Тој зел две стаклени цевки, кои биле наречени Њутнови цевки, и го испумпувал воздухот од нив (сл. 1). Потоа го измери времето на паѓање на тешка топка и лесен пердув во овие цевки. Се испостави дека тие паѓаат во исто време.
Гледаме дека ако го отстраниме отпорот на воздухот, тогаш ништо нема да го спречи паѓањето на пердувот или топката - тие слободно ќе паѓаат. Токму ова својство ја формираше основата за дефиницијата за слободен пад.
Слободен пад е движење на телото само под влијание на гравитацијата, во отсуство на други сили.
Како е слободен пад? Ако подигнете кој било предмет и го ослободите, брзината на објектот ќе се промени, што значи дека движењето е забрзано, дури и подеднакво забрзано.
За прв пат Галилео Галилеј изјави и докажа дека слободниот пад на телата е подеднакво забрзан. Тој го измери забрзувањето со кое се движат таквите тела, тоа се нарекува забрзување на гравитацијата и е приближно 9,8 m/s 2.
Значи слободен пад е посебен случај подеднакво забрзано движење. Ова значи дека сите равенки што се добиени важат за ова движење:
за проекција на брзина: V x = V 0x + a x t
за проекција на поместување: S x = V 0x t + a x t 2 /2
определување на положбата на телото во секое време: x(t) = x 0 + V 0x t + a x t 2 /2
x значи дека нашето движење е праволиниско, долж оската x, која традиционално ја избиравме хоризонтално.
Ако телото се движи вертикално, тогаш вообичаено е да се означи y-оската и добиваме (сл. 2):
Ориз. 2. Вертикално движење на телото ()
Равенките ја добиваат следнава апсолутно идентична форма, каде што g е забрзување на слободниот пад, h е поместување во висина. Овие три равенки опишуваат како да се реши главниот проблем на механиката во случај на слободен пад.
Телото се фрла вертикално нагоре со почетна брзина V 0 (сл. 3). Дозволете ни да ја најдеме висината до која е фрлено телото. Да ја запишеме равенката на движење на ова тело: 
Ориз. 3. Пример задача ()
Познавањето на наједноставните равенки ни овозможи да ја најдеме висината до која можеме да фрлиме тело.
Големината на забрзувањето поради гравитацијата зависи од географска ширинатеренот, на половите е максимален, а на екваторот минимален. Покрај тоа, забрзувањето на слободниот пад зависи од тоа каков состав земјината корапод местото каде што сме. Ако има наоѓалишта на тешки минерали, вредноста на g ќе биде малку поголема, ако има празнини таму, тогаш ќе биде малку помала. Овој метод го користат геолозите за одредување на депозити на тешки руди или гасови, нафта, тоа се нарекува гравиметрија.
Ако сакаме точно да го опишеме движењето на телото што паѓа на површината на Земјата, тогаш мора да запомниме дека отпорот на воздухот е сè уште присутен.
Парискиот физичар Ленорманд во 18 век, откако ги прицврстил краевите на иглите за плетење на обичен чадор, скокнал од покривот на куќата. Охрабрен од неговиот успех, тој направил посебен чадор со седиште и скокнал од кулата во градот Монтелие. Тој го нарече својот изум падобран, што во превод од француски значи „против паѓање“.
Галилео Галилеј беше првиот што покажа дека времето на паѓање на телото на Земјата не зависи од неговата маса, туку е одредено од карактеристиките на самата Земја. Како пример ја наведе дискусијата за падот на тело со одредена маса во одреден временски период. Кога ова тело ќе се подели на две идентични половини, тие почнуваат да паѓаат, но ако брзината на падот на телото и времето на паѓање зависат од масата, тогаш тие треба да паѓаат побавно, но како? Впрочем, нивната вкупна маса не е променета. Зошто? Можеби едната половина ја спречува другата половина да падне? Доаѓаме до контрадикција, што значи дека е неправедна претпоставката дека брзината на паѓање зависи од масата на телото.
Затоа, доаѓаме до правилната дефиниција за слободен пад.
Слободен пад е движење на телото само под влијание на гравитацијата. Ниту една друга сила не дејствува на телото.
Ние сме навикнати да ја користиме вредноста на гравитациското забрзување од 9,8 m/s 2, ова е најпогодната вредност за нашата физиологија. Знаеме дека забрзувањето поради гравитацијата ќе варира во зависност од географската локација, но овие промени се незначителни. Кои вредности ги зема забрзувањето на гравитацијата кај другите? небесни телаО? Како да се предвиди дали човек може да живее удобно таму? Да се потсетиме на формулата за слободен пад (сл. 4):
Ориз. 4. Табела на забрзување на слободниот пад на планетите ()
Колку е помасивно небесното тело, толку е поголемо забрзувањето на слободниот пад врз него, толку е поневозможно човечкото тело да биде на него. Знаејќи го забрзувањето на гравитацијата на различни небесни тела, можеме да ја одредиме просечната густина на овие небесни тела, а знаејќи ја просечната густина, можеме да предвидиме од што се направени овие тела, односно да ја одредиме нивната структура.
Поентата е дека мерењето на забрзувањето на гравитацијата на различни точки на Земјата е моќен метод на геолошки истражувања. На овој начин, без копање дупки, без дупчење бунари или рудници, може да се утврди присуството на минерали во дебелината на земјината кора. Првиот метод е да се измери забрзувањето на гравитацијата користејќи геолошки баланси на пружини; тие имаат феноменална чувствителност, до милионити дел од грамот (сл. 5).
Вториот начин е користење на многу прецизно математичко нишало, бидејќи, знаејќи го периодот на осцилација на нишалото, можете да го пресметате забрзувањето на слободниот пад: колку е пократок периодот, толку е поголемо забрзувањето на слободниот пад. Тоа значи дека со мерење на забрзувањето на гравитацијата во различни точки на Земјата со помош на многу прецизно нишало, можете да видите дали тоа станало поголемо или помало.
Која е норма за големината на забрзувањето на гравитацијата? Земјината топка не е совршена сфера, туку геоид, односно малку срамнет на половите. Ова значи дека на половите вредноста на забрзувањето поради гравитацијата ќе биде поголема отколку на екваторот, на екваторот е минимална, но на иста географска ширина треба да биде иста. Ова значи дека со мерење на забрзувањето на гравитацијата на различни точки во иста географска широчина, можеме да судиме според нејзината промена за присуството на одредени фосили. Овој метод се нарекува гравиметриско истражување, благодарение на него беа откриени нафтени депозити во Казахстан и Западен Сибир.
Присуството на минерали, наслаги на тешки материи или празнини може да влијае не само на големината на забрзувањето на гравитацијата, туку и на нејзината насока. Ако го измерите забрзувањето на гравитацијата во близина големи планини, тогаш ова масивно тело ќе влијае на насоката на забрзувањето на слободниот пад, бидејќи ќе го привлече и математичкото нишало, методот со кој го мериме забрзувањето на слободниот пад.
Библиографија
- Тихомирова С.А., Јаворски Б.М. Физика (основно ниво) - М.: Mnemosyne, 2012 година.
- Генденштајн Л.Е., Дик Ју.И. Физика 10-то одделение. - М.: Мнемозина, 2014 година.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Образование, 1990 година.
Домашна работа
- Каков вид на движење е слободен пад?
- Кои се карактеристиките на слободниот пад?
- Кое искуство покажува дека сите тела на Земјата паѓаат со исто забрзување?
- Интернет портал Class-fizika.narod.ru ().
- Интернет порталот Nado5.ru ().
- Интернет порталот Fizika.in ().
Во класичната механика, состојбата на објектот што слободно се движи во гравитационото поле се нарекува слободен пад. Ако некој објект падне во атмосферата, на него дејствува дополнителна сила на влечење и неговото движење зависи не само од гравитациското забрзување, туку и од неговата маса, пресеки други фактори. Меѓутоа, телото што паѓа во вакуум е подложно на само една сила, имено на гравитацијата.
Примери за слободен пад се вселенските бродови и сателитите ниска земјина орбита, бидејќи единствената сила што дејствува на нив е гравитацијата. Планетите кои орбитираат околу Сонцето се исто така внатре слободен пад. Предметите што паѓаат на земја со мала брзина може да се сметаат и за слободно паѓање, бидејќи во овој случај отпорот на воздухот е занемарлив и може да се занемари. Ако единствената сила што дејствува на предметите е гравитацијата и нема отпор на воздухот, забрзувањето е исто за сите објекти и е еднакво на забрзувањето на гравитацијата на површината на Земјата 9,8 метри во секунда во секунда (m/s²) или 32,2 стапки во секунда во секунда (ft/s²). На површината на другите астрономски тела, забрзувањето на гравитацијата ќе биде различно.
Падобранците, се разбира, велат дека пред да се отвори падобранот се во слободен пад, но во реалноста падобранецот никогаш не може да биде во слободен пад, дури и ако падобранот се уште не е отворен. Да, падобранецот во „слободен пад“ е под влијание на силата на гравитацијата, но врз него влијае и спротивната сила - отпорот на воздухот, а силата на отпорот на воздухот е само малку помала од силата на гравитацијата.
Ако нема отпор на воздухот, брзината на телото при слободен пад би се зголемувала за 9,8 m/s секоја секунда.
Брзината и растојанието на телото што слободно паѓа се пресметуваат на следниов начин:
v₀ - почетна брзина (m/s).
v- крајна вертикална брзина (m/s).
ч₀ - почетна висина (m).
ч- висина на паѓање (m).
т- есенско време (и).
е- забрзување на слободен пад (9,81 m/s2 на површината на Земјата).
Ако v₀=0 и ч₀=0, имаме:
ако се знае времето за слободен пад:
ако е познато растојанието за слободен пад:
ако е позната конечната брзина на слободен пад:
Овие формули се користат во овој калкулатор за слободен пад.
Во слободен пад, кога нема сила да го поддржи телото, бестежинска состојба. Бестежината е отсуство на надворешни сили кои делуваат на телото од подот, столот, масата и другите околни предмети. Со други зборови, поддржете ги силите за реакција. Обично овие сили дејствуваат во насока нормална на површината на допир со потпорот, а најчесто вертикално нагоре. Бестежината може да се спореди со пливање во вода, но на таков начин што кожата не ја чувствува водата. Сите го знаат тоа чувство на сопствена тежина кога излегувате на брегот по долго пливање во морето. Ова е причината зошто базените со вода се користат за симулирање на бестежинска состојба кога тренираат космонаути и астронаути.
Самото гравитационо поле не може да создаде притисок врз вашето тело. Значи, ако сте во слободен пад во голем објект(на пример, во авион), кој исто така е во оваа состојба, вашето тело не е засегнато од ништо надворешни силиинтеракција на телото со поддршката и се јавува чувство на бестежинска состојба, речиси исто како и во водата.
Авион за обука во услови на нулта гравитацијадизајниран да создаде краткорочна бестежинска состојба за целите на обука на космонаути и астронаути, како и за изведување различни експерименти. Вакви авиони биле и во моментов се користат во неколку земји. За кратки временски периоди, кои траат околу 25 секунди секоја минута од летот, леталото е во состојба на бестежинска состојба, што значи дека нема копнена реакција за патниците.
Различни авиони беа користени за симулирање на бестежинска состојба: во СССР и Русија, модифицираните производствени авиони Ту-104АК, Ту-134ЛК, Ту-154МЛК и Ил-76МДК беа користени за оваа намена од 1961 година. Во САД, астронаутите тренираат од 1959 година на модифицирани AJ-2, C-131, KC-135 и Boeing 727-200. Во Европа Национален центар вселенско истражување(CNES, Франција) користи авион Ербас А310 за обука со нулта гравитација. Модификацијата се состои од модификација на горивото, хидрауличните и некои други системи со цел да се обезбеди нивно нормално функционирање во услови на краткотрајна бестежинска состојба, како и зајакнување на крилата за да може авионот да издржи зголемени забрзувања (до 2G).
И покрај фактот дека понекогаш кога се опишуваат условите на слободен пад за време на лет во вселенатаво орбитата околу Земјата зборуваат за отсуство на гравитација, се разбира, гравитацијата е присутна во секое вселенско летало. Недостасува тежината, односно силата на реакција на поддршката на предметите лоцирани во вселенски брод, кои се движат во вселената со исто забрзување поради гравитацијата, што е само малку помало отколку на Земјата. На пример, во ниска орбита на Земјата на надморска височина од 350 km, во која Меѓународниот вселенска станица(ISS) лета околу Земјата, гравитациското забрзување е 8,8 m/s², што е само 10% помалку отколку на површината на Земјата.
.jpg)
Да се опише вистинското забрзување на објектот (обично авиони) во однос на забрзувањето на слободниот пад на површината на Земјата, обично се користи посебен термин - преоптоварување. Ако лежите, седите или стоите на земја, вашето тело е подложено на 1 g сила (т.е. нема). Ако сте во авион кој полетува, ќе доживеете околу 1,5 G. Ако истиот авион изврши координирано вртење со тесен радиус, патниците може да доживеат до 2 g, што значи дека нивната тежина е двојно зголемена.
Луѓето се навикнати да живеат во услови без преоптоварување (1 g), така што секое преоптоварување има силно влијание врз човечкото тело. Исто како и во лабораториските авиони со нулта гравитација, во кои сите системи за ракување со течности мора да се модифицираат за да функционираат правилно во услови на нула-g, па дури и негативни g, на луѓето исто така им е потребна помош и слична „модификација“ за да преживеат во такви услови. Необучено лице може да ја изгуби свеста со преоптоварување од 3-5 g (во зависност од насоката на преоптоварувањето), бидејќи таквото преоптоварување е доволно за да го лиши мозокот од кислород, бидејќи срцето не може да му снабди доволно крв. Во овој поглед, воените пилоти и астронаутите тренираат на центрифуги во услови на големо преоптоварувањеза да се спречи губење на свеста за време на нив. За да се спречи краткотрајното губење на видот и свеста, кое, во работни услови, може да биде фатално, пилотите, космонаутите и астронаутите носат костуми за надоместување на висината, кои го ограничуваат протокот на крв од мозокот за време на преоптоварување, обезбедувајќи рамномерен притисок врз целата површината на човечкото тело.
Слободен пад- Ова е движење на тело само под влијание на гравитацијата.
Покрај силата на гравитацијата, телото што паѓа во воздухот е под влијание на силата на отпорот на воздухот, затоа, таквото движење не е слободен пад. Слободен пад е паѓање на тела во вакуум.
Забрзувањето кое му се дава на телото од гравитацијата се нарекува забрзување на слободниот пад. Покажува колку брзината на телото што слободно паѓа се менува по единица време.
Забрзувањето на слободниот пад е насочено вертикално надолу.
основана Галилео Галилеј ( Галилејовиот закон): сите тела паѓаат на површината на Земјата под влијание на гравитацијата во отсуство на сили на отпор со исто забрзување, т.е. забрзувањето на гравитацијата не зависи од масата на телото.
Можете да го потврдите ова со помош на Њутнова цевка или стробоскопски метод.
Њутновата цевка е стаклена цевка долга околу 1 m, од која едниот крај е запечатен, а другиот е опремен со затворач (сл. 25).
Сл.25
Ајде да поставиме три различни предмети во цевката, на пример, топче, плута и птичји пердуви. Потоа брзо превртете ја цевката. Сите три тела ќе паднат на дното на цевката, но различно време: прво топчето, па плута и на крај пердувот. Но, вака паѓаат телата кога има воздух во цевката (сл. 25, а). Штом ќе го испумпаме воздухот и повторно ќе ја превртиме цевката, ќе видиме дека сите три тела ќе паднат истовремено (сл. 25, б).
Под копнени услови, g зависи од географската ширина на областа.
Највисока вредностима g=9,81 m/s 2 на полот, најмалиот на екваторот g=9,75 m/s 2 . Причини за ова:
1) дневна ротацијаЗемјата околу својата оска;
2) отстапување на формата на Земјата од сферична;
3) хетерогена распределба на густината на земјените карпи.
Забрзувањето на слободниот пад зависи од висината h на телото над површината на планетата. Ако ја занемариме ротацијата на планетата, таа може да се пресмета со формулата:
Каде Г- гравитациска константа, М- масата на планетата, Р- радиус на планетата.
Како што следува од последната формула, со зголемување на висината на телото над површината на планетата, забрзувањето на слободниот пад се намалува. Ако ја занемариме ротацијата на планетата, тогаш на површината на планетата со радиус Р
За да го опишете, можете да ги користите формулите за рамномерно забрзано движење:
равенка за брзина:
кинематска равенка што го опишува слободниот пад на телата: 
,
или во проекција на оската 
.
Движење на тело фрлено вертикално
Телото што слободно паѓа може да се движи праволиниско или по крива патека. Тоа зависи од почетните услови. Ајде да го разгледаме ова подетално.
Слободен пад без почетна брзина ( =0) (сл. 26).
Со избраниот координатен систем, движењето на телото е опишано со равенките: 
.
Од последната формула можете да го најдете времето кога телото паѓа од висина h:
Заменувајќи го пронајденото време во формулата за брзина, го добиваме модулот на брзината на телото во моментот на паѓање: .
Движење на тело фрлено вертикално нагоре со почетна брзина (Сл. 27)
Сл.26 Сл.27
Движењето на телото е опишано со равенките:
Од равенката на брзината може да се види дека телото се движи рамномерно бавно нагоре, ја достигнува својата максимална висина, а потоа се движи рамномерно забрзано надолу. Имајќи предвид дека при y=hmax брзината и во моментот кога телото ја достигнува почетната положба y=0, можеме да најдеме:
Време е да се подигне телото до максимална висина;
Максимална висина на кревање на телото;
Време на лет на телото;
Проекција на брзината во моментот кога телото ќе ја достигне почетната положба.
Движење на тело фрлено хоризонтално
Ако брзината не е насочена вертикално, тогаш движењето на телото ќе биде криволинеарно.
Да го разгледаме движењето на телото фрлено хоризонтално од висина h со брзина (сл. 28). Ќе го занемариме отпорот на воздухот. За да се опише движењето, неопходно е да се изберат две координатни оски - Ox и Oy. Потеклото на координатите е компатибилно со почетната положба на телото. Од сл.28 е јасно дека , , , .
Сл.28
Тогаш движењето на телото ќе биде опишано со равенките:
Анализата на овие формули покажува дека во хоризонтална насока брзината на телото останува непроменета, т.е. телото се движи рамномерно. Во вертикална насока телото се движи подеднакво со забрзување g, т.е. исто како тело кое слободно паѓа без почетна брзина. Ајде да ја најдеме равенката на траекторијата. За да го направите ова, од равенката (3) го наоѓаме времето
13 во безвоздушен простор, телото што слободно паѓа е предмет на забрзување на гравитацијата g == 9,81 m/s 2, нема сила на отпор Q. Затоа, брзината на паѓањето на телата во безвоздушниот простор постојано ќе се зголемува со текот на времето под влијание на забрзувањето на слободната адсорпција V=gt.
При паѓање во воздух на тело, покрај забрзувањето на слободниот пад, силата на отпорот на воздухот Q ќе дејствува во спротивна насока :
Кога гравитацијата на телото G = mgќе биде избалансиран со силата на отпор Q, нема да има дополнително зголемување на брзината на слободен пад на телото, односно постигната е рамнотежа:
Ова значи дека телото достигна критична стапка на рамнотежа на пад:
Од формулата е јасно дека критичната брзина на паѓање на телата во воздухот зависи од тежината на телото, коефициентот на отпор на телото C x од областа на влечење на телото. Коефициентот на отпор C x на една личност може да варира во широки граници. Неговата просечна вредност е C x = 0,195; максималната вредност е приближно 150%, а минималната е 50% од просекот.
Обично наместо сред брод (S)Квадратот на висината на телото е конвенционално земен - . Секој си го знае својот раст. Преземањето на квадратната вредност на растот е сосема доволно за пресметката, односно:
Максималната вредност на коефициентот на влечење се добива кога телото е поставено рамно, свртено надолу, минималната вредност се добива кога телото е во положба блиску до вертикален пад наопаку.
На сл. Слика 54 ја прикажува промената на коефициентот на влечење на телото на падобранецот во зависност од неговата положба. 0° одговара на телото што паѓа рамно, со лицето надолу, 90° одговара на паѓање со главата надолу, 180° - рамно со грбот надолу.
Овој опсег на промени во коефициентот на влечење ги дава следните можни вредности на брзината на рамнотежа на падобран што паѓа во воздух со нормална густина (односно, на нашите работни надморски височини). При паѓање со глава - 58-60 m/s; при паѓање - 41-43 m/s. На пример, со тежина на падобранец
90 kg, висина 1,7 m, густина 0,125, просечна
коефициент на влечење C x = 0,195, брзината на паѓање ќе биде еднаква на:
Ако, под овие услови, продолжиме да паѓаме наопаку, тогаш рамнотежната брзина на паѓање ќе биде приближно 59 m/s.
При изведување на збир на фигури во слободен пад, коефициентот на влечење флуктуира околу неговата просечна вредност. Кога тежината на падобранецот се менува за 10 kg, неговата брзина на паѓање се менува за приближно 1 m/s, односно за 2%.
Од сето горенаведено, станува јасно зошто падобранците се обидуваат да постигнат максимална брзина на паѓање пред да изведат фигури. Треба да се забележи дека кога телото паѓа во која било положба, брзината на рамнотежата се постигнува на 11-12-та секунда. Затоа, нема смисла падобранецот да забрзува подолго од 12-16 секунди. Во овој случај, не се постигнува голем ефект, но се губи висината, чија резерва никогаш не е излишна.
За јасност, можеме да дадеме пример: максималната брзина на паѓање при скокање од височина од 1000 m се постигнува во 12-та секунда од падот. Кога скокате од висина од 2000 m - на 12,5 секунди, а кога скокате од висина од 4000 m - на 14 секунди.
Брзината со која телото паѓа во гас или течност се стабилизира кога телото ќе достигне брзина со која силата на гравитациското привлекување се балансира со силата на отпорот на медиумот.
Меѓутоа, кога поголемите предмети се движат во вискозен медиум, други ефекти и обрасци почнуваат да преовладуваат. Кога капките дожд ќе достигнат пречник од само десетини од милиметар, т.н се вртикако резултат нарушување на протокот.Можеби сте ги набљудувале многу јасно: кога автомобилот вози по пат покриен со паднати лисја на есен, сувите лисја не само што се расфрлаат на страните на автомобилот, туку почнуваат да се вртат во еден вид валцер. Круговите што ги опишуваат точно ги следат линиите фон Карман вртлози, кои го добиле своето име во чест на унгарскиот физичар инженер Теодор фон Карман (1881-1963), кој емигрирал во САД и работел во Калифорнија Институт за технологија, стана еден од основачите на модерната применета аеродинамика. Овие турбулентни вртлози обично предизвикуваат сопирање - тие го даваат главниот придонес за фактот дека автомобилот или авионот, забрзувајќи до одредена брзина, наидува на нагло зголемен отпор на воздухот и не може дополнително да забрза. Ако некогаш сте го возеле патничкиот автомобил со голема брзина со тешко и брзо комбе што доаѓа и автомобилот почнал да „врти“ од страна на страна, знајте дека сте се нашле во виорот фон Карман и сте се запознале прво со него - рака.
Кога големите тела слободно паѓаат во атмосферата, вртлозите започнуваат речиси веднаш, и максимална брзинападот се постигнува многу брзо. За скокачите со падобран, на пример, максималната брзина се движи од 190 km/h при максимален отпор на воздухот, кога паѓаат рамно со раширени раце, до 240 km/h кога нуркаат како риба или војник.
