La vitesse terminale est le terme désignant la vitesse qu’un objet atteint lorsque la force de traînée, ou résistance de l’air, qui le pousse est égale à la force de gravité qui le tire vers le bas. Un objet lâché d’une hauteur accélérera initialement à cause de la gravité. L’atmosphère, cependant, exerce une force opposée, ou traînée, qui augmente à mesure que l’objet se déplace plus rapidement. Après un certain temps, un point est atteint où les deux forces opposées sont égales, et après cela, la vitesse de l’objet reste constante à moins qu’une autre force n’agisse sur lui : cette vitesse est connue comme sa vitesse terminale. La vitesse finale dépend du poids de l’objet, de sa forme et de la densité de l’atmosphère.
Le poids et la densité atmosphérique peuvent varier d’un endroit à l’autre. Alors que la masse d’un objet, qui peut être définie comme la quantité de matière qu’il contient, est la même où qu’il se trouve, son poids dépend de la force du champ gravitationnel local. Cela ne varie pas sur Terre à une échelle directement perceptible pour les humains, mais dans d’autres endroits comme la Lune ou Mars, ce sera très différent. La densité de l’atmosphère diminue avec l’altitude, de sorte que la résistance de l’air est plus grande près du sol qu’à de grandes hauteurs.
Poids et traînée
La quantité de traînée qui agit sur un objet en chute dépend de la densité de l’atmosphère et de la forme de l’objet. Plus la densité de l’atmosphère est élevée, plus il y a de résistance au mouvement. Sur de courtes distances verticales, la différence de densité sera faible et insignifiante dans la plupart des cas, mais pour quelque chose tombant de la haute atmosphère, il existe une grande différence, ce qui complique les calculs de vitesse terminale.
La traînée est également très dépendante de la forme du corps qui tombe. Si un morceau de matériau lourd, tel que du plomb, est transformé en une forme de balle et lâché, pointez vers le bas, d’une grande hauteur, il subira relativement peu de traînée et atteindra une vitesse terminale élevée. Si le même morceau de plomb est transformé en un disque mince et laissé tomber de manière à ce qu’il soit plat par rapport à la surface de la Terre, il subira une résistance à l’air beaucoup plus grande et atteindra une vitesse terminale beaucoup plus faible en moins de temps.
La quantité de force descendante sur un objet qui tombe dépend de son poids, qui est l’interaction de la masse de l’objet avec la force de gravité. Plus la masse est grande, plus la force sera grande et, par conséquent, plus la vitesse terminale sera grande. Si l’expérience ci-dessus est menée en utilisant un matériau léger, tel que l’aluminium, les vitesses finales pour les deux formes seraient inférieures à celles des formes en plomb. Il est important de comprendre, cependant, que l’accélération due à la gravité est la même pour tous les objets ; c’est le facteur de traînée qui provoque les variations avec le poids et la forme. Si l’expérience avec différentes formes de plomb et d’aluminium est réalisée dans le vide, tous les objets accéléreront à la même vitesse, quel que soit leur poids ou leur forme, car le facteur de traînée dû à l’air a été éliminé.
Calcul
Déterminer la vitesse terminale d’un objet lâché d’une hauteur donnée peut être compliqué. Certains facteurs, tels que la masse et l’accélération due à la gravité, sont simples, mais il est également nécessaire de connaître le coefficient de traînée, une valeur qui dépend de manière cruciale de la forme de l’objet. Pour de nombreux objets, le coefficient de traînée est déterminé expérimentalement, car les calculs seraient très difficiles pour des formes complexes. La densité de l’atmosphère variant avec l’altitude, cette variation doit également être prise en compte, à moins que la distance de chute ne soit assez courte.
Exemples
Une goutte de pluie a une vitesse terminale d’environ 17 km/h. En revanche, un gros grêlon pourrait atteindre 27 mph (42 km/h), ce qui est suffisant pour causer des blessures. Une balle de plomb tirée directement en l’air atteindrait, en retombant vers le sol, environ 68 mph (152 km/h).
Un parachutiste, face au sol avec les membres écartés pour maximiser la résistance de l’air, aura généralement une vitesse terminale d’environ 124 mph (200 km/h). En plongeant la tête la première, les bras et les jambes repliés, le même parachutiste pouvait atteindre environ 200 mph (320 km/h) ou plus. Les vitesses précises dépendent de l’altitude initiale, et des vitesses beaucoup plus élevées peuvent être atteintes en plongeant à des altitudes extrêmes, où l’atmosphère est beaucoup plus mince. Pour les objets tombant vers la Terre depuis l’extérieur de l’atmosphère, par exemple des météorites, la vitesse terminale peut être inférieure à la vitesse initiale par rapport à la Terre. Dans ces cas, l’objet ralentit vers la vitesse finale.