Вільне падіння тіл – загальна характеристика
Вільним падінням називається рух тіл під дією сили тяжіння.
Падіння тіл, що спостерігається нами в повсякденному житті, строго кажучи, не є вільним, оскільки крім сили тяжіння на тіла діє сила опору повітря. Але якщо сила опору пренебрежимо мала в порівнянні з силою тяжіння, то рух тіла дуже близько до вільного (як, наприклад, при падінні маленької важкої гладкої кульки).
Тіла падають вільно в безповітряному просторі, наприклад всередині судини, з якого відкачано повітря.
Оскільки сила тяжіння, що діє на кожне тіло поблизу поверхні землі, постійна, то вільно падаюче тіло повинно рухатися з постійним прискоренням, тобто рівноприскорено (це випливає з другого закону Ньютона).
Ми знаємо, що модулі векторів переміщень, що здійснюються тілом при прямолінійному рівноприскореному русі за послідовні рівні проміжки часу, відносяться як ряд послідовних непарних чисел.
Таким чином, відношення модулів векторів переміщень, скоєних кулькою за послідовні рівні проміжки часу, свідчить про те, що кулька у вільному падінні рухалась рівноприскорено.
З моменту початку руху кулька пройшла 1,23 м за 0,5 с, причому її початкова швидкість дорівнювала нулю. За цими даними можна обчислити модуль вектора прискорення кульки, висловивши його з формули:
S = at2/2:
Вільне падіння кульки відбувається з прискоренням 9,8 м/с2.
А з яким прискоренням будуть вільно падати інші тіла, наприклад шматочок вати, картонна коробка з-під взуття, дерев’яна намистинка? Іншими словами: чи залежить прискорення при вільному падінні тіл від їх маси, об’єму, форми і т. д.?
Відповідь на це питання дає досвід. У скляній трубці довжиною, приблизно рівній 0,8 м, знаходяться: шматочок пробки, дробинка, пташина пір’їнка і монетка. Кінці трубки герметично закупорені гумовими пробками, в одній з яких є кран. Відкачаємо повітря з трубки і закриємо кран. При перевертанні трубки ми бачимо, що всі тіла, які знаходяться в ній, одночасно досягають дна. У будь-який момент часу всі ці предмети мають однакові миттєві швидкості, а значить, рухаються з однаковим прискоренням, яке називається прискоренням вільного падіння і позначається буквою g (першою літерою латинського слова gravitas – “тяжкість”).
Тіла в трубці здійснюють вільне падіння
Прискорення вільного падіння – прискорення, з яким рухається тіло під час вільного падіння.
Існують способи визначення числового значення g з більшою точністю (наприклад, до 0,00001 м/с2). Але при вирішенні завдань шкільного курсу фізики, де не потрібно високої точності результату, зазвичай використовують значення 9,8 м/с2 або навіть 10 м/с2.
Вільне падіння описується тими ж формулами, що і будь-який рівноприскорений рух. Наприклад, при падінні зі стану спокою проекції векторів швидкості і переміщення розраховуються за формулою vx = axt, якщо початкова швидкість не дорівнює нулю і т. д.
Тільки замість аx, що позначає проекцію довільного прискорення, ставлять gx, підкреслюючи тим самим, що будь-яке вільно падаюче тіло рухається з прискоренням вільного падіння.
При русі тіла вниз вектори прискорення вільного падіння, швидкості і переміщення направлені в одну і ту ж сторону, тому їх проекції мають однакові знаки.
Висновок про те, що всі тіла, незалежно від їх мас, форм і розмірів, здійснюють вільне падіння абсолютно однаково, на перший погляд може здатися суперечливим нашому повсякденному досвіду. Ми бачимо, що важкі тіла досягають землі швидше, ніж легкі, які падають з тієї ж висоти.
Насправді ніякого протиріччя тут немає. Просто зазвичай ми спостерігаємо падіння тіл в повітрі, яке діє на падаюче тіло з деякою силою, чинячи опір руху.
Якщо розглядати, наприклад, падіння в повітрі маленької важкої кульки, то силою опору повітря можна знехтувати в порівнянні з діючою на кульку силою тяжіння і з деяким наближенням вважати, що кулька вільно падає. Рівнодіюча (FВ) сил тяжкості і опору повітря, що надає кульці прискорення, мало відрізняється від сили тяжіння (FТяж. В), тому кулька рухається з прискоренням, близьким до g.
У повітрі падіння кульки припустимо вважати вільним, а шматочка вати – ні
Але падіння в повітрі шматочка вати ніяк не можна вважати вільним, так як в цьому випадку сила опору складає значну частину від сили тяжіння і рівнодіюча сила (FВ) значно менше сили тяжіння (FТяж. В). Тому шматочок вати падає в повітрі з набагато меншим прискоренням, ніж при вільному падінні.
До висновку про те, що прискорення вільного падіння не залежить від маси тіла, першим прийшов Галілей в кінці XVI ст. Одночасно гублячи з вежі важкі кулі і спостерігаючи за їх падінням, він виявив, що кулі, маючи різні маси, ДОсягали землі майже одночасно.
(2 votes, average: 4.00 out of 5)