Свободное падение тел. Ускорение свободного падения Как посчитать скорость падения

В классической механике состояние объекта, который свободно движется в гравитационном поле, называется свободным падением . Если объект падает в атмосфере, на него действует дополнительная сила сопротивления и его движение зависит не только от гравитационного ускорения, но и от его массы, поперечного сечения и других факторов. Однако на тело, падающее в вакууме, действует только одна сила, а именно сила тяжести.

Примерами свободного падения являются космические корабли и спутники на околоземной орбите, потому что на них действует единственная сила - земное притяжение. Планеты, вращающиеся вокруг Солнца, также находятся в свободном падении. Предметы, падающие на землю с небольшой скоростью, также могут считаться свободно падающими, так как в этом случае сопротивление воздуха незначительно и им можно пренебречь. Если единственной силой, действующей на предметы, является сила тяжести, а сопротивление воздуха отсутствует, ускорение одинаково для всех предметов и равно ускорению свободного падения на поверхности Земли 9,8 метров в секунду за секунду second (м/с²) или 32,2 фута в секунду за секунду (фут/ с²). На поверхности других астрономических тел ускорение свободного падения будет другим .

Парашютисты, конечно, говорят, что перед раскрытием парашюта они в свободном падении, но на самом деле в свободном падении парашютист не может быть никогда, даже если парашют еще не раскрыт. Да, на парашютиста в «свободном падении» действует сила притяжения, но на него также действует противоположная сила - сопротивление воздуха, причем сила сопротивления воздуха лишь слегка меньше силы земного притяжения.

Если бы не было сопротивления воздуха, скорость тела, находящегося в свободном падении, каждую секунду увеличивалась бы на 9,8 м/с.

Скорость и расстояние свободно падающего тела вычисляется так:

v ₀ - начальная скорость (м/с).

v - конечная вертикальная скорость (м/с).

h ₀ - начальная высота (м).

h - высота падения (м).

t - время падения (с).

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2 у поверхности Земли).

Если v ₀=0 и h ₀=0, имеем:

если известно время свободного падения:

если известно расстояние свободного падения:

если известна конечная скорость свободного падения:

Эти формулы и используются в данном калькуляторе свободного падения.

В свободном падении, когда нет силы для поддержания тела, возникает невесомость . Невесомость - это отсутствие внешних сил, действующих на тело со стороны пола, стула, стола и других окружающих предметов. Иными словами - сил реакции опоры. Обычно эти силы действуют в направлении, перпендикулярном поверхности соприкосновения с опорой, и чаще всего вертикально вверх. Невесомость можно сравнить с плаванием в воде, но так, что кожа воду не ощущает. Все знают это ощущение собственного веса, кода выходишь на берег после долгого купания в море. Именно поэтому для имитации невесомости при тренировках космонавтов и астронавтов используются бассейны с водой.

Само по себе гравитационное поле не может создать давление на ваше тело. Поэтому если вы находитесь в состоянии свободного падения в большом объекте (например, в самолете), который также находится в этом состоянии, на ваше тело не действуют никакие внешние силы взаимодействия тела с опорой и возникает ощущение невесомости, почти такое же, как и в воде.

Самолет для тренировок в условиях невесомости предназначен для создания кратковременной невесомости с целью тренировки космонавтов и астронавтов, а также для выполнения различных экспериментов. Такие самолеты использовались и в настоящее время эксплуатируются в нескольких странах. В течение коротких периодов времени, которые длятся около 25 секунд в течение каждой минуты полета самолет находится в состоянии невесомости, то есть для находящихся в нем людей отсутствует реакция опоры.

Для имитации невесомости использовались различные самолеты: в СССР и в Росси для этого с 1961 года использовались модифицированные серийные самолеты Ту-104АК, Ту-134ЛК, Ту-154МЛК и Ил-76МДК. В США астронавты тренировались с 1959 г. на модифицированных AJ-2, C-131, KC-135 и Boeing 727-200. В Европе Национальным центром космических исследований (CNES, Франция) для тренировок в невесомости используют самолет Airbus A310. Модификация заключается в доработке топливной, гидравлической и некоторых других систем с целью обеспечения их нормальной работы в условиях кратковременной невесомости, а также усиления крыльев для того чтобы самолет мог выдерживать повышенные ускорения (до 2G).

Несмотря на то, что иногда при описании условий свободного падения во время космического полета на орбите вокруг Земли говорят об отсутствии гравитации, конечно сила тяжести присутствует в любом космическом аппарате. Что отсутствует, так это вес, то есть сила реакции опоры на объекты, находящиеся в космическом корабле, которые движутся в пространстве с одинаковым ускорением свободного падения, которое только немного меньше, чем на Земле. Например, на околоземной орбите высотой 350 км, на которой Международная космическая станция (МКС) летает вокруг Земли, гравитационное ускорение составляет 8,8 м/с², что всего на 10% меньше, чем на поверхности Земли.

Для описания реального ускорения объекта (обычно летательного аппарата) относительно ускорения свободного падения на поверхности Земли обычно используют особый термин - перегрузка . Если вы лежите, сидите или стоите на земле, на ваше тело действует перегрузка в 1 g (то есть ее нет). Если же вы находитесь в самолете на взлете, вы испытываете перегрузку примерно в 1,5 g. Если тот же самолет выполняет координированный поворот с малым радиусом, то пассажиры, возможно, испытают перегрузку до 2 g, означающую, что их вес удвоился.

Люди привыкли жить в условиях отсутствия перегрузок (1 g), поэтому любая перегрузка сильно влияет на человеческий организм. Как и в самолетах-лабораториях для создания невесомости, в которых все системы, работающие с жидкостями, должны быть модифицированы для того, чтобы они правильно работали в условиях нулевой (невесомость) и даже отрицательной перегрузки, люди также нуждаются в помощи и аналогичной «модификации», чтобы выжить в таких условиях. Нетренированный человек может потерять сознание при перегрузке 3–5 g (в зависимости от направления действия перегрузки), так как такая перегрузка достаточна для того, чтоб лишить мозг кислорода, потому что сердце не может подать в него достаточно крови. В связи с этим военные пилоты и космонавты тренируются на центрифугах в условиях высоких перегрузок , чтобы предотвратить потерю сознания при них. Для предотвращения кратковременной потери зрения и сознания, которые, по условиям работы, могут оказаться фатальными, пилоты, космонавты и астронавты надевают высотно-компенсирующие костюмы, который ограничивает отток крови от мозга во время перегрузок путем обеспечения равномерного давления на всю поверхность тела человека.

Падением называют движение тела в гравитационном поле Земли. Его спецификой является то, что оно неизменно совершается с непрерывным убыстрением, которое равно g?9,81 м/с?. Это необходимо рассматривать и тогда, когда предмет кинут горизонтально.

Вам понадобится

– дальномер;
– электронный секундомер;
– калькулятор.

Инструкция

1. Если тело вольно падает с некоторой высоты h, измерьте ее при помощи дальномера либо всякого иного приспособления. Рассчитайте скорость падения тела v, обнаружив корень квадратный из произведения убыстрения свободного падения на высоту и число 2, v=?(2?g?h). Если перед началом отсчета времени тело теснее имело скорость v0, то к получившемуся итогу прибавьте ее значение v=?(2?g?h)+v0.

2. Пример. Тело вольно падает с высоты 4 м при нулевой исходной скорости. Какова будет его скорость при достижении земной поверхности? Рассчитайте скорость падения тела по формуле, рассматривая, что v0=0. Произведите подстановку v=?(2?9,81?4)?8,86 м/с.

3. Измерьте время падения тела t электронным секундомером в секундах. Обнаружьте его скорость в конце отрезка времени, которое продолжалось движение прибавив к исходной скорости v0 произведения времени на убыстрение свободного падения v=v0+g?t.

4. Пример. Камень начал падение с исходной скорость ю 1 м/с. Обнаружьте его скорость через 2 с. Подставьте значения указанных величин в формулу v=1+9,81?2=20,62 м/с.

5. Рассчитайте скорость падения тела, кинутого горизонтально. В этом случае его движение является итогом 2-х типов движения, в которых единовременно принимает участие тело. Это равномерное движение по горизонтали и равноускоренное – по вертикали. В итоге траектория тела имеет вид параболы. Скорость тела в всякий момент времени будет равна векторной сумме горизонтальной и вертикальной составляющей скорости. От того что угол между векторами этих скоростей неизменно прямой, то для определения скорости падения тела, кинутого горизонтально, воспользуйтесь теоремой Пифагора. Скорость тела будет равна корню квадратному из суммы квадратов горизонтальной и вертикальной составляющих в данный момент времени v=?(v гор?+ v верт?). Вертикальную составляющую скорости рассчитывайте по методике, высказанной в предыдущих пунктах.

6. Пример. Тело кинуто горизонтально с высоты 6 м со скорость ю 4 м/с. Определите его скорость при ударе о землю. Обнаружьте вертикальную составляющую скорости при ударе о землю. Она будет такой же, как если бы тело вольно падало с заданной высоты v верт =?(2?g?h). Подставьте значение в формулу и получите v=?(v гор?+ 2?g?h)= ?(16+ 2?9,81?6)?11,56 м/с.

Свободное падение - это движение тел только лишь под действием притяжения Земли (под действием силы тяжести)

В условиях Земли падение тел считается условно свободным, т.к. при падении тела в воздушной среде всегда возникает еще и сила сопротивления воздуха.

Идеальное свободное падение возможно лишь в вакууме, где нет силы сопротивления воздуха, и независимо от массы, плотности и формы все тела падают одинаково быстро, т. е. в любой момент времени тела имеют одинаковые мгновенные скорости и ускорения.

Наблюдать идеальное свободное падение тел можно в трубке Ньютона, если с помощью насоса выкачать из неё воздух.

В дальнейших рассуждениях и при решении задачпренебрегаем силой трения о воздух и считаем падение тел в земных условиях идеально свободным.

УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ

При свободном падении все тела вблизи поверхности Земли независимо от их массы приобретают одинаковое ускорение, называемое ускорением свободного падения.
Условное обозначение ускорения свободного падения - g.

Ускорение свободного падения на Земле приблизительно равно:
g = 9,81м/с2.

Ускорение свободного падения всегда направлено к центру Земли.

Вблизи поверхности Земли величина силы тяжести считается постоянной, поэтому свободное падение тела - это движение тела под действием постоянной силы. Следовательно, свободное падение - это равноускоренное движение.

Вектор силы тяжести и создаваемого ею ускорения свободного падения направлены всегда одинаково.

Все формулы для равноускоренного движения применимы для свободного падения тел.

Величина скорости при свободном падении тела в любой момент времени:

перемещение тела:

В этом случае вместо ускорения а, в формулы для равноускоренного движения вводится ускорение свободного падения g =9,8м/с2.

В условиях идеального падения падающие с одинаковой высоты тела достигают поверхности Земли, обладая одинаковыми скоростями и затрачивая на падение одинаковое время.

При идеальном свободном падении тело возвращается на Землю со скоростью, величина которой равна модулю начальной скорости.

Время падения тела равно времени движения вверх от момента броска до полной остановки в наивысшей точке полета.

Только на полюсах Земли тела падают строго по вертикали. Во всех остальных точках планеты траектория свободно падающего тела отклоняется к востоку за счет силы Кариолиса, возникающей во вращающихся системах (т.е. сказывается влияние вращения Земли вокруг своей оси).

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ

А КАКОВО ПАДЕНИЕ ТЕЛ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ?

Если выстрелить из ружья вертикально вверх, то, учитывая силу трения о воздух, свободно падающая с любой высоты пуля приобретет у земли скорость не более 40 м/с.

В реальных условиях из-за наличия силы трения о воздух механическая энергия тела частично переходит в тепловую. В результате максимальная высота подъема тела оказывается меньше, чем могла бы быть при движении в безвоздушном пространстве, а в любой точке траектории при спуске скорость оказывается меньшей, чем скорость на подъеме.

При наличии трения падающие тела имеют ускорение, равное g, только в начальный момент движения. По мере увеличения скорости ускорение уменьшается, движение тела стремится к равномерному.

СДЕЛАЙ САМ

Как ведут себя падающие тела в реальных условиях?

Возьмите небольшой диск из пластмассы, толстого картона или фанеры. Вырежьте из обычной бумаги диск такого же диаметра. Поднимите их, держа в разных руках, на одинаковую высоту и одновременно отпустите. Тяжелый диск упадет быстрее, чем легкий. На каждый диск действует при падении одновременно две силы: сила тяжести и сила сопротивления воздуха. В начале падения равнодействующая силы тяжести и силы сопротивления воздуха будет больше у тела с большей массой и ускорение более тяжелого тела будет больше. По мере увеличения скорости тела сила сопротивления воздуха увеличивается и постепенно сравнивается по величине с силой тяжести, падающие тела начинают двигаться равномерно, но с разной скоростью (у более тяжелого тела скорость выше).
Аналогично движению падающего диска можно рассматривать движение падающего вниз парашютиста при прыжке с самолета с большой высоты.

Положите легкий бумажный диск на более тяжелый пластмассовый или фанерный, поднимите их на высоту и одновременно отпустите. В этом случае они будут падать одновременно. Здесь сопротивление воздуха действует только на тяжёлый нижний диск, а сила тяжести сообщает телам равные ускорения в независимости от их масс.

ПОЧТИ АНЕКДОТ

Парижский физик Ленорман, живший в 18 веке, взял обычные дождевые зонты, закрепил концы спиц и прыгнул с крыши дома. Затем ободренный успехом он изготовил уже специальный зонт с плетеным сиденьем и кинулся вниз с башни в Монпелье. Внизу его окружили восторженные зрители. Как называется ваш зонт? Парашют! - ответил Ленорман (буквальный перевод этого слова с французского - "против падения").

ИНТЕРЕСНО

Если Землю просверлить насквозь и бросить туда камень, что будет с камнем?
Камень будет падать, набрав посередине пути максимальную скорость, дальше полетит по инерции и достигнет противоположной стороны Земли, причем его конечная скорость будет равна начальной. Ускорение свободного падения внутри Земли пропорционально расстоянию до центра Земли. Камень будет двигаться как груз на пружинке, по закону Гука. Если начальная скорость камня равна нулю, то период колебания камня в шахте равен периоду обращения спутника вблизи поверхности Земли, независимо от того, как прорыта прямая шахта: через центр Земли или по любой хорде.

13 безвоздушном пространстве на свободно падающее тело действует ускорение свободного падения g = = 9,81 м/с 2 , сила сопротивления Q отсутствует. Поэтому скорость падения тел в безвоздушном пространстве с течением времени будет постоянно возрастать под действием ускорения свободного иадения V=gt.

При падении в воздухе на тело, кроме ускорения свободного падения, будет действовать в противоположном направлении сила сопротивления воздуха Q:

Когда сила тяжести тела G = mg уравновесится силой сопротивления Q, дальнейшего роста скорости свободного падения тела происходить не будет, то есть достигнуто равновесие:

Это означает, что тело достигло критической равновесной скорости падения:

Из формулы видно, что критическая скорость падения тел в воздухе зависит от веса тела, коэффициента сопротивления тела С х площади сопротивления тела. Коэффициент сопротивления С х человека может изменяться в широких пределах. Среднее его значение С х = = 0,195; максимальное значение примерно 150%, а минимальное 50% от среднего.

Обычно вместо миделя (S) условно берется квадрат высоты тела - . Собственный рост каждому известен. Взять величину роста в квадрате вполне достаточно для расчета, то есть:

Максимальное значение коэффициента лобового сопротивления получаем при положении тела плашмя лицом вниз, минимальное - при положении, близком к вертикальному падению вниз головой.

На рис. 54 показано изменение коэффициента сопротивления тела парашютиста в зависимости от его положения. 0° соответствует падению тела плашмя лицом вниз, 90° соответствует падению вниз головой, 180° - плашмя вниз спиной.

Такой диапазон изменения коэффициента сопротивления дает следующие возможные значения равновесной скорости падения парашюта в воздухе нормальной плотности (то есть на наших рабочих высотах). При падении головой вниз - 58-60 м/с; при падении плашмя- 41-43 м/с. Например, при весе парашютиста

90 кг, росте 1,7 м, плотности 0,125 , среднем

коэффициенте сопротивления С х = 0,195 скорость падения будет равна:

Если при этих условиях продолжать падение вниз головой, то равновесная скорость падения будет равна приблизительно 59 м/с.

При выполнении комплекса фигур в свободном падении коэффициент сопротивления колеблется около своего среднего значения. При изменении веса парашютиста на 10 кг скорость его падения изменяется приблизительно на 1 м/с, то есть на 2%.

Из всего вышеизложенного становится понятно, почему парашютисты перед выполнением фигур стараются достигать максимальной скорости падения. Следует заметить, что при падении тела в любом положении равновесная скорость достигается на 11 -12-й секунде. Поэтому парашютисту нет смысла делать разгон дольше 12-16 с. Большого эффекта при этом не достигается, однако теряется высота, запас которой никогда не бывает, лишним.

Для наглядности можно привести пример: максимальная скорость падения при прыжке с высоты 1000 м достигается на 12-й секунде падения. При прыжке с вы-соты 2000м - на 12.5-й секунде, а при прыжке с высо-ты 4000 м- на 14-й секунде.