Freier Fall aus der Stratosphäre

Sprünge aus grosser Höhe wie der von Felix Baumgartner (Red Bull Stratos Mission) können wie folgt modelliert werden:

Modellierungsansatz mit Gleichungen
Am Anfang steht eine Skizze der Situation und die Identifizierung der beteiligten Kräfte. In einem nächsten Schritt werden die Kräfte in Form von anderen physikalischen Grössen ausgedrückt, so dass das 2. Newtonsche Gesetz (Bewegungsgesetz) aufgestellt werden kann. Für einige Grössen müssen Annahmen getroffen oder Vereinfachungen vorgenommen werden (so z.B. für die angeströmte Fläche A zur Bestimmung der Luftwiderstandskraft). Dies repräsentiert eine Hauptaktivität des Modellierens. Die so entstehende Differentialgleichung 2. Ordnung kann mittels numerischer Integration gelöst werden.

Modell Freier Fall aus der Stratosphäre

Die Modellvorhersagen stimmen gut mit den verfügbaren experimentellen Daten überein. Das heisst, die wesentlichen Phänomene wurden durch das Modell erfasst.

Geschwindigkeit: Vergleich der Modellvorhersagen und den experimentellen Daten
Höhe über dem Boden: Vergleich der Modellvorhersagen und den experimentellen Daten

Modellierungsansatz mit Systemdynamik (Vensim)
Das Modell basiert auf dem Gesetz der Erhaltung des Impulses p. Dabei fliesst Impuls aus dem Schwerefeld in den fallenden Körper (Gravitation), andererseits fliesst Impuls vom fallenden Körper in die umgebende Atmosphäre (Luftwiderstand).

Systemdynamik-Modell
Vorausgesagte Geschwindigkeit des Systemdynamik-Modell