finală depinde de greutatea obiectului, de forma acestuia și de densitatea atmosferei.
Greutatea și densitatea atmosferică pot varia de la un loc la altul. În timp ce masa unui obiect, care poate fi definită ca cantitatea de materie pe care o conține, este aceeași oriunde se află, greutatea sa depinde de puterea câmpului gravitațional local. Acest lucru nu variază pe Pământ la o scară care este direct observată de oameni, dar în alte locuri, cum ar fi Luna sau Marte, va fi foarte diferit. Densitatea atmosferei scade odată cu altitudinea, astfel încât rezistența aerului este mai mare în apropierea solului decât la înălțimi mari.
Greutate și tragere
Cantitatea de forță care acționează asupra unui obiect în cădere depinde de densitatea atmosferei și de forma obiectului. Cu cât densitatea atmosferei este mai mare, cu atât este mai mare rezistența la mișcare. Pe distanțe verticale scurte, diferența de densitate va fi mică și nesemnificativă pentru majoritatea scopurilor, dar pentru ceva care cade din atmosfera superioară există o diferență mare, ceea ce complică calculele vitezei terminale.
Dragul este, de asemenea, foarte dependent de forma corpului care căde. Dacă o bucată de material greu, cum ar fi plumbul, este transformată într-o formă de glonț și scăpa, îndreptată în jos, de la o înălțime mare, va experimenta o rezistență relativ mică și va atinge o viteză terminală mare. Dacă aceeași bucată de plumb este transformată într-un disc subțire și scăpa astfel încât să fie plată în raport cu suprafața Pământului, va experimenta o rezistență mult mai mare a aerului și va atinge o viteză terminală mult mai mică în mai puțin timp.
Cantitatea de forță în jos asupra unui obiect în cădere depinde de greutatea acestuia, care este interacțiunea masei obiectului cu forța gravitației. Cu cât masa este mai mare, cu atât forța va fi mai mare și, prin urmare, cu atât viteza terminală este mai mare. Dacă experimentul de mai sus este efectuat folosind un material ușor, cum ar fi aluminiul, vitezele finale pentru ambele forme ar fi mai mici decât pentru formele de plumb. Este important să înțelegem, totuși, că accelerația datorată gravitației este aceeași pentru toate obiectele; este factorul de tracțiune care provoacă variațiile cu greutatea și forma. Dacă experimentul cu diferite forme de plumb și aluminiu se desfășoară în vid, toate obiectele vor accelera în același ritm, indiferent de greutate sau formă, deoarece factorul de rezistență datorat aerului a fost eliminat.
Calcul
Determinarea vitezei terminale pentru un obiect căzut de la o înălțime dată poate fi complicată. Unii dintre factori, cum ar fi masa și accelerația datorată gravitației, sunt simpli, dar este necesar să se cunoască și coeficientul de rezistență, o valoare care depinde în mod esențial de forma obiectului. Pentru multe obiecte, coeficientul de rezistență este determinat prin experiment, deoarece calculele ar fi foarte dificile pentru forme complexe. Deoarece densitatea atmosferei variază în funcție de altitudine, trebuie luată în considerare și această variație, cu excepția cazului în care distanța până la cădere este destul de mică.
Exemple
O picătură de ploaie are o viteză terminală de aproximativ 17 mph (27 km/h). În schimb, o piatră de grindină mare ar putea atinge 42 mph (68 km/h), ceea ce este suficient pentru a provoca răni. Un glonț de plumb împușcat direct în aer ar ajunge la aproximativ 152 mph (245 km/h), la căderea înapoi spre sol.
Un parașutist, cu fața la sol cu membrele răspândite pentru a maximiza rezistența aerului, va avea de obicei o viteză terminală de aproximativ 124 mph (200 km/h). Scufundându-se cu capul înainte, cu brațele și picioarele înfipte, același parașutist ar putea atinge aproximativ 200 mph (320 km/h) sau mai mult. Vitezele precise depind de altitudinea inițială, iar viteze mult mai mari pot fi atinse prin scufundări de la altitudini extreme, unde atmosfera este mult mai subțire. Pentru obiectele care cad spre Pământ din afara atmosferei, de exemplu meteoriți, viteza terminală poate fi mai mică decât viteza inițială în raport cu Pământul. În aceste cazuri, obiectul încetinește spre viteza finală.