Kecepatan terminal adalah istilah untuk kecepatan yang dicapai suatu benda ketika gaya hambat, atau hambatan udara, yang mendorongnya sama dengan gaya gravitasi yang menariknya ke bawah. Sebuah benda yang dijatuhkan dari ketinggian mula-mula akan mengalami percepatan karena gravitasi. Atmosfer, bagaimanapun, memberikan gaya yang berlawanan, atau tarikan, yang meningkat saat objek bergerak lebih cepat. Setelah beberapa waktu, suatu titik tercapai di mana dua gaya yang berlawanan adalah sama, dan setelah ini, kecepatan objek tetap konstan kecuali jika ada gaya lain yang bekerja padanya: kecepatan ini dikenal sebagai kecepatan terminalnya. Kecepatan akhir tergantung pada berat benda, bentuknya, dan kepadatan atmosfer.
Berat dan kepadatan atmosfer dapat bervariasi dari satu tempat ke tempat lain. Sementara massa suatu benda, yang dapat didefinisikan sebagai jumlah materi yang dikandungnya, adalah sama di mana pun ia berada, beratnya bergantung pada kekuatan medan gravitasi setempat. Ini tidak bervariasi di Bumi pada skala yang terlihat langsung oleh manusia, tetapi di tempat lain seperti Bulan atau Mars akan sangat berbeda. Kepadatan atmosfer berkurang dengan ketinggian, sehingga hambatan udara lebih besar di dekat tanah daripada di ketinggian.
Berat dan Tarik
Besarnya gaya hambat yang bekerja pada benda yang jatuh bergantung pada kerapatan atmosfer dan bentuk benda tersebut. Semakin besar densitas atmosfer, semakin besar resistensinya terhadap gerakan. Pada jarak vertikal pendek, perbedaan kerapatan akan kecil, dan tidak signifikan untuk sebagian besar tujuan, tetapi untuk sesuatu yang jatuh dari atmosfer atas ada perbedaan besar, yang memperumit perhitungan kecepatan terminal.
Drag juga sangat bergantung pada bentuk badan yang jatuh. Jika sepotong bahan berat, seperti timah, dibuat menjadi bentuk seperti peluru dan dijatuhkan, mengarah ke bawah, dari ketinggian yang tinggi, ia akan mengalami hambatan yang relatif kecil, dan akan mencapai kecepatan terminal yang tinggi. Jika potongan timah yang sama dibuat menjadi piringan tipis, dan dijatuhkan sehingga datar relatif terhadap permukaan bumi, ia akan mengalami hambatan udara yang jauh lebih besar, dan akan mencapai kecepatan terminal yang jauh lebih rendah dalam waktu yang lebih singkat.
Besarnya gaya ke bawah pada benda yang jatuh bergantung pada beratnya, yang merupakan interaksi massa benda dengan gaya gravitasi. Semakin besar massa, semakin besar gaya, dan oleh karena itu, semakin besar kecepatan terminal. Jika percobaan di atas dilakukan dengan menggunakan bahan ringan, seperti aluminium, kecepatan akhir untuk kedua bentuk akan lebih kecil daripada untuk bentuk timah. Penting untuk dipahami, bagaimanapun, bahwa percepatan gravitasi adalah sama untuk semua benda; itu adalah faktor drag yang menyebabkan variasi dengan berat dan bentuk. Jika percobaan dengan timah dan aluminium yang berbeda bentuk dilakukan dalam ruang hampa, semua benda akan berakselerasi pada tingkat yang sama, terlepas dari berat atau bentuk, karena faktor hambatan karena udara telah dihilangkan.
Perhitungan
Menentukan kecepatan terminal untuk sebuah benda yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu bisa menjadi rumit. Beberapa faktor, seperti massa dan percepatan gravitasi, sangat jelas, tetapi juga perlu mengetahui koefisien hambatan, nilai yang sangat bergantung pada bentuk objek. Untuk banyak objek, koefisien hambatan ditentukan oleh eksperimen, karena perhitungannya akan sangat sulit untuk bentuk kompleks. Karena densitas atmosfer bervariasi menurut ketinggian, variasi ini juga perlu diperhitungkan, kecuali jika jarak jatuhnya cukup pendek.
contoh
Tetesan hujan memiliki kecepatan terminal sekitar 17 mph (27 kph). Sebaliknya, hujan es besar bisa mencapai 42 mph (68km/jam), yang cukup untuk menyebabkan cedera. Peluru timah yang ditembakkan langsung ke udara, saat jatuh kembali ke tanah, mencapai sekitar 152 mph (245 kph).
Penerjun payung, menghadap ke tanah dengan anggota badan menyebar untuk memaksimalkan hambatan udara, biasanya akan memiliki kecepatan terminal sekitar 124 mph (200 km/jam). Menyelam dengan kepala terlebih dahulu, dengan tangan dan kaki terselip, penerjun payung yang sama bisa mencapai sekitar 200 mph (320 km/jam) atau lebih. Kecepatan yang tepat tergantung pada ketinggian awal, dan kecepatan yang jauh lebih tinggi dapat dicapai dengan menyelam dari ketinggian ekstrim, di mana atmosfernya jauh lebih tipis. Untuk objek yang jatuh ke Bumi dari luar atmosfer, misalnya meteorit, kecepatan terminal mungkin lebih kecil dari kecepatan awal relatif terhadap Bumi. Dalam kasus ini, objek melambat menuju kecepatan akhir.