В повседневной жизни нас окружает множество физических явлений, над смыслом которых мы даже не задумываемся. В данной публикации, я хочу поговорить о таком явлении как свободное падение. Конечно, в течение дня, его не так уж часто можно наблюдать, но всё-таки это происходит.
Итак, что же такое Свободное падение? — это движение тела под действием силы тяготения, когда другие силы, к примеру, сила сопротивления воздуха, отсутствуют или пренебрежимо малы. Коротко и понятно, но рассмотрим чуток поподробнее.
Свободное падение это одно из важнейших явлений в современной механике, его изучение играет важную роль в изучении движения различных физических тел в гравитационном поле земли. К примеру при разработке летательных аппаратов или космических кораблей.
Примерно в 4 веке до нашей эры, известный философ Аристотель сделал не безосновательное предположение. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно упадет на землю. За основу было взято простое наблюдение. Брошенные одновременно тяжёлый камень и лист бумаги, долетают до земли за разное время. Так как это было давно и физикой занимались философы, всех все устраивало на протяжение почти двух тысячелетий.
Времена Аристотеля прошли. А его сторонники, прогульщики уроков, встречаются и в наше время. Перед тем как написать эту статью, я задал нескольким своим знакомым вопрос. Если с высокой башни, одновременно скинуть две чугунные гири, одну весом в 1 кг. а другую 5 кг. Какая из них упадет первой?
К моему удивлению, ответы были различными. Большая часть, конечно, ответила правильно. А меньшая, в лучших традициях древнегреческих философов, наивно предположила, что тяжёлая гиря упадет намного быстрее чем лёгкая.
В 16 веке знаменитый Итальянский учёный того времени, Галилео Галилей, выдвинул теорию. Что тела разной массы, сброшенные одновременно с одной высоты, прилетают к земле примерно в одно и тоже время. Небольшую разницу во времени полета, Галилей объяснил сопротивлением воздуха. Так же он первым предположил, что если разные предметы кидать в вакууме, то момент касания с землёй будет одинаковым.
Многие наверное вспомнили опыт из школьного куса по физики, где в колбе с откаченным воздухом, находятся перышко, свинцовая дробинка и пробка. При резком переворачивании этой колбы, все три предмета падали с одинаковой скоростью. Помню, как я был удивлен, когда своими глазами видел что перышко и свинцовая дробинка летят с одинаковой скоростью.
До нашего времени сохранилось описание двух, проведенных Галилеем опытов. Первый, это скидывание с Пизанской башни, одновременно двух металлических сфер разного диаметра и веса. Очевидцы, стоявшие внизу, могли наблюдать что объекты касаются земли почти одновременно. Второй опыт, менее зрелищный, но более наглядный за счёт низкой скорости, заключался в скатывании по наклонной плоскости, двух шаров разного размера. Очевидно, что независимо от и веса и объема, оба шара достигали конечной точки, одновременно.
Помимо наглядной демонстрации опытов, Галилею приписывают мыслительный эксперимент. В котором нужно представить два предмета, где один намного тяжелее второго и оба соединены прочной веревкой. Далее эта связка сбрасывается с высокой башни. Если рассматривать утверждение что тяжёлые предметы падают быстрее чем лёгкие, то получается, что тяжёлый предмет будет тянуть вниз лёгкий, а лёгкий замедлять падение тяжёлого. Нить между объектами натянется и данную связку можно будет рассматривать как целый, более тяжёлый объект чем один из начальных. И соответственно эта система должна падать ещё быстрее. Тут получается не увязка, которая говорит о том, что изначальное утверждение не верное.
Предметы разного веса падают с одинаковой скоростью из-за закона всемирного тяготения, который гласит, что два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Когда мы говорим о падение предмета, к примеру кирпича, на землю. Мы все хорошо понимаем, что большая земля притягивает к себе маленький кирпич. Но мало кто может себе представить, что кирпич тоже тянет к себе землю. Только эта сила ничтожно слабая и на практике ее можно не учитывать.
Таким образом, чем больше масса предмета, тем больше сила притяжения к земле, но при этом и ускорение, которое получает предмет при падении, также увеличивается. Однако, ускорение предмета при падении не зависит от его массы, а только от силы притяжения Земли и сопротивления воздуха.
Ускорение - это изменение скорости за единицу времени. Если мы рассматриваем свободное падение, то есть падение без сопротивления воздуха, как в примере с перышком, дробинкой и пробкой, из школьного курса. То все предметы будут иметь одинаковое ускорение, равное ускорению свободного падения (примерно 9,8 м/с² на уровне моря). Для облегчения расчетов можно округлять до 10 м/с². Это означает, что независимо от массы предмета, его скорость будет изменяться на одну и ту же величину за каждую секунду. Поэтому предметы разного веса будут падать с одинаковой скоростью при условии, что они начинают свое падение с одной и той же высоты и без начальной скорости.
Еще раз повторюсь, это утверждение верно только в том случае, если мы говорим о падении предметов в вакууме. В атмосфере различные предметы, такие как пустая коробка из-под телевизора и пудовая гиря, будут падать с разной скоростью из-за сопротивления воздуха. А к примеру двухпудовая гиря (32 килограмма) и пудовая (16 килограмм) упадут практически в одно время.
Предметы разного веса падают с одинаковой скоростью, потому что их ускорение зависит от силы тяжести, а не от массы. Сила тяжести - это сила, которая притягивает предметы к центру Земли. Она пропорциональна массе предмета, но не определяет его ускорение.