כוח גרר אינו חלק מחומר הלימוד הרשמי, אבל שאלות כאלה הופיעו בבגרות. לכן חשוב לדעת להתמודד עם שאלה על נושא שלא ראינו קודם, בעזרת הכלים שאנחנו כבר מכירים: גרף מהירות-זמן וחוקי ניוטון.
הצנחן והמצנח נחשבים גוף אחד. כלומר לא ישאלו על הכוח שהצנחן והמצנח מפעילים זה על זה.
על הצנחן פועלים שני כוחות: כוח הכובד (קבוע, \( mg \)) וכוח הגרר (התנגדות האוויר), שגדל ככל שהמהירות גדלה.
בציר הזמן, בין 0 ל-5 שניות יש 5 משבצות קטנות, ולכן כל משבצת ברוחב 1 שנייה. בציר המהירות, בין 0 ל-10 m/s יש 5 משבצות קטנות, ולכן כל משבצת בגובה 2 m/s.
זו לא נפילה חופשית, כי יש חיכוך עם האוויר. השיפוע של הגרף (התאוצה) לא קבוע:
מבחינת התחושה של הצנחן: בשניות הראשונות הוא מרגיש נפילה חופשית. אחרי שהוא מגיע למהירות הסופית, הוא כבר לא מרגיש תאוצה, אלא רק את הרוח.
הצנחן פתח את המצנח. המצנח הוא משטח ענק שתופס המון אוויר, ולכן כוח הגרר גדל בבת אחת לערך גדול בהרבה ממשקל הצנחן. הכוח השקול מתהפך ומכוון כלפי מעלה, והוא בולם את הנפילה בחדות.
אחרי כ-22 שניות המהירות מתייצבת על מהירות סופית חדשה ונמוכה. שם כוח הגרר של המצנח הפתוח שווה שוב ל-\( mg \).
אי אפשר להשתמש בנוסחאות הקינמטיקה, כי הן נכונות רק לתאוצה קבועה, וכאן התאוצה משתנה. אבל המרחק הוא עדיין השטח מתחת לגרף המהירות-זמן, מ-\( t=0 \) עד \( t=20\ \mathrm{s} \).
הצורה מתחת לגרף אינה משולש או טרפז, ולכן סופרים משבצות. משבצת שהעקומה חוצה מעריכים בקירוב: חצי משבצת, שליש משבצת וכן הלאה. כל משבצת מייצגת שטח של:
$$ 1\ \mathrm{s}\times 2\ \mathrm{m/s} = 2\ \mathrm{m} $$
לכן המרחק הוא מספר המשבצות כפול 2 מטר. (לשם המחשה: יש כ-400 משבצות, כלומר כ-\( 800\ \mathrm{m} \). השאלה לא דורשת לחשב.)
צריך להראות את זה מהגרף, ולא משיקולי כוחות (\( mg=ma \)).
ברגע הקפיצה המהירות אפס, ולכן גם כוח הגרר אפס, והצנחן בנפילה חופשית. התאוצה היא השיפוע של הגרף. מהגרף: בשנייה הראשונה המהירות עולה מ-0 לכ-\( 10\ \mathrm{m/s} \), כלומר הפרש המהירויות בשנייה הראשונה הוא 10:
$$ a=\frac{\Delta v}{\Delta t}=\frac{10-0}{1-0}=10\ \mathrm{m/s^2} $$
כך חישבנו את השיפוע ברגע הראשון, וקיבלנו \( g\approx10\ \mathrm{m/s^2} \). זה בדיוק מה שאומרת גם הנוסחה \( v=v_0+at \): הגוף התחיל ב-\( v_0=0 \) והגיע ל-\( v=10 \) אחרי \( t=1 \).
(היחידות: תאוצה היא מהירות חלקי זמן, כלומר מטר לשנייה בכל שנייה, \( \mathrm{m/s^2} \).)
אפשר גם לציין שמהרגע שהמהירות מתייצבת (בערך מ-13 עד 15 שניות) ההתנגדות נשארת קבועה. שתי התשובות מתקבלות.
לפי החוק השני של ניוטון, \( F=ma \), והתאוצה היא השיפוע של הגרף. לכן הכוח השקול גדול במקום שבו הגרף תלול, וקטן במקום שבו הגרף שטוח.
בקטעים שבהם הגרף אופקי (בערך מ-15 עד 20 שניות, ומ-22 עד 55 שניות) המהירות קבועה. השיפוע של קו אופקי הוא אפס, ולכן התאוצה אפס, ולפי \( F=ma \) גם הכוח השקול אפס:
$$ F_{min}=0 $$
בקטעים האלה כוח הגרר שווה לכוח הכובד, והם מאזנים זה את זה.
השיפוע התלול ביותר בגרף הוא מיד אחרי פתיחת המצנח. מהגרף, בערך מ-20 עד 22 שניות המהירות יורדת מ-\( 50\ \mathrm{m/s} \) ל-\( 10\ \mathrm{m/s} \):
$$ a=\frac{\Delta v}{\Delta t}\approx\frac{10-50}{22-20}=-20\ \mathrm{m/s^2} $$ $$ F_{max}=m|a|\approx 80\times 20=1600\ \mathrm{N} $$
הכוח השקול מכוון כלפי מעלה (הוא מאט את הנפילה). הערך הוא קירוב, כי קשה לקרוא בדיוק את השיפוע בקטע התלול. מה שחשוב הוא הנימוק: הכוח השקול המקסימלי פועל ברגע פתיחת המצנח, שם השיפוע הכי תלול.
1600 ניוטון הוא הכוח השקול, ולא כוח הגרר. על הצנחן פועל גם כוח הכובד \( mg=800\ \mathrm{N} \) כלפי מטה, ולכן כוח הגרר של המצנח (כלפי מעלה) הוא:
$$ f-mg=m|a| \quad\Rightarrow\quad f=1600+800=2400\ \mathrm{N} $$
זה כוח חזק, אבל הצנחן קשור ברתמה שמפזרת אותו על פני כל הגוף.