物理基礎:空気の抵抗力と終端速度〔発展〕

<ポイント>
・空気の抵抗は物体の形や大きさに関係していて、(速くないのなら)その速さに比例する
・物体の速度が大きくなると、抵抗力と重力の大きさがつり合う
・一定の速度で落下するようになったとき、これを終端速度という
(1)空気の抵抗力
空気による抵抗は、「物体の形や大きさ」によって決まります。

物体が球形で変形しない場合、速さが大きくなり範囲では、
抵抗力の大きさ R [N] は、速さ v [m/s] に比例します。

R = kv( k は比例定数)

(2)球が落下するときの加速度の変化
「質量 m [kg] の球が空気の抵抗を受けながら落下する」場合を考えます。

落下する球の加速度を a [m/s2] とすると、
〔物体にかかる力〕=〔重力〕-〔空気の抵抗力〕なので、

運動方程式は
 ma = mg - kv と表せます。

球の速度 v が大きくなると、抵抗力( kv )が大きくなるため、加速度 a は小さくなります。

最終的に「抵抗力=重力」となると考えられるので、「 a = 0 」となります。
加速度 a が 0 になると、等速運動となるため一定の速度で落下します。

(3)終端速度

一定の速度で落下するようになったときの速度 vf は、
vf = (mg) / k となる。

この速度を終端速度といいます。

なお、こちらの内容については、「物理」範囲で詳しく習います。

<まとめ>
・空気の抵抗は物体の形や大きさに関係していて、(速くないのなら)その速さに比例する
・物体の速度が大きくなると、抵抗力と重力の大きさがつり合う
・一定の速度で落下するようになったとき、これを終端速度という

 

※ 理解を優先するために、あえて大雑把に書いてある場合があります

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