Свободное падение тел

Свободное падение тел – это падение тел на Землю в вакууме при отсутствии помех. Движение тела под действием силы тяжести при отсутствии сопротивления воздуха можно считать свободным падением. Например, в свободном падении находится спортсмен, прыгающий в воду с вышки или мяч, выпущенный из руки.

В 1583 году итальянский учёный Галилео Галилей (1564-1642) установил, что при отсутствии сопротивления воздуха все тела, независимо от их массы, падают на землю с одинаковым ускорением g, которое направлено вертикально вниз. Это ускорение называется ускорение свободного падения. При свободном падении тела с небольшой высоты h от поверхности Земли (причём h намного меньше радиуса Земли R_З, где радиус Земли R_З ~ 6000 км) сила притяжения остаётся практически постоянной, поэтому ускорение свободного падения также остаётся постоянным.

Это заключение подтверждает опыт с падением тел в стеклянной трубке, из которой выкачан воздух (рис. 1.24). Кусочек свинца, лёгкое пёрышко и дробинка достигают дна трубки одновременно. Следовательно, они падают с одинаковым ускорением.

Свободное падение можно рассматривать как частный случай равноускоренного движения. Ускорение свободного падения зависит от высоты над уровнем моря и от географической широты места. Оно изменяется примерно от 9,83 м/с² на полюсе и до 9,78 м/с² на экваторе. На широте Москвы ускорение свободного падения принимается равным g = 9,8 м/с². Поэтому в большинстве случаев при решении задач по физике ускорение свободного падения принимается равным 9,8 м/с².

Различие в значении ускорения объясняется суточным вращением Земли и формой Земли – Земля сплюснута у полюсов, поэтому полюсный радиус Земли меньше экваториального радиуса.

Рис. 1.24. Свободное падение тел.Зависимость ускорения свободного падения от высоты над уровнем моря можно получить, применяя второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения. Модуль ускорения свободного падения равен:

g = G(M /(R + h)²)

где G – гравитационная постоянная (или постоянная всемирного тяготения), G = (6,673 ± 0,003)*10^-11 н*м² / кг² М – масса Земли, M = 5,9736*10²⁴ кг R – радиус Земли, средний радиус Земли R_З.СР = 6371 км, h – высота тела над уровнем моря (над поверхностью Земли).

Из этого уравнения видно, что при подъёме тела ускорение свободного падения уменьшается. Это становится заметным при подъёме на высоту более 300 км.

В некоторых районах земного шара ускорение свободного падения может отличаться от значения ускорения на данной широте. Такие отклонения наблюдаются в местах, где имеются залежи полезных ископаемых.

Движение тел по вертикали (вверх или вниз) вблизи поверхности Земли без учёта сопротивления воздуха является прямолинейным равноускоренным движением. При описании такого движения выбирают координатную ось OY, направленную вверх или вниз. Независимо от направления оси OY вектор ускорения свободного падения направлен вертикально вниз.

Формулы для вычисления координат (или высот) и скоростей примут следующий вид.

Скорость тела в любой момент времени

v_y = ± v_oy ± g_yt

Перемещение тела

s_y = ± v_oyt ± (g_yt²) / 2

Координаты тела (высота тела)

y = h = h₀ ± v_oyt ± (g_yt²) / 2

Скорость тела в любой точке пути

v_y² = v_oy² + 2g_y(h — h₀)

Если ось OY направлена вниз, то проекция ускорения свободного падения g_y на эту ось положительна. Если ось OY направлена вверх, то проекция g_y отрицательна. Например, мяч, подброшенный вертикально вверх, до верхней точки подъёма движется равнозамедленно, а его движение вниз будет равноускоренным.

Проекции начальной v_oy и конечной v_y скоростей положительны, если направление скоростей совпадает с направлением оси OY, и отрицательны, если направления оси OY и скоростей противоположны.