Вільне падіння - Підручник з фізики

Обговорення

прискорення за рахунок сили тяжіння

Хочете бачити, як об’єкт прискорюється?

Візьміть щось рукою і опустіть. Коли ви звільняєте його від руки, його швидкість дорівнює нулю. На шляху його швидкість зростає. Чим довше вона падає, тим швидше вона рухається. Для мене це звучить як прискорення.
Але прискорення - це більше, ніж просто збільшення швидкості. Візьміть цей самий предмет і підкиньте його вертикально в повітря. По дорозі його швидкість буде зменшуватися, поки вона не зупиниться і не змінить напрямок. Зменшення швидкості також вважається прискоренням.
Але прискорення - це більше, ніж просто зміна швидкості. Візьміть свій побитий предмет і запустіть його в останній раз. Цього разу киньте його горизонтально і зауважте, як його горизонтальна швидкість поступово стає все більш вертикальною. Оскільки прискорення - це швидкість зміни швидкості з часом, а швидкість - векторна величина, ця зміна напрямку також вважається прискоренням.

У кожному з цих прикладів прискорення було результатом сили тяжіння. Ваш об'єкт прискорювався, тому що гравітація тягнула його вниз. Навіть предмет, кинутий прямо вгору, падає - і він починає падати щохвилини, коли залишає вашу руку. Якби цього не було, воно продовжувало б віддалятися від вас по прямій. Це .

Які фактори впливають на це прискорення внаслідок сили тяжіння? Якби ви запитали це у типової людини, вони, швидше за все, сказали б «вагу», під якою насправді означали б «масу» (про це далі). Тобто важкі предмети падають швидко, а легкі падають повільно. Хоча це може здатися правдою під час першого огляду, це не відповідає на моє початкове запитання. "Які фактори впливають на прискорення внаслідок сили тяжіння?" Маса жодним вимірюваним чином не впливає на прискорення, спричинене силою тяжіння. Ці дві величини не залежать одна від одної. Легкі предмети прискорюються повільніше, ніж важкі предмети, лише коли також діють сили, крім сили тяжіння. Коли це трапляється, предмет може падати, але він не знаходиться у вільному падінні. виникає, коли на об’єкт діє лише сила тяжіння.

Спробуйте цей експеримент.

Візьміть аркуш паперу та олівець. Тримайте їх на одній висоті над рівною поверхнею і опускайте їх одночасно. Прискорення олівця помітно більше, ніж прискорення аркуша паперу, який тріпотить і дрейфує на своєму шляху.

Тут заважає щось інше - і це річ опору повітря (також відомому як аеродинамічний опір). Якби ми могли якось зменшити це опору, ми б провели справжній експеримент. Без проблем.

Повторіть експеримент, але перед тим, як почати, закрутіть аркуш паперу якомога щільніше. Тепер, коли папір та олівець звільнені, повинно бути очевидно, що їх прискорення однакові (або принаймні більш схожі, ніж раніше).

Ми наближаємось до суті цієї проблеми. Якби хоч якось ми могли повністю усунути опір повітря. Єдиний спосіб зробити це - скинути предмети у вакуум. Це можна зробити в класі за допомогою вакуумного насоса та герметичної колонки повітря. За таких умов можна показати, що монета та перо прискорюються з однаковою швидкістю. (У старовинні часи у Великобританії використовували монету, яку називали гвінеєю, і тому цю демонстрацію іноді називають "гвінеєю та пером".) Більш драматична демонстрація проводилася на поверхні Місяця - що наближається до справжній вакуум, який люди, швидше за все, відчують найближчим часом. Астронавт Девід Скотт випустив кам’яний молоток і сокільне перо одночасно під час місячної місії «Аполлон-15» у 1971 р. Відповідно до теорії, яку я збираюся представити, два об’єкти приземлились на місячній поверхні одночасно (або майже так). Тільки об'єкт у вільному падінні відчує чисте прискорення завдяки силі тяжіння.

пізанська вежа

Давайте трохи повернемося у минуле. У західному світі до 16 століття, як правило, припускали, що прискорення падаючого тіла буде пропорційним його масі - тобто 10-кілограмовий об'єкт повинен був прискоритися вдесятеро швидше, ніж 1-кг. Давньогрецький філософ Арістотель із Стагіри (384–322 рр. До н. Е.) Включив це правило до, можливо, першої книги з механіки. Це була надзвичайно популярна праця серед академіків, і протягом століть вона набула певної відданості, що межує з релігійними. Лише коли з’явився італійський учений Галілео Галілей (1564–1642), хтось випробував теорії Арістотеля. На відміну від усіх інших до цього моменту, Галілей насправді намагався перевірити власні теорії шляхом експериментів та ретельного спостереження. Потім він поєднав результати цих експериментів з математичним аналізом у методі, який був абсолютно новим на той час, але зараз загальновизнаним є спосіб, яким займається наука. Для винаходу цього методу Галілея, як правило, вважають першим у світі вченим.

У казці, яка може бути апокрифічною, Галілей (або, швидше за все, помічник) скинув два об’єкти нерівномірної маси з Пізанської вежі. Зовсім всупереч вченню Арістотеля, ці два об'єкти вдарились об землю одночасно (або майже так). З огляду на швидкість, з якою могло б статися таке падіння, сумнівно, що Галілей міг витягти багато інформації з цього експерименту. Більшість його спостережень за падінням тіл були справді круглими предметами, що котились по пандусах. Це досить сповільнило ситуацію до того моменту, коли він зміг виміряти часові інтервали за допомогою водяних годинників та власного пульсу (секундоміри та фото ворота ще не винайдені). Це він повторював "цілих сто разів", поки не досягнув "такої точності, що відхилення між двома спостереженнями ніколи не перевищувало однієї десятої пульсу".

З такими результатами можна подумати, що європейські університети удостоїли б Галілея найвищу честь, але такого не було. Тодішні професори були вражені порівняно вульгарними методами Галілея, навіть зайшли аж до того, що відмовились визнати те, що кожен міг побачити на власні очі. В ході, який будь-яка мисляча людина вважала б смішним, метод контрольованого спостереження Галілея вважався нижчим від чистого розуму. Уяви що! Я міг би сказати, що небо було зеленим, і поки я представляв кращий аргумент, ніж хто-небудь інший, це було б прийнято як факт, що суперечить спостереженням майже кожної зрячої людини на планеті.

Галілей назвав свій метод "новим" і написав книгу під назвою Дискурси з двох нових наук де він використав поєднання експериментальних спостережень та математичних міркувань для пояснення таких речей, як одновимірний рух з постійним прискоренням, прискорення завдяки силі тяжіння, поведінка снарядів, швидкість світла, природа нескінченності, фізика музики та міцність матеріалів. Його висновки щодо прискорення завдяки силі тяжіння полягали в тому, що ...