Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На этой лекции мы с вами познакомимся с одним из видов движения, которое является равноускоренным, по крайней мере теоретически. Речь пойдет о свободном падении. Мы с вами изучаем раздел механики - кинематику, которая не интересуется причинами движения по которым это движение происходит, но на этой лекции мы немного отступим от нашего последовательно изложения, потому что жизнь вносить свои коррективы. Дело в том, что свободное падение - это реальное движение. Допустим, у нас находится в руках какой-то предмет, например, кусочек школьного мела. Если мы поднимаем его на некоторую высоту и отпускаем, то он начинает двигаться, ссылаясь при этом на лекцию о силе тяжести. Давайте вспомним, что является причиной изменения скорости тела, ведь оно было не подвижно и начало двигаться? Притяжение Земли, т.е любое взаимодействие с Землей. Любое взаимодействие всегда приводит к изменению скорости. И вот из-за того, что кусочек мела взаимодействует с Землей, его скорость с течением времени меняется, т.е возникает ускорение. И вот, еще со времен Аристотеля люди интересовались тем, а всегда ли будут двигаться одинаково легкие и тяжелые тела? Легкие тела слабо притягиваются к Земле, а тяжелые сильно и существовало мнение, что легкие тела падают медленно, а тяжелые тела падают быстро. Т.е, если мы возьмем легкое и тяжелое тело и отпустим их одновременно, то в результате легкое тело отстанет, а тяжелое обгонит. И можно, например, провести такой опыт...
И так мы увидели в опыте, что книга достигла поверхности стола первой и поэтому опираясь на повседневный опыт пришли к мнению, что более легкие тела падают медленнее, а более тяжелые падают быстрее и это стало общенародным заблуждением. И таких заблуждений на самом деле достаточно много. Вот, например, куда смотрит цветок подсолнечника? Все думают, что он следит за Солнцем, но на самом деле цветок подсолнечника всегда смотрит на восток. И точно так же считалось и это было всенародным заблуждением, что легкие тела падают медленнее, а тяжелые падают быстрее. Над этим задумался итальянский ученый Галилео Галилей и это был первый человек, который проверял на опыте свои догадки. Это был первый экспериментатор на свете. И он начал проводить опыты и некоторые из них, мы по крайней мере обсудим, так как проводить мы их не будем.
Почему же все-таки тяжелое тело падает быстрее, а легкое медленнее? Первое предположение - это сопротивление воздуха, т.е мы предполагаем, что листочек бумаги взаимодействует не только с Землей, но и с воздухом, он падает по-другому, т.е его скорость меняется по-другому.
А можно ли предложить какой-нибудь доступный опыт, который бы продемонстрировал, то что мы предположили насчет сопротивления воздуха.
Мы увидели в самом конце опыта, что два разных тела по массе и расположенные разноориентированно в пространстве или листок бумаги был скомкан при этом достигли поверхности стола одновременно. О чем это говорит? Мы приходим к выводу, что на самом деле влияние воздуха обусловливает замедление в движении тела. И, оказывается, что если бы не влияние воздуха, то все тела под действием Земного шара падали бы одинаково. Т.е с одинаковым ускорением. Ну а какими свойствами должно обладать тело для того, что бы влияние воздуха на него было как можно меньше?
- оно должно иметь маленькую площадь
- оно должно быть "потяжелее" (пока будем говорить так на бытовом уровне, так как мы с вами во второй части лекции еще не ввели понятия массы и вспомним о массе из первой части наших лекций и о других прозвучащих здесь терминах мы так же будем вспоминать из первой части наших лекций, пока заново не введем, опять эти термины на новом качественном уровне)
Маленькая площадь при большой массе - это означает большую плотность. Возьмем какое-нибудь вещество, которое имеет большую плотность и доступно всем. Например, сталь, медь или свинец. И Галилей в своих опытах взял свинцовую пулю и свинцовое ядро. С ними он поднялся на вершину Пизанской башни, которая расположена под наклоном и в 1589 году на глазах большого количество своих учеников, когда Галилей преподавал в университете, он бросил два этих тела. И оказалось, что ядро и мушкетная пуля достигли Земли практически одновременно, т.е не зависимо от массы все тела падают с одинаковым ускорением, если на них не действует ничего, кроме Земного притяжения. И вот, движение тела только под действием силы тяжести и кое-что о силе мы уже знаем - это количественная мера взаимодействия тел. Движение тела, только под действием силы тяжести мы будем называть свободным падением. Давайте запишем строгое определение.
Свободное падение - это движение тела под действием только силы тяжести.
Еще раз повторим, что Галилео Галилей впервые экспериментально продемонстрировал в 1589 году, что независимо от массы тела падают одинаково.
Результат, который Галилей получил экспериментально в своем опыте, и он так же придумал умозрительное доказательство, которое демонстрирует то что тела независимо от массы должны падать одинаково. И давайте мысленно этот эксперимент проведем.
И так мы посмотрели на опыты Галилея, но более серьезные опыты показывают, что движение под действием Земного притяжения являются равноускоренным и ускорение с которым движутся свободно падающие тела не зависят от массы тела. Давайте строго сформулируем этот важный факт.
Ускорение с которым движутся свободно падающие тела не зависит от их массы.
Как измеряют ускорение свободного падения? Если бросить тело и следить за его движением, то точность с которой мы получим результат будет не высокой. Но оказывается, что от ускорения свободного падения зависит период колебания маятника и самые точные методы измерения ускорения свободного падения - это измерение периода с которым колеблется маятник, т.е массивное тело на длинной нити. Если оно совершает малое колебание, то период или частота этих колебаний зависит от ускорения свободного падения. Например, в одной из обсерваторий, которая занималась точным измерением времени, т.е это была обсерватория в которой была служба времени...время шло и методы измерения времени менялись. В обсерватории были великолепные, и сейчас, они продолжают идти - маятниковые часы. Там было сделано много для того, чтобы эти маятниковые часы шли необычайно точно, но с появлением кварцевых, а потом и атомных часов маятниковые часы казалось бы больше не нужны, но обсерватория при этом продолжает работать. Почему? Теперь точное время обсерватория получает со спутников GPS, на каждом спутнике GPS находятся атомные часы, они дают точное время. А если сравнивать величину ускорения свободного падения по колебанию маятника несколько дней, то окажется, что его величина будет немного меняться. А определить это ускорение можно сравнивая период колебания маятника и часов GPS. И если раньше обсерватория "смотрела" в небо и первые эталоны времени основывались на времени одного оборота Земли вокруг своей оси....то теперь такая обсерватория "смотрит" под Землю - она изучает изменение в распределении масс внутри Земного шара, поскольку распределение внутри Земного шара меняется и это влияет на ускорение свободного падения, а это в свою очередь влияет на период хода маятниковых часов. Вот, оказывается, бывают такие подземные обсерватории.
Ну давайте вернемся к ускорению свободного падения. Тот опыт, который проводил Галилей бросая тела с Пизанской башни был проведен более чем за пол века до рождения Исаака Ньютона. Он придумал остроумный эксперимент, который Галилей, в принципе, не мог проделать, потому что у него таких технических возможностей не было. Галилей пытался избегать влияние воздуха, используя в своих экспериментах очень плотные материалы для изготовления тел - например, свинец. А Ньютон пошел другим путем...он "убрал" воздух. Во времена Галилея не было вакуумных насосов, как были уже во времена Ньютона. Ньютон придумал вот такой опыт...
Ну что ж если движение под действием только силы тяжести, т.е свободное падение является равноускоренным, то мы о равноускоренном движении уже знаем очень много. Значит, все что мы знаем о равноускоренном движении мы можем использовать, вспомнив формулы, которые описывают зависимость координаты тела от времени, зависимость скорости тела от времени и все эти знания мы можем использовать для решения задач. Чем мы сейчас и займемся.
Но прежде, чем решать задачи, давайте сделаем еще одно маленькое уточнение. Ускорение свободного падения - это вектор. Модуль мы указали, а направление? Направление ускорения свободного падения - это всегда направление к центру Земли. Но если быть свосем точным, то это не совсем так и из-за вращения Земли он чуть-чуть отклонен от направления к центру, но более подробно об этом мы будем говорить на следующих лекциях.
Первая задача на определение начальной скорости стрелы и максимальной высоты ее подъема при выстреле из лука вверх.
И так для того, что решать задачи на свободное падение стоит вспомнить всю кинематику равноускоренного движения. И последнее...давайте забудем о существовании воздуха. Если тело отпустить - это будет свободное падение? Да, если воздуха нет. И мы придали ему случайное ускорение... А если мы подбросим его, то мы придадим ему не случайное ускорение. Движение подброшенного тела - это будет свободное падение? Да. Почему? По определению. Потому что это движение под действием только притяжения Земли. Не важно каким образом вы привели тело в движение, а важно то, что кроме Земли на него ничего больше не действует. Поэтому свободных падений существует очень много вариантов. Можно, просто, отпустить и оно будет лететь из состояния покоя, а можно, просто, бросить и оно будет лететь и это движение мы будем изучать на следующей лекции.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.