Cosa succede quando un oggetto cade verso la Terra?

Quando un oggetto cade verso la Terra, accelera fino a raggiungere la velocità terminale.

Quando un oggetto cade verso la Terra, accadono molte cose diverse, che vanno dai trasferimenti di energia alla resistenza dell'aria alla velocità e all'impulso. Comprendere tutti i fattori in gioco ti prepara a comprendere una serie di problemi nella fisica classica, il significato di termini come la quantità di moto e la natura della conservazione dell'energia. La versione breve è che quando un oggetto cade verso la Terra, guadagna velocità e quantità di moto, e la sua energia cinetica aumenta con la diminuzione dell'energia potenziale gravitazionale, ma questa spiegazione salta molti dettagli importanti.

TL; DR (Troppo lungo, non letto)

Quando un oggetto cade verso la Terra, accelera a causa della forza di gravità, guadagnando velocità e quantità di moto fino a quando la forza ascendente della resistenza dell'aria equilibra esattamente la forza verso il basso a causa del peso dell'oggetto in gravità - un punto indicato come velocità terminale.

L'energia potenziale gravitazionale che un oggetto ha all'inizio di una caduta viene convertita in energia cinetica mentre cade, e questa energia cinetica produce suoni, facendo rimbalzare l'oggetto, deformando o rompendo l'oggetto mentre colpisce il suolo.

Velocità, accelerazione, forza e quantità di moto

La gravità fa cadere gli oggetti verso la Terra. Su tutta la superficie del pianeta, la gravità provoca un'accelerazione costante di 9,8 m / s2, comunemente dato il simbolo g. Questo varia sempre leggermente a seconda di dove ti trovi (si tratta di circa 9,78 m / s2 all'equatore e 9,83 m / s2 ai poli), ma rimane ampiamente uguale sulla superficie. Questa accelerazione fa aumentare l'oggetto della velocità di 9,8 metri al secondo ogni secondo che cade sotto gravità.

Impulso (p) è strettamente legato alla velocità (v) attraverso l'equazione p = mv, quindi l'oggetto guadagna slancio durante la sua caduta. La massa dell'oggetto non influisce sulla velocità con cui cade sotto la gravità, ma gli oggetti massicci hanno più slancio alla stessa velocità a causa di questa relazione.

La forza (F) che agisce sull'oggetto è dimostrato nella seconda legge di Newton, che afferma F = mamma, quindi la forza = massa × accelerazione. In questo caso, l'accelerazione è dovuta alla gravità, quindi un = g, che significa che F = mg, l'equazione per il peso.

Resistenza dell'aria e velocità terminale

L'atmosfera della Terra ha un ruolo nel processo. L'aria rallenta la caduta dell'oggetto a causa della resistenza dell'aria (essenzialmente la forza di tutte le molecole d'aria che lo colpiscono mentre cade), e questa forza aumenta più velocemente l'oggetto cade. Questo continua fino a raggiungere un punto chiamato velocità terminale, dove la forza verso il basso dovuta al peso dell'oggetto corrisponde esattamente alla forza verso l'alto dovuta alla resistenza dell'aria. Quando ciò accade, l'oggetto non può più accelerare e continua a cadere a quella velocità finché non tocca terra.

Su un corpo come la nostra luna, dove non c'è atmosfera, questo processo non si verificherebbe e l'oggetto continuerebbe ad accelerare a causa della gravità finché non colpirà il suolo.

Trasferimenti di energia su un oggetto in caduta

Un modo alternativo di pensare a ciò che accade mentre un oggetto cade verso la Terra è in termini di energia. Prima che cada, se assumiamo che sia stazionario, l'oggetto possiede energia sotto forma di potenziale gravitazionale. Ciò significa che ha il potenziale di prendere molta velocità a causa della sua posizione rispetto alla superficie della Terra. Se è fermo, la sua energia cinetica è zero. Quando l'oggetto viene rilasciato, l'energia potenziale gravitazionale viene gradualmente convertita in energia cinetica quando prende velocità. In assenza di resistenza aerea, che causa la perdita di energia, l'energia cinetica appena prima che l'oggetto colpisca il suolo sarebbe la stessa dell'energia potenziale gravitazionale che aveva nel punto più alto.

Cosa succede quando un oggetto colpisce il terreno?

Quando l'oggetto colpisce il terreno, l'energia cinetica deve andare da qualche parte, perché l'energia non viene creata o distrutta, ma solo trasferita. Se la collisione è elastica, il che significa che l'oggetto può rimbalzare, molta energia va a farla rimbalzare di nuovo. In tutte le collisioni vere, l'energia viene persa quando colpisce il terreno, parte di essa andando a creare un suono e altri andando a deformare o addirittura a spezzare l'oggetto. Se la collisione è completamente inelastica, l'oggetto viene schiacciato o distrutto e tutta l'energia viene utilizzata per creare il suono e l'effetto sull'oggetto stesso.

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