Свободное падение: формулы расчетов скорости, высоты и времени падения

Интересные факты

Если не углубляться в научные знания, бытовое определение свободного перемещения подразумевает передвижение какого-либо тела в земной атмосфере, когда на него не воздействуют никакие посторонние факторы, кроме сопротивления окружающего воздуха и силы тяжести.

В различное время добровольцы соревнуются между собой, пытаясь установить личный рекорд. В 1962 г. испытатель-парашютист из СССР Евгений Андреев установил рекорд, который был занесен в Книгу рекордов Гиннеса: при прыжке с парашютом в свободном падении он преодолел расстояние в 24500 м, во время прыжка не был использован тормозной парашют.

В 1960 г. американец Д. Киттингер совершил парашютный прыжок с высоты 31 тыс. м, но с использованием парашютно-тормозной установки.

В 2005 г. была зафиксирована рекордная скорость при свободном падении — 553 км/ч, а через семь лет установлен новый рекорд — эта скорость была увеличена до 1342 км/ч. Этот рекорд принадлежит австрийскому парашютисту Феликсу Баумгартнеру, который известен во всем мире своими опасными трюками.

Уравнение координаты и скорости при свободном падении

Уравнение координаты при свободном падении позволяет вычислять кинематические параметры движения даже в случае, если оно меняет свое направление. Так как при вертикальном движении тело меняет свое положение лишь относительно оси ОУ, уравнение координаты при свободном падении принимает

Вид — группа особей, сходных по морфолого-анатомическим, физиолого-экологическим, биохимическим и генетическим признакам, занимающих естественный ареал, способных свободно скрещиваться между собой и давать плодовитое потомство.

Уравнение скорости при свободном падении:

Полезные факты

В момент падения тела на землю y = 0.
В момент броска тела от земли y = 0.
Когда тело падает без начальной скорости (свободно) v = 0.
Когда тело достигает наибольшей высоты v = 0.

Построение чертежа

Решать задачи на нахождение кинематических параметров движения тела, брошенного вертикально вверх, проще, если выполнить чертеж. Строится он в 3 шага.

План построения чертежа

Чертится ось ОУ. Начало координат должно совпадать с уровнем земли или с самой нижней точки траектории.
Отмечаются начальная и конечная координаты тела (y и y).
Указываются направления векторов. Нужно указать направление ускорения свободного падения, начальной и конечной скоростей.

Тело подбросили от земли, на одной и той же высоте оно побывало дважды

Интервал времени между моментами прохождения высоты h:

Уравнение координаты для первого прохождения h:

Уравнение координаты для второго прохождения h:

Важно! Для определения знаков проекций скорости и ускорения нужно сравнивать направления их векторов с направлением оси ОУ. Пример №5

Тело падает из состояния покоя с высоты 50 м. На какой высоте окажется тело через 3 с падения?

Пример №5. Тело падает из состояния покоя с высоты 50 м. На какой высоте окажется тело через 3 с падения?

Из условия задачи начальная скорость равна 0, а начальная координата — 50.

Через 3 с после падения тело окажется на высоте 5 м.

Алгоритм решения

Записать исходные данные.
Сделать чертеж, иллюстрирующий ситуацию.
Записать формулу для определения искомой величины в векторном виде.
Записать формулу для определения искомой величины в векторном виде.
Подставить известные данные и вычислить скорость.

Решение

Записываем исходные данные:

Перемещение (высота) свободно падающего тела, определяется по формуле:

В скалярном виде эта формула примет вид:

Учтем, что начальная скорость равна нулю, а ускорение свободного падения противоположно направлено оси ОУ:

Относительно оси ОУ груз совершил отрицательное перемещение. Но высота — величина положительная. Поэтому она будет равна модулю перемещения:

Вычисляем высоту, подставив известные данные:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Алгоритм решения

Записать исходные данные.
Сделать чертеж, иллюстрирующий ситуацию.
Записать формулу для определения скорости тела в векторном виде.
Записать формулу для определения скорости тела в скалярном виде.
Подставить известные данные и вычислить скорость.

Решение

Записываем исходные данные:

Записываем формулу для определения скорости тела в векторном виде:

Теперь запишем эту формулу в скалярном виде. Учтем, что согласно чертежу, вектор скорости сонаправлен с осью ОУ, а вектор ускорения свободного падения направлен в противоположную сторону:

Подставим известные данные и вычислим скорость:

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Общие сведения

Основоположником создания учения о движении стал Аристотель. Он утверждал, что скорость падения тела зависит от его веса. Значит, тяжёлый предмет сможет долететь до Земли быстрее, чем лёгкий. Если же на объект не будут воздействовать какие-либо силы, его движение невозможно.

Но Галилео Галилей, известный итальянский изобретатель и физик, изучая падение различных предметов и их инерцию, смог опровергнуть догадки Аристотеля. Результаты его исследований были революционными в науке. При этом даже была выпущена книга «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению», в которой были изложены основные размышления Галилея.

За дату рождения кинематики как науки можно принять 20 января 1700 года. В это время проходило заседание Академии наук, на котором Пьер Вариньона не только дал определения понятиям скорость, ускорение, но и описал их в дифференциальном виде. Уже после Ампер использовал для изучения процессов вариационное исчисление. Наглядные опыты провёл Лейбниц, а потом. профессор МГУ Н. А. Любимов смог продемонстрировать появление невесомости при свободном падении.

Под невесомостью понимают состояние тела, при котором силы взаимодействия с опорой, существующие из-за гравитационного притяжения, не оказывают никакого влияния. Такое положение имеет место, когда воздействующие на тело внешние силы можно охарактеризовать массовостью, например, тяготения.

В этом случае силы поля сообщают всем частицам предмета в любом из его положений равные по модулю и направлению ускорения, либо при движении возникают одинаковые по модулю скорости всех частиц тела. Например, поступательное движение. Состояние невесомости особо ярко проявляется в начальный момент при падении тела в атмосфере. Это связано с тем, что сопротивление воздуха ещё невелико.

Таким образом, для существования свободного падения нужно выполнение как минимум двух условий:

малость или отсутствие сопротивления среды;
действие лишь одной силы тяжести.

https://youtube.com/watch?v=hGR7r6HadEA

Бесконечное падение

Ньютон был не первым, кто заметил, то тела падают на Землю. Еще Галилей изучал ускорение свободного падения. Но он считал, что сила притяжения действует только на Земле, максимум — распространяется до Луны. Кеплер, открывший законы движения планет, был уверен, что эти законы действуют только в космосе. И только гений Ньютона позволил объединить «земное» и «небесное». Ньютон стал первым, кто доказал, что и на Земле, и в космосе действуют одинаковые силы и одинаковые законы, и важнейший из них — закон всемирного тяготения.

Этот портрет Ньютона в возрасте 46 лет был написан спустя 2 года после публикации его самых важных открытий. Необычно то, что на картине Ньютон изображен не в парике, а с собственными волосами.

Для того чтобы лучше понять единство этого закона, можно провести мысленный эксперимент. Представим, что мы стоим на краю высокого обрыва, рядом со старинной пушкой, и у наших ног лежат тяжелые чугунные ядра. Если просто столкнуть ядро с обрыва, то оно упадет вертикально вниз. Если же выстрелить ядром из пушки, то оно тоже упадет, но сначала полетит вперед и опишет в воздухе дугу. Здесь на ядро, кроме силы притяжения, действует и другая сила, придавшая ему начальное ускорение.

Теперь попробуем представить, что наша сверхмощная пушка может выстрелить ядро с такой силой, чтобы оно облетело вокруг Земли и снова вернулось в исходную точку. Что произойдет в этом случае? Ядро не упадет, а продолжит двигаться вокруг нашей планеты по круговой орбите. Получается, мы создали искусственный спутник.

Эта книга Ньютона — одна из самых важных в истории человечества. Заглавие ее в переводе с латыни означает «Математические начала натуральной философии».

На самом деле движение Луны вокруг Земли, Земли вокруг Солнца или искусственного спутника вокруг планеты — это постоянное «падение», вызванное силой гравитации и объясняемое законом всемирного тяготения. Из-за того, что скорость движения очень высока, меньшее тело не падает на большее, стремясь перемещаться по прямой линии. Но улететь они тоже не могут, так как их держит вездесущая сила тяготения — та же самая, что заставляет яблоки падать вниз.

Сила тяжести как частный случай закона всемирного тяготения

Создав математическую модель притяжения, Ньютон установил, что сила тяжести, чьё влияние видел и испытывал на себе каждый, является лишь одним из проявлений всемирного тяготения, которое утверждает, что все тела во Вселенной, включая планеты, звёзды, астероиды и т.д., воздействуют друг на друга с определённой силой.

Чтобы узнать значение этой силы, исходящей от Земли, нужно воспользоваться формулой, выражающей прямо пропорциональную зависимость воздействия и массы объекта:

F_тяж = g∙m,

где g = G∙(m_З/ R_З2),

сила тяжести

На поверхности значение ускорения свободного падения принимают равным 9,81 м/с2. Если же тело удалено от поверхности Земли, значение g можно найти по формуле:

g = G∙(m_З/ (R_З+h)2),

где h – расстояние до земли.

Таким образом, действие силы тяжести на тело уменьшается с увеличением высоты.

Интересный факт: если принять силу тяжести, действующую на Земле, за единицу, то можно проанализировать значение притяжения на поверхности других небесных тел. Так, самое большое воздествие тяготения испытает на себе тело на поверхности Юпитера – 2,442, а самое маленькое – на Луне (0,165).

Определение скорости свободного падения

Свободное падение тела — это его равнопеременное движение, которое происходит под действием силы тяжести. В этот момент другие силы, которые могут воздействовать на тело либо отсутствуют, либо настолько малы, что их влияние не учитывается. Например, когда парашютист прыгает из самолета, первые несколько секунд после прыжка он падает в свободном состоянии. Этот короткий отрезок времени характеризуется ощущением невесомости, сходным с тедж.м, что испытывают космонавты на борту космического корабля.

История открытия явления

О свободном падении тела ученые узнали еще в Средневековье: Альберт Саксонский и Николай Орем изучали это явление, но некоторые их выводы были ошибочными. Например, они утверждали, что скорость падающего тяжелого предмета возрастает прямо пропорционально пройденному расстоянию. В 1545 году поправку этой ошибки сделал испанский ученый Д. Сото, установивший факт, что скорость падающего тела увеличивается пропорционально времени, которое проходит от начала падения этого предмета.

В 1590 г. итальянский физик Галилео Галилей сформулировал закон, который устанавливает четкую зависимость пройденного падающим предметом пути от времени. Также ученым было доказано, что при отсутствии воздушного сопротивления все предметы на Земле падают с одинаковым ускорением, хотя до его открытия было принято считать, что тяжелые предметы падают быстрее.

Была открыта новая величина — ускорение свободного падения, которое состоит из двух составляющих: гравитационного и центробежного ускорений. Обозначается ускорение свободного падения буквой g и имеет различное значение для разных точек земного шара: от 9,78 м/с 2 (показатель для экватора) до 9,83 м/с 2 (значение ускорения на полюсах). На точность показателей влияют долгота, широта, время суток и некоторые другие факторы.

Стандартное значение g принято считать равным 9,80665 м/с 2 . В физических расчетах, которые не требуют соблюдения высокой точности, значение ускорения принимают за 9,81 м/с 2 . Для облегчения расчетов допускается принимать значение g равным 10 м/с 2 .

Для того чтобы продемонстрировать, как предмет падает в соответствии с открытием Галилея, ученые устраивают такой опыт: в длинную стеклянную трубку помещают предметы с различной массой, из трубки выкачивают воздух. После этого трубку переворачивают, все предметы под действием силы тяжести падают одновременно на дно трубки, независимо от их массы.

Когда эти же предметы помещены в какую-либо среду, одновременно с силой тяжести на них действует сила сопротивления, поэтому предметы в зависимости от своей массы, формы и плотности будут падать в разное время.

Формулы для расчетов

Существуют формулы, с помощью которых можно рассчитывать различные показатели, связанные со свободным падением. В них используются такие условные обозначения:

u — конечная скорость, с которой перемещается исследуемое тело, м/с;
h — высота, с которой перемещается исследуемое тело, м;
t — время перемещения исследуемого тела, с;
g — ускорение (постоянная величина, равная 9,8 м/с 2 ).

Формула для определения расстояния, пройденного падающим предметом при известной конечной скорости и времени падения: h = ut /2.

Формула для расчета расстояния, пройденного падающим предметом по постоянной величине g и времени: h = gt 2 /2.

Формула для определения скорости падающего предмета в конце падения при известном времени падения: u = gt .

Формула для расчета скорости предмета в конце падения, если известна высота, с которой падает исследуемый предмет: u = √2 gh.

Интересные факты

Ускорение свободного падения: суть и формулы

Величина эта одинакова для тел абсолютно любой массы, формы и размера. Эту величину назвали ускорением свободного падения и выделили для ее обозначения отдельную букву, букву g (жэ) латинского алфавита.

g всегда равно 9,8 м/с^2. Строго говоря, знаков после запятой больше, но для большинства расчетов достаточно и такого приближения. Более точное значение учитывают в случае необходимости для более точных расчетов.

Свободное падение тел описывается теми же формулами скорости и перемещения, что и любое другое равноускоренное движение:

v=a*t ,и s=((v^2) — (v_0^2)) / 2*a или s= a*(t^2) / 2 , если начальная скорость тела равна нулю, только вместо величины ускорения a берут величину g. И тогда формулы принимают вид:

v = g*t , s =( (v^2)-(v_0^2) )/2*g или s = g*(t^2)/2 (если v_0 = 0), соответственно,

где v конечная скорость, v_0 начальная скорость, s перемещение, t время, g ускорение свободного падения.

Вывод, что свободное падение любых тел происходит одинаково, на первый взгляд кажется нелепым с точки зрения повседневного опыта. Но на самом деле все правильно и логично. Просто, незначительная на первый взгляд величина сопротивления воздуха для многих падающих тел оказывается довольно ощутимой, а потому очень сильно замедляет их падение.

Проект «Свободное падение предметов»

Крупные
объекты, маленькие объекты, короткие
объекты, плоские объекты – примеры
свободного падения могут включать
любые объекты, для гравитации нет
разницы! Расскажите вашему маленькому
учёному о поразительной силе гравитации,
сравнивая скорость падения
двух вкусных фруктов. Результаты его
могут удивить.

Ход эксперимента:

Вскарабкайтесь наверх конструкции на игровой площадке, сядьте с ребёнком. Возьмите арбуз и яблоко в руки. Знает ли ребёнок, какой из этих плодов тяжелее?
Попросите ребёнка вообразить, что арбуз и яблоко падают с высоты. Что будет падать быстрее. Многие люди – и не только дети – думают, что тяжесть объекта определяет его скорость, то есть что более тяжёлые объекты падают быстрее, чем лёгкие.
Переместитесь на самую высокую точку игровой конструкции. Не старайтесь забраться выше, чем позволяют особенности этой конструкции.
Дайте ребёнку яблоко, а сами держите арбуз.
Бросьте оба объекта одновременно. Какой из них упадёт на землю первым? Намёк: если этот эксперимент выполнить правильно, арбуз и яблоко упадут на землю одновременно. Если более тяжёлый объект падает первым, вам нужно бросать их с более высокой точки.
Удивлён ли ваш ребёнок? Как это возможно, что громоздкий большой арбуз падает с такой же скоростью, как и маленькое яблоко?
Объясните принцип гравитации. Та же самая сила, которая держит вас на земле, притягивает арбуз и яблоко. Гравитация не воздействует сильнее на более крупные объекты: сила притяжения одинаковая. Именно поэтому все объекты падают с одинаковой скоростью. Не имеет значения, идёт ли речь о шаре для боулинга или мячике для пинг-понга, они оба упадут на землю одновременно, если их бросать с достаточно высокой точки. Для детей такое объяснение действия гравитации обычно достаточно, чтобы они научились понимать это явление в физике. Как насчёт шара для боулинга и листка бумаги? Безусловно, шар для боулинга достигнет поверхности земли раньше, но это связано с ещё одной силой – сопротивлением воздуха. Объясните любопытному ребёнку, что независимо от того, верит он или нет, листок бумаги и шар для боулинга упали бы на землю одновременно в вакууме!

Вывод:

Как
бы вы описали своими словами свободное
падение, что это такое? Что
такое гравитация, какое объяснение
для детей было бы
по-вашему самым понятным?

Почему яблоки падают вниз?

В то самое время, когда молодой ученый Исаак Ньютон получил степень бакалавра, в Англии вспыхнула эпидемия чумы. Кембриджский университет закрыли, и Ньютон отправился в поместье своей матери. Два года, что он там провел, полностью изменили науку того времени, потому что Ньютон сделал несколько фундаментальных открытий, в том числе вывел закон всемирного тяготения.

Как он рассказывал в старости, мысль о существовании закона всемирного тяготения пришла к нему, когда он смотрел, как с деревьев падают спелые яблоки. В тот момент на небе была видна Луна. И вот, глядя на Луну, которая, как он знал, вращается вокруг Земли, и на яблоки, которые падают вниз, Ньютон вдруг понял, что и в том, и в другом случае действует одна и та же сила. Эта сила заставляет земные предметы падать вниз, и она же удерживает спутник Земли на орбите, не позволяя ему умчаться в космос.

Говорят, история с падением яблока на голову Ньютона не более чем миф. Но достоверно известно, что ученый любил предаваться размышлениям в яблоневом саду своей матери

Это было величайшее открытие, с математической точностью объяснившее движение небесных объектов и многие явления, происходившие на Земле. Сила тяготения (притяжения) — одна из самых универсальных в природе. Она действует между любыми объектами, обладающими массой. А так как материи без массы не бывает, то исключений для этой силы нет. Если бы мы могли видеть притяжение в виде нитей, то в любой точке пространства наблюдалось бы бесчисленное количество таких нитей, связывающих всё со всем. «Отгородиться» от силы тяготения невозможно, не существует никаких защитных экранов, которые были бы препятствием для этой вездесущей силы.

Решение задач

Свободно двигаться, то есть не испытывать действие сторонних сил, могут любые тела в вакууме. Но в реальности на них оказывается воздействие как атмосферными явлениями, так и сопротивлением среды. При решении задач учитывается только сила тяжести, а вот остальными явлениями пренебрегают, считая их ничтожно малыми.

Вот некоторые из типовых задач, используемые при обучении в среднеобразовательных школах:

Деревянная бочка падает с 30 метров. Какова будет её скорость перед столкновением с Землёй? Так как рассматривается свободное падение, для решения нужно использовать формулу: v2 = 2 * g * h. Отсюда, v = √(2 * g * h) = (2 * 9,81 м / с2 * 30 м) = 24,26 м/с.
Тело вылетает вертикально вверх со скоростью 45 м/с. Какой высоты оно достигнет перед изменением направления полёта и сколько для этого понадобится времени. Для начала следует записать формулу скорости: v = v0 — gt. Отсюда можно рассчитать время полёта: t = v0 / g = 45 / 9,8 = 4,6 c. Теперь можно определить максимальную высоту: h = vot — (gt 2 / 2) = 45 м / с * 4,6 с — 9,8 м / с2 * (4,6 c)2 / 2 = 207 м — 103,7 м = 103,3 м.
Камень летит со скоростью 30 м/с. Найти время, за которое он достигнет 25 метров. Система уравнений, описывающая движение, будет выглядеть так: h = v0t — (gt2 / 2); 25 = 30t — 5t2. Полученные уравнения в системе называются квадратными, поэтому нужно выразить одно из другого и определить корни: t2 — 6t + 5 = 0. В результате должно получиться время, равное одной секунде.

Мяч бросили с горки под углом к горизонту. Через время, равное t = 0,5 c он достигнет наибольшей высоты, а t2 = 2,5 он упадёт. Определить высоту горки, ускорение падения принять равное g = 10 м / с2. Скорость движущегося предмета можно представить в координатной плоскости x и y. В горизонтальном направлении сил, оказывающих воздействие, нет. Движение равномерное. Наибольшая высота будет достигнута при h = H + v0y * t1 — (gt21 / 2).

Вертикальную составляющую можно вычислить, руководствуясь геометрическими принципами: v0y = v0 * sin (a). Учитывая, что h = (gt2 / 2), для высоты горки можно записать: H = (g * (t21 + t22) / 2) — t1 * v0 sin (a). Так как gt1 = v0 sin (a), то рабочая формула примет вид: H = (g * (t21 + t22) / 2) — gt21. После подстановки данных в ответе должна получиться высота равная 30 метров. Задача решена.

Применение закона всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения – это фундаментальный закон механики, после формулировки которого стало возможно объяснение и предсказание множества природных явлений. К ним относятся:

приливы и отливы;
точное время и место лунных и солнечных затмений;
масса Солнца и других астрономических тел;
орбиты движения планет и их спутников.

Открытие планет с использованием закона всемирного тяготения

После открытия явления притяжения астрономы и физики могли, опираясь на закон Ньютона и соотношения Кеплера, определять траектории движения наблюдаемых планет Солнечной системы и указывать их координаты в любой момент времени, причём правильность вычислений подтверждалась эмпирически – результатами астрономических наблюдений.

В 1781 году Уильямом Гершелем была открыта седьмая планета Солнечной системы – Уран. Следуя отработанному алгоритму, астроном рассчитал траекторию своего открытия и его орбиту, однако в первой половине XIX века учёные обнаружили несоответствие вычисленных и реальных координат. Возникло предположение, что, помимо Солнца и шести других планет, на Уран воздействует ещё одна планета, находящаяся за ним.

В 1846 году ночью 23 сентября на основании теоретических расчётов, выполненных по имеющимся отклонениям Урана от рассчитанной траектории, молодым сотрудником Британской обсерватории Иоганном Галле была обнаружена предсказанная планета, названная Нептуном.

планета Нептун

Интересный факт: расчёты, после проведения которых стало возможно открытие, в одно и то же время совершили два учёных, независимо друг от друга – Джон Адамс и Урбен Леверье.

Спустя практически 100 лет, 18 февраля 1930 года, подобным образом была открыта девятая планета – Плутон, которая из-за относительно небольших размеров и массы считается карликовой.