Guinea and Feather — KP Science simulation

1. อธิบายได้ว่าแรงต้านอากาศขึ้นกับตัวแปรใดบ้าง

2. เปรียบเทียบการตกของวัตถุในอากาศกับในสุญญากาศ

3. ระบุเงื่อนไขที่กฎการตกอิสระของกาลิเลโอใช้ได้

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ผ่านอากาศ จะมีแรงต้านทานการเคลื่อนที่ที่เรียกว่า แรงต้านอากาศ หรือ Air Drag สูตรคือ:

F_drag = ½ · ρ · C_d · A · v²

ρ = ความหนาแน่นของอากาศ (kg/m³) | C_d = สัมประสิทธิ์แรงต้าน (ขึ้นกับรูปร่าง) | A = พื้นที่หน้าตัด (m²) | v = ความเร็ว (m/s)

แผ่นกระดาษมีพื้นที่หน้าตัด A มากกว่าแผ่นโลหะที่มีมวลมากกว่ามาก ทำให้แรงต้านอากาศต่อหน่วยมวล (F_drag/m) ของกระดาษสูงกว่า จึงตกช้ากว่า

ความเร่งสุทธิของวัตถุขณะตกในอากาศ:

a = g − F_drag/m = g − (ρ · C_d · A · v²) / (2m)

เมื่อ v เพิ่มขึ้น F_drag เพิ่มขึ้นตาม จนถึงจุดที่ F_drag = mg → Terminal Velocity (ความเร็วสุดท้าย)

v_t = √(2mg / ρC_dA)

ในสุญญากาศ (ρ = 0): F_drag = 0 ดังนั้น a = g = 9.8 m/s² สำหรับวัตถุทุกชิ้น

กาลิเลโอ 1589 ทดลองปล่อยวัตถุจากหอเอนเมืองปิซา พิสูจน์ว่ามวลไม่มีผลต่อความเร่งตก (ในอากาศ) เมื่อวัตถุมีรูปร่างคล้ายกัน

Apollo 15 ค.ศ. 1971 นักบินอวกาศ David Scott ทดลองปล่อยขนนกและค้อนบนดวงจันทร์ต่อหน้ากล้อง — ทั้งสองถึงพื้นพร้อมกัน ยืนยันกฎการตกอิสระในสุญญากาศ

Demo 01-14 การทดลอง Guinea and Feather ใช้หลอดแก้วสองหลอดบรรจุแผ่นโลหะและกระดาษ เปรียบเทียบการตกเมื่อมีและไม่มีอากาศ

• Skydiver: ก้มลู่ลม → A ลด → F_drag ลด → ตกเร็วขึ้น | กางร่ม → A เพิ่ม → F_drag เพิ่ม → ตกช้าลง

• ลูกขนไก่ Badminton: C_d สูงมาก ทำให้ชะลอความเร็วได้เร็วหลังถูกตี

• ยาน Space Capsule: ออกแบบ heat shield กับ drogue chute เพื่อใช้ F_drag ชะลอความเร็วก่อนลงน้ำ