Тема 1.8. Свободное падение тел
§1. Свободное падение тел. Ускорение свободного падения
Свободное падение - это движение тела под действием только силы тяжести.
На тело, падающее в воздухе, кроме силы тяжести действует сила сопротивления воздуха, следовательно, такое движение не является свободным падением. Свободное падение — это падение тел в вакууме.
Ускорение , которое сообщает телу сила тяжести, называют ускорением свободного падения. Оно показывает, на какую величину изменяется скорость свободно падающего тела за единицу времени.
Ускорение свободного падения направлено вертикально вниз.
Галилео Галилей установил (закон Галилея): все тела падают на поверхность Земли под действием земного притяжения при отсутствии сил сопротивления с одинаковым ускорением, т.е. ускорение свободного падения не зависит от массы тела.
Убедиться в этом можно, используя трубку Ньютона или стробоскопический метод.
Трубка Ньютона представляет собой стеклянную трубку длиной около 1 м, один конец которой запаян, а другой снабжен краном (рис. 1).
Рис.1. Трубка Ньютона
Поместим в трубку три разных предмета, например дробинку, пробку и птичье перо. Затем быстро перевернем трубку. Все три тела упадут на дно трубки, но в разное время: сначала дробинка, затем пробка и, наконец, перо. Но так падают тела в том случае, когда в трубке есть воздух (рис. 1, а). Стоит только воздух откачать насосом и снова перевернуть трубку, мы увидим, что все три тела упадут одновременно (рис. 1, б).
В земных условиях g зависит от географической широты местности.
Наибольшее значение оно имеет на полюсе g=9,81 м/с2, наименьшее — на экваторе g=9,75 м/с2. Причины этого:
1) суточное вращение Земли вокруг своей оси;
2) отклонение формы Земли от сферической;
3) неоднородное распределение плотности земных пород.
Ускорение свободного падения зависит от высоты h тела над поверхностью планеты. Его, если пренебречь вращением планеты, можно рассчитать по формуле:
где G — гравитационная постоянная, М — масса планеты, R — радиус планеты.
Как следует из последней формулы, с увеличением высоты подъема тела над поверхностью планеты ускорение свободного падения уменьшается. Если пренебречь вращением планеты, то на поверхности планеты радиусом R
Для небольших высот (g<<h) можно считать g=const, для таких высот свободное падение является равноускоренным движением.
Для его описания можно использовать формулы равноускоренного движения:
1) уравнение скорости:
2) кинематическое уравнение, описывающее свободное падение тел: ,
3) координата .
§1. Движение тела, брошенного вертикально
Свободно падающее тело может двигаться прямолинейно или по криволинейной траектории. Это зависит от начальных условий. Рассмотрим это подробнее.
Свободное падение без начальной скорости (=0) (рис. 2).
При выбранной системе координат движение тела описывается уравнениями: .
Из последней формулы можно найти время падения тела с высоты h: .
Подставляя найденное время в формулу для скорости, получим модуль скорости тела в момент падения: .
Движение тела, брошенного вертикально вверх с начальной скоростью (рис. 3)
Рис.2. Свободное падение тела без нач. скорости Рис.3. Свободное падение тела с нач. скорости
Движение тела описывается уравнениями:
Из уравнения скорости видно, что тело движется равнозамедленно вверх, достигает максимальной высоты, а затем движется равноускоренно вниз. Учитывая, что при y=hmax скорость
и в момент достижения телом первоначального положения у=0, можно найти:
— время подъема тела на максимальную высоту;
— максимальная высота подъема тела;
— время полета тела;
— проекция скорости в момент достижения телом первоначального положения.
