Obliczanie czasu upadku ciała z wysokości. Jak obliczyć wskaźnik upadku

Wiadomo, że planeta Ziemia przyciąga do swojego jądra dowolne ciało za pomocą tzw pole grawitacyjne. Oznacza to, że im większa odległość między ciałem a powierzchnią naszej planety, tym bardziej na nią wpływa i tym bardziej

Na ciało spadające pionowo w dół nadal działa wspomniana siła, dzięki której ciało z pewnością spadnie w dół. Pozostaje pytanie otwarte jaka będzie jego prędkość podczas upadku? Z jednej strony na obiekt oddziałuje opór powietrza, który jest dość silny, z drugiej strony ciało jest tym silniej przyciągane do Ziemi im dalej od niej jest. Pierwszy oczywiście będzie przeszkodą i zmniejszy prędkość, drugi da przyspieszenie i zwiększy prędkość. Powstaje zatem kolejne pytanie: czy w warunkach lądowych możliwy jest swobodny spadek? Ściśle mówiąc, ciała są możliwe tylko w próżni, gdzie nie ma zakłóceń w postaci oporu przepływu powietrza. Jednak w ramach współczesnej fizyki swobodny spadek ciała jest uważany za ruch pionowy, który nie napotyka zakłóceń (w tym przypadku można pominąć opór powietrza).

Chodzi o to, że można tylko sztucznie stworzyć warunki, w których na spadający obiekt nie działają inne siły, w szczególności to samo powietrze. Doświadczalnie udowodniono, że prędkość swobodnego spadania ciała w próżni jest zawsze taka sama, niezależnie od ciężaru ciała. Taki ruch nazywa się jednostajnie przyspieszonym. Po raz pierwszy został opisany przez słynnego fizyka i astronoma Galileo Galilei ponad 4 wieki temu. Trafność takich wniosków nie straciła do dziś mocy.

Jak już wspomniano, swobodny upadek ciała w ramach życia codziennego jest nazwą warunkową i nie do końca poprawną. W rzeczywistości prędkość swobodnego spadania dowolnego ciała nie jest jednolita. Ciało porusza się z przyspieszeniem, dzięki czemu taki ruch jest określany jako szczególny przypadek równomiernie przyspieszony ruch. Innymi słowy, z każdą sekundą zmienia się prędkość ciała. Mając to na uwadze, możemy określić prędkość swobodnego spadania ciała. Jeśli nie damy obiektowi przyspieszenia (czyli nie rzucamy nim, a po prostu opuszczamy go z wysokości), to jego prędkość początkowa będzie równa zeru: Vo=0. Z każdą sekundą prędkość będzie wzrastać proporcjonalnie do przyspieszenia: gt.

Ważne jest, aby skomentować wprowadzenie zmiennej g tutaj. To jest przyspieszenie swobodnego spadania. Wcześniej zauważyliśmy już obecność przyspieszenia, gdy ciało spada w normalnych warunkach, tj. w obecności powietrza i pod wpływem grawitacji. Każde ciało spada na Ziemię z przyspieszeniem równym 9,8 m/s2, niezależnie od jego masy.

Teraz, pamiętając o tym zastrzeżeniu, wyprowadzamy wzór, który pomoże obliczyć prędkość swobodnego spadania ciała:

To znaczy, do prędkości początkowej (jeśli daliśmy ją ciału przez rzucanie, pchanie lub inne manipulacje), dodajemy iloczyn o liczbę sekund, które zajęło ciału dotarcie do powierzchni. Jeśli prędkość początkowa wynosi zero, wzór staje się:

Jest to po prostu iloczyn przyspieszenia swobodnego spadania i czasu.

Podobnie, znając prędkość swobodnego spadania obiektu, można wyprowadzić czas jego ruchu lub prędkość początkową.

Należy również rozróżnić wzór na obliczanie prędkości, ponieważ w tym przypadku będą działać siły, które stopniowo spowalniają prędkość rzucanego obiektu.

W rozważanym przez nas przypadku na ciało działa jedynie siła grawitacji i opór przepływów powietrza, co w zasadzie nie wpływa na zmianę prędkości.

W mechanice klasycznej stan obiektu poruszającego się swobodnie w polu grawitacyjnym nazywamy swobodny spadek. Jeśli obiekt wpadnie do atmosfery, ma na niego wpływ: dodatkowa moc opór i jego ruch zależy nie tylko od przyspieszenia grawitacyjnego, ale także od jego masy, przekroju i innych czynników. Jednak tylko jedna siła działa na ciało opadające w próżni, a mianowicie grawitacja.

Przykładami swobodnego spadania są statki kosmiczne i satelity na orbicie okołoziemskiej, ponieważ oddziałuje na nie jedyna siła - grawitacja. Planety krążące wokół Słońca również spadają swobodnie. Obiekty spadające na ziemię z małą prędkością można również uznać za spadające swobodnie, ponieważ w tym przypadku opór powietrza jest znikomy i można go pominąć. Jeżeli jedyną siłą działającą na obiekty jest grawitacja i nie ma oporu powietrza, to przyspieszenie jest takie samo dla wszystkich obiektów i jest równe przyspieszeniu swobodnego spadania na powierzchnię Ziemi wynoszącego 9,8 metra na sekundę na sekundę (m/s² ) lub 32,2 stopy na sekundę na sekundę (ft/s²). Na powierzchni innych ciał astronomicznych przyspieszenie swobodnego spadania będzie inne.

Spadochroniarze oczywiście mówią, że przed otwarciem spadochronu są w swobodnym spadku, ale tak naprawdę skoczek nigdy nie może swobodnie spadać, nawet jeśli spadochron nie był jeszcze otwarty. Owszem, na skoczka w „swobodnym spadaniu” działa siła grawitacji, ale działa na niego również siła przeciwna – opór powietrza, a siła oporu powietrza jest tylko nieznacznie mniejsza od siły grawitacji.

Gdyby nie było oporu powietrza, prędkość ciała spadającego swobodnie wzrastałaby o 9,8 m/s na sekundę.

Prędkość i odległość swobodnie spadającego ciała oblicza się w następujący sposób:

v₀ - prędkość początkowa (m/s).

v- końcowa prędkość pionowa (m/s).

h₀ - wysokość początkowa (m).

h- wysokość zrzutu (m).

T- czas opadania (s).

g- przyspieszenie swobodnego spadania (9,81 m/s2 na powierzchni Ziemi).

Jeśli v₀=0 i h₀=0, mamy:

jeśli znany jest czas swobodnego spadania:

jeśli znana jest odległość swobodnego spadania:

jeśli znana jest końcowa prędkość swobodnego spadania:

Te wzory są używane w tym kalkulatorze swobodnego spadania.

Podczas swobodnego spadania, gdy nie ma siły do ​​podparcia ciała, jest nieważkość. Nieważkość to brak sił zewnętrznych działających na ciało z podłogi, krzesła, stołu i innych otaczających obiektów. Innymi słowy, wspieraj siły reakcji. Zwykle siły te działają w kierunku prostopadłym do powierzchni styku z podporą, a najczęściej pionowo w górę. Nieważkość można porównać do pływania w wodzie, ale w taki sposób, że skóra nie czuje wody. Każdy zna to uczucie własnej wagi, kiedy schodzisz na ląd po długiej kąpieli w morzu. Dlatego podczas treningu kosmonautów i astronautów do symulacji stanu nieważkości wykorzystuje się baseny z wodą.

Samo pole grawitacyjne nie może wywierać nacisku na twoje ciało. Dlatego też, jeśli jesteś w stanie swobodnego spadania w dużym obiekcie (na przykład w samolocie), który również znajduje się w tym stanie, twoje ciało nie jest dotknięte żadnymi siły zewnętrzne współdziałanie ciała z podporą i uczucie nieważkości, prawie takie samo jak w wodzie.

Nieważkie samoloty szkoleniowe przeznaczony do tworzenia krótkotrwałej nieważkości w celu szkolenia kosmonautów i astronautów, a także do wykonywania różnych eksperymentów. Takie samoloty były i są obecnie eksploatowane w kilku krajach. Przez krótkie okresy czasu, trwające około 25 sekund w ciągu każdej minuty lotu, samolot znajduje się w stanie nieważkości, czyli nie ma reakcji wsparcia dla osób w nim znajdujących.

Do symulacji stanu nieważkości stosowano różne samoloty: w ZSRR i Rosji od 1961 roku używano do tego zmodyfikowanych samolotów produkcyjnych Tu-104AK, Tu-134LK, Tu-154MLK i Ił-76MDK. W USA astronauci szkolą się od 1959 roku na zmodyfikowanych AJ-2, C-131, KC-135 i Boeingach 727-200. W Europie Narodowe Centrum badanie przestrzeni kosmicznej(CNES, Francja) używa Airbusa A310 do treningu w stanie nieważkości. Modyfikacja polega na sfinalizowaniu układów paliwowych, hydraulicznych i niektórych innych w celu zapewnienia ich normalnej pracy w warunkach krótkotrwałej nieważkości, a także wzmocnieniu skrzydeł, aby samolot wytrzymywał zwiększone przyspieszenia (do 2G).

Pomimo tego, że czasami opisując warunki swobodnego spadania podczas lot w kosmos na orbicie wokół Ziemi mówią o braku grawitacji, oczywiście grawitacja jest obecna w każdym statek kosmiczny. Brakuje ciężaru, czyli siły reakcji podpory na obiektach znajdujących się w statek kosmiczny, które poruszają się w przestrzeni z takim samym przyspieszeniem ziemskim, które jest tylko nieznacznie mniejsze niż na Ziemi. Na przykład na niskiej orbicie okołoziemskiej na wysokości 350 km, w której International stacja Kosmiczna(ISS) lata wokół Ziemi, przyspieszenie grawitacyjne wynosi 8,8 m/s², czyli tylko o 10% mniej niż na powierzchni Ziemi.

Aby opisać rzeczywiste przyspieszenie obiektu (zwykle samolotu) w stosunku do przyspieszenia swobodnego spadania na powierzchnię Ziemi, zwykle używa się specjalnego terminu - przeciążać. Jeśli leżysz, siedzisz lub stoisz na ziemi, twoje ciało jest przeciążone 1 g (czyli nie ma żadnego). Z drugiej strony, jeśli startujesz samolotem, doświadczasz około 1,5 g. Jeśli ten sam samolot wykona skoordynowany ciasny skręt, pasażerowie mogą doświadczyć do 2 g, co oznacza, że ​​ich waga podwoiła się.

Ludzie są przyzwyczajeni do życia bez przeciążeń (1 g), więc każde przeciążenie ma duży wpływ na Ludzkie ciało. Podobnie jak w przypadku samolotów laboratoryjnych o zerowej grawitacji, w których wszystkie systemy obsługi płynów muszą zostać zmodyfikowane, aby mogły poprawnie funkcjonować w warunkach zerowych (nieważkości), a nawet ujemnych przeciążeń, ludzie również potrzebują pomocy i podobnej „modyfikacji”, aby przetrwać w takich warunkach. Niewprawna osoba może zemdleć przy 3-5 g (w zależności od kierunku przeciążenia), ponieważ to wystarczy, aby mózg pozbawił się tlenu, ponieważ serce nie jest w stanie wpompować do niego wystarczającej ilości krwi. W związku z tym piloci wojskowi i astronauci trenują na wirówkach warunki wysokiego przeciążenia aby zapobiec utracie przytomności podczas nich. Aby zapobiec krótkotrwałej utracie wzroku i przytomności, która w warunkach pracy może być śmiertelna, piloci, kosmonauci i astronauci zakładają kombinezony kompensujące wysokość, które ograniczają odpływ krwi z mózgu podczas przeciążeń poprzez zapewnienie równomiernego nacisku na całą powierzchnię ludzkiego ciała.

Co to jest swobodny spadek? To jest upadek ciał na Ziemię przy braku oporu powietrza. Innymi słowy, wpadnięcie w pustkę. Oczywiście brak oporu powietrza to próżnia, której nie można znaleźć na Ziemi w normalnych warunkach. Dlatego nie będziemy brać pod uwagę siły oporu powietrza, uznając ją za tak małą, że można ją pominąć.

Przyśpieszenie grawitacyjne

Przeprowadzając swoje słynne eksperymenty na Krzywej Wieży w Pizie, Galileo Galilei odkrył, że wszystkie ciała, niezależnie od swojej masy, spadają na Ziemię w ten sam sposób. Oznacza to, że dla wszystkich ciał przyspieszenie swobodnego spadania jest takie samo. Według legendy naukowiec wyrzucił wtedy z wieży kule o różnych masach.

Przyśpieszenie grawitacyjne

Przyspieszenie swobodnego spadania - przyspieszenie, z jakim wszystkie ciała spadają na Ziemię.

Przyspieszenie swobodnego spadania jest w przybliżeniu równe 9,81 m s 2 i jest oznaczone literą g. Czasami, gdy dokładność nie jest istotna, przyspieszenie grawitacyjne jest zaokrąglane do 10 m s 2 .

Ziemia nie jest idealną kulą, a w różnych punktach powierzchnia ziemi, w zależności od współrzędnych i wysokości nad poziomem morza, wartość g zmienia się. Zatem największe przyspieszenie swobodnego spadania występuje na biegunach (≈ 9, 83 m s 2), a najmniejsze na równiku (≈ 9, 78 m s 2) .

Ciało swobodnego spadania

Rozważ prosty przykład swobodnego spadania. Niech jakieś ciało spadnie z wysokości h z zerową prędkością początkową. Załóżmy, że podnieśliśmy fortepian na wysokość h i spokojnie go puściliśmy.

Swobodny spadek - ruch prostoliniowy ze stałym przyspieszeniem. Skierujmy oś współrzędnych z punktu początkowego położenia ciała na Ziemię. Stosując wzory kinematyki dla ruchu prostoliniowego jednostajnie przyspieszonego można pisać.

h = v 0 + g t 2 2 .

Ponieważ prędkość początkowa wynosi zero, przepisujemy:

Stąd znajduje się wyrażenie na czas upadku ciała z wysokości h:

Biorąc pod uwagę, że v \u003d g t, znajdujemy prędkość ciała w momencie upadku, czyli prędkość maksymalną:

v = 2 h g · g = 2 h g .

Podobnie możemy rozważyć ruch ciała wyrzuconego pionowo w górę z określoną prędkością początkową. Na przykład rzucamy piłkę w górę.

Niech oś współrzędnych będzie skierowana pionowo w górę od punktu rzucania ciała. Tym razem ciało porusza się równomiernie wolno, tracąc prędkość. W najwyższym punkcie prędkość ciała wynosi zero. Za pomocą wzorów kinematycznych możemy napisać:

Zastępując v = 0 , znajdujemy czas, w którym ciało wznosi się na maksymalną wysokość:

Czas opadania zbiega się z czasem narastania, a ciało powróci na Ziemię po t = 2 v 0 g .

Maksymalna wysokość ciała rzuconego pionowo:

Rzućmy okiem na poniższy rysunek. Przedstawia wykresy prędkości ciała dla trzech przypadków ruchu z przyspieszeniem a = - g. Rozważmy każdą z nich, po określeniu, że w tym przykładzie wszystkie liczby są zaokrąglone, a przyspieszenie swobodnego spadania jest równe 10 m s 2 .

Pierwszy wykres to upadek ciała z pewnej wysokości bez prędkości początkowej. Czas opadania t p = 1 s. Ze wzorów i wykresu łatwo wywnioskować, że wysokość, z której spadło ciało, jest równa h = 5 m.

Drugi wykres to ruch ciała wyrzuconego pionowo w górę z prędkością początkową v 0 = 10 m s. Maksymalna wysokość podnoszenia h = 5 m. Czas wznoszenia i opadania t p = 1 s.

Trzeci wykres jest kontynuacją pierwszego. Spadające ciało odbija się od powierzchni, a jego prędkość gwałtownie zmienia znak na przeciwny. Dalszy ruch ciała można rozpatrywać zgodnie z drugim wykresem.

Problem swobodnego spadania ciała jest ściśle związany z problemem ruchu ciała rzuconego pod pewnym kątem do horyzontu. W ten sposób ruch po trajektorii parabolicznej można przedstawić jako sumę dwóch niezależnych ruchów wokół osi pionowej i poziomej.

Wzdłuż osi O Y ciało porusza się równomiernie przyspieszone przyspieszeniem g, początkowa prędkość tego ruchu wynosi v 0 y. Ruch wzdłuż osi OX jest jednostajny i prostoliniowy, z prędkością początkową v 0 x .

Warunki ruchu wzdłuż osi O X:

x 0 = 0; v 0 x = v 0 cos α ; a x = 0 .

Warunki ruchu wzdłuż osi O Y:

y 0 = 0; v 0 y = v 0 sin α ; a y = - g .

Przedstawiamy wzory na ruch ciała rzuconego pod kątem do horyzontu.

Czas lotu ciała:

t = 2 v 0 sin αg .

Zasięg lotu ciała:

L \u003d v 0 2 sin 2 αg.

Maksymalny zasięg lotu osiągany jest przy kącie α = 45°.

Lm a x = v 0 2 g .

Maksymalna wysokość podnoszenia:

h \u003d v 0 2 sin 2 α 2 g.

Zwróć uwagę, że w rzeczywistych warunkach ruch ciała rzuconego pod kątem do horyzontu może mieć trajektorię inną niż paraboliczna ze względu na opór powietrza i wiatru. Badanie ruchu ciał wyrzuconych w kosmos to szczególna nauka - balistyka.

Jeśli zauważysz błąd w tekście, zaznacz go i naciśnij Ctrl+Enter

Swobodny spadek to ruch ciał tylko pod wpływem przyciągania Ziemi (pod wpływem grawitacji)

W warunkach ziemskich upadek ciał uważany jest za warunkowo wolny, ponieważ Kiedy ciało wpada w powietrze, zawsze występuje siła oporu powietrza.

Idealny swobodny spadek możliwy jest tylko w próżni, gdzie nie ma oporu powietrza i niezależnie od masy, gęstości i kształtu wszystkie ciała spadają równie szybko, czyli w dowolnym momencie ciała mają te same chwilowe prędkości i przyspieszenia.

Można zaobserwować idealny swobodny spadek ciał w tubie Newtona, jeśli powietrze jest z niej wypompowywane za pomocą pompy.

W dalszym rozumowaniu i rozwiązywaniu problemów pomijamy siłę tarcia o powietrze i uważamy, że upadek ciał w warunkach ziemskich jest idealnie swobodny.

PRZYŚPIESZENIE GRAWITACYJNE

Podczas swobodnego spadania wszystkie ciała w pobliżu powierzchni Ziemi, niezależnie od ich masy, uzyskują to samo przyspieszenie, zwane przyspieszeniem swobodnego spadania.
Symbol przyspieszenia swobodnego spadania to g.

Przyspieszenie swobodnego spadania na Ziemi jest w przybliżeniu równe:
g = 9,81m/s2.

Przyspieszenie swobodnego spadania jest zawsze skierowane w stronę środka Ziemi.

W pobliżu powierzchni Ziemi wielkość siły grawitacji jest uważana za stałą, dlatego swobodny upadek ciała to ruch ciała pod działaniem stałej siły. Dlatego swobodny spadek jest ruchem jednostajnie przyspieszonym.

Wektor grawitacji i wytworzone przez nią przyspieszenie swobodnego spadania są zawsze skierowane w ten sam sposób.

Wszystkie wzory na ruch jednostajnie przyspieszony mają zastosowanie do swobodnego spadania ciał.

Wartość prędkości swobodnego spadania ciała w dowolnym momencie:

ruch ciała:

W tym przypadku zamiast przyspieszania a, przyspieszenie swobodnego spadania wprowadza się do wzorów na ruch jednostajnie przyspieszony g=9,8m/s2.

W warunkach idealnego upadku ciała spadające z tej samej wysokości docierają do powierzchni Ziemi, mając te same prędkości i spędzając ten sam czas na spadaniu.

W idealnym spadku swobodnym ciało powraca na Ziemię z prędkością równą początkowemu modułowi prędkości.

Czas opadania ciała jest równy czasowi ruchu w górę od momentu rzutu do całkowitego zatrzymania się w najwyższym punkcie lotu.

Jedynie na biegunach Ziemi ciała opadają ściśle pionowo. We wszystkich innych punktach planety trajektoria swobodnie opadającego ciała odchyla się na wschód z powodu siły Cariolisa powstającej w układach wirujących (czyli wpływa na to wpływ obrotu Ziemi wokół własnej osi).

CZY WIESZ

CZYM JEST UPADEK CIAŁ W RZECZYWISTYCH WARUNKACH?

Jeśli pistolet zostanie wystrzelony pionowo w górę, to biorąc pod uwagę siłę tarcia o powietrze, pocisk swobodnie spadający z dowolnej wysokości osiągnie prędkość nie większą niż 40 m / s przy ziemi.

W warunkach rzeczywistych, ze względu na obecność siły tarcia w powietrzu, energia mechaniczna ciała jest częściowo zamieniana na energię cieplną. W rezultacie maksymalna wysokość podnoszenia ciała okazuje się być mniejsza niż podczas poruszania się w przestrzeni pozbawionej powietrza, a w dowolnym punkcie trajektorii podczas opadania prędkość okazuje się być mniejsza niż prędkość na wzniesienie się.

W obecności tarcia spadające ciała mają przyspieszenie równe g tylko w początkowym momencie ruchu. Wraz ze wzrostem prędkości, przyspieszenie maleje, ruch ciała ma tendencję do jednostajności.

ZRÓB TO SAM

Jak zachowują się spadające ciała w rzeczywistych warunkach?

Weź mały krążek wykonany z plastiku, grubej tektury lub sklejki. Wytnij krążek o tej samej średnicy ze zwykłego papieru. Podnieś je, trzymając w różnych rękach, na tę samą wysokość i jednocześnie puść. Ciężki dysk spadnie szybciej niż lekki. Podczas spadania na każdy dysk działają jednocześnie dwie siły: siła grawitacji i siła oporu powietrza. Na początku upadku wypadkowa siła grawitacji i siła oporu powietrza będą większe dla ciała o większej masie, a przyspieszenie cięższego ciała będzie większe. Wraz ze wzrostem prędkości ciała wzrasta siła oporu powietrza i stopniowo porównuje się wielkość z siłą grawitacji, spadające ciała zaczynają poruszać się równomiernie, ale z różnymi prędkościami (cięższe ciało ma większą prędkość).
Podobnie jak ruch spadającego dysku, można rozważać ruch spadającego spadochronu podczas skoku z samolotu z dużej wysokości.

Umieść lekki papierowy krążek na grubszym plastikowym lub sklejkowym krążku, podnieś go i zwolnij w tym samym czasie. W takim przypadku spadną w tym samym czasie. Tutaj opór powietrza działa tylko na ciężki dolny dysk, a grawitacja nadaje ciałom równe przyspieszenia, niezależnie od ich mas.

PRAWIE DOWÓD

Paryski fizyk Lenormand, który żył w XVIII wieku, wziął zwykłe parasole przeciwdeszczowe, naprawił końce szprych i skoczył z dachu domu. Następnie zachęcony sukcesem wykonał specjalny parasol z wiklinowym siedziskiem i zbiegł z wieży w Montpellier. Na dole otaczali go rozentuzjazmowani widzowie. Jak nazywa się twój parasol? Spadochron! – odpowiedział Lenormand (dosłowne tłumaczenie tego słowa z francuskiego to „pod upadkiem”).

CIEKAWY

Jeśli Ziemia zostanie przewiercona i zostanie w nią wrzucony kamień, co stanie się z kamieniem?
Kamień spadnie, osiągając maksymalną prędkość na środku ścieżki, po czym poleci bezwładnie i dotrze na przeciwną stronę Ziemi, a jego końcowa prędkość będzie równa początkowej. Przyspieszenie swobodnego spadania wewnątrz Ziemi jest proporcjonalne do odległości od środka Ziemi. Kamień będzie się poruszał jak ciężar na sprężynie, zgodnie z prawem Hooke'a. Jeśli początkowa prędkość kamienia wynosi zero, to okres oscylacji kamienia w wale jest równy okresowi obrotu satelity w pobliżu powierzchni Ziemi, niezależnie od tego, jak wykopany jest prosty wał: przez środek Ziemi lub wzdłuż dowolnego akordu.

Swobodny spadek ciała to jego ruch jednostajnie zmienny, który zachodzi pod wpływem grawitacji. W tym momencie inne siły, które mogą działać na ciało, są albo nieobecne, albo tak małe, że ich wpływ nie jest brany pod uwagę. Na przykład, gdy spadochroniarz wyskakuje z samolotu, przez pierwsze kilka sekund po skoku spada w stanie wolnym. Ten krótki okres czasu charakteryzuje się uczuciem nieważkości, podobnym do tego, jakiego doświadczają astronauci na pokładzie statku kosmicznego.

Historia odkrycia zjawiska

Naukowcy dowiedzieli się o swobodnym upadku ciała już w średniowieczu: Albert z Saksonii i Nikołaj Orem badali to zjawisko, ale niektóre z ich wniosków były błędne. Na przykład argumentowali, że prędkość spadającego ciężkiego obiektu wzrasta wprost proporcjonalnie do przebytej odległości. W 1545 roku błąd ten poprawił hiszpański naukowiec D. Soto, który ustalił, że prędkość spadającego ciała wzrasta proporcjonalnie do czasu, jaki upływa od początku upadku tego obiektu.

W 1590 włoski fizyk Galileo Galilei sformułował prawo, które ustala wyraźną zależność drogi przebytej przez spadający przedmiot od czasu. Naukowcy udowodnili też, że przy braku oporu powietrza wszystkie obiekty na Ziemi spadają z tym samym przyspieszeniem, choć przed jego odkryciem powszechnie przyjmowano, że ciężkie obiekty spadają szybciej.

Odkryto nową wartość - przyśpieszenie grawitacyjne, który składa się z dwóch składowych: przyspieszenia grawitacyjnego i odśrodkowego. Przyspieszenie swobodnego spadania jest oznaczone literą g i ma różną wartość dla różnych punktów Globus: od 9,78 m/s 2 (wartość równikowa) do 9,83 m/s 2 (wartość przyspieszenia biegunowego). Na dokładność wskaźników wpływa długość, szerokość geograficzna, pora dnia i inne czynniki.

Za standardową wartość g uważa się 9,80665 m/s2. W obliczeniach fizycznych, które nie wymagają dużej dokładności, wartość przyspieszenia przyjmuje się jako 9,81 m/s2. Dla ułatwienia obliczeń dopuszcza się przyjęcie wartości g równej 10 m/s 2.

Aby zademonstrować, jak przedmiot spada zgodnie z odkryciem Galileusza, naukowcy organizują taki eksperyment: przedmioty o różnych masach umieszcza się w długiej szklanej rurce, z której wypompowywane jest powietrze. Następnie rurka zostaje odwrócona, wszystkie obiekty pod działaniem grawitacji opadają jednocześnie na dno tuby, niezależnie od ich masy.

Gdy te same przedmioty zostaną umieszczone w dowolnym ośrodku, wraz z siłą grawitacji działa na nie siła oporu, przez co przedmioty w zależności od swojej masy, kształtu i gęstości będą spadać w różnym czasie.

Wzory do obliczeń

Istnieją formuły, za pomocą których można obliczyć różne wskaźniki związane ze spadkiem swobodnym. Używają takich konwencje:

1. u to prędkość końcowa, z jaką porusza się badane ciało, m/s;
2. h to wysokość, z której porusza się badane ciało, m;
3. t - czas ruchu badanego ciała, s;
4. g - przyspieszenie (wartość stała równa 9,8 m/s 2).

Wzór na określenie odległości przebytej przez spadający obiekt przy znanej końcowej prędkości i czasie upadku: h = ut /2.

Wzór na obliczenie odległości przebytej przez spadający przedmiot ze stałej wartości g i czasu: h = gt 2 /2.

Wzór na określenie prędkości spadającego obiektu pod koniec upadku o znanym czasie upadku: u = gt.

Wzór na obliczenie prędkości obiektu na końcu upadku, jeśli znana jest wysokość, z której spada badany obiekt: u = √2 gh.

Jeśli nie zagłębisz się w wiedzę naukową, potoczna definicja swobodnego przemieszczania się implikuje ruch ciała w atmosfera ziemska gdy nie mają na nią wpływu żadne czynniki zewnętrzne inne niż opór otaczającego powietrza i grawitacja.

W różnych momentach wolontariusze rywalizują ze sobą, próbując ustanowić osobisty rekord. W 1962 roku testowy spadochroniarz z ZSRR Jewgienij Andriejew ustanowił rekord, który został wpisany do Księgi Rekordów Guinnessa: podczas skoku spadochronowego w swobodnym spadku pokonał dystans 24500 m, podczas skoku spadochron hamujący nie był używany.

W 1960 roku Amerykanin D. Kittinger wykonał skok spadochronowy z wysokości 31 tys. metrów, ale za pomocą instalacji spadochronowo-hamulcowej.

W 2005 roku pobito rekordową prędkość w swobodnym spadku – 553 km/h, a siedem lat później ustanowiono nowy rekord – prędkość ta została zwiększona do 1342 km/h. Ten rekord należy do austriackiego spadochroniarza Felixa Baumgartnera, znanego na całym świecie ze swoich niebezpiecznych wyczynów kaskaderskich.

Wideo

Obejrzyj ciekawy i pouczający film, który opowie Ci o prędkości spadających ciał.