U klasičnoj mehanici, stanje objekta koji se slobodno kreće u gravitacionom polju naziva se slobodan pad. Ako predmet padne u atmosferu, na njega djeluje dodatna sila otpora i njegovo kretanje ovisi ne samo o gravitacijskom ubrzanju, već i o njegovoj masi, poprečnom presjeku i drugim faktorima. Međutim, na tijelo koje pada u vakuumu djeluje samo jedna sila, a to je gravitacija.

Primjeri slobodnog pada su svemirski brodovi i sateliti u Zemljinoj orbiti, jer na njih djeluje jedina sila - gravitacija. Planete koje kruže oko Sunca su takođe u slobodnom padu. Predmeti koji padaju na tlo malom brzinom također se mogu smatrati slobodnim padom, jer je u ovom slučaju otpor zraka zanemarljiv i može se zanemariti. Ako je jedina sila koja djeluje na objekte gravitacija, a nema otpora zraka, ubrzanje je isto za sve objekte i jednako je ubrzanju slobodnog pada na Zemljinu površinu od 9,8 metara u sekundi u sekundi (m/s² ) ili 32,2 stope u sekundi u sekundi (ft/s²). Na površini drugih astronomskih tijela, ubrzanje slobodnog pada bit će drugačije.

Padobranci, naravno, kažu da su prije otvaranja padobrana u slobodnom padu, ali u stvari, padobranac nikada ne može biti u slobodnom padu, čak i ako padobran još nije otvoren. Da, na padobranca u "slobodnom padu" djeluje sila gravitacije, ali na njega djeluje i suprotna sila - otpor zraka, a sila otpora zraka je tek nešto manja od sile gravitacije.

Da nema otpora vazduha, brzina tela u slobodnom padu bi se povećavala za 9,8 m/s svake sekunde.

Brzina i udaljenost tijela koje slobodno pada izračunava se na sljedeći način:

v₀ - početna brzina (m/s).

v- konačna vertikalna brzina (m/s).

h₀ - početna visina (m).

h- visina pada (m).

t- vrijeme pada (s).

g- ubrzanje slobodnog pada (9,81 m/s2 na površini Zemlje).

Ako a v₀=0 i h₀=0, imamo:

ako je poznato vrijeme slobodnog pada:

ako je poznata udaljenost slobodnog pada:

ako je poznata konačna brzina slobodnog pada:

Ove formule se koriste u ovom kalkulatoru slobodnog pada.

U slobodnom padu, kada nema sile koja podržava tijelo, postoji bestežinsko stanje. Betežinsko stanje je odsustvo vanjskih sila koje djeluju na tijelo sa poda, stolice, stola i drugih okolnih predmeta. Drugim riječima, snage za podršku. Obično ove sile djeluju u smjeru okomitom na površinu kontakta s osloncem, a najčešće okomito prema gore. Betežinsko stanje se može uporediti sa plivanjem u vodi, ali na način da koža ne oseća vodu. Svima je poznat taj osjećaj vlastite težine kada izađete na obalu nakon dugog kupanja u moru. Zbog toga se bazeni vode koriste za simulaciju bestežinskog stanja tokom treninga kosmonauta i astronauta.

Samo po sebi, gravitaciono polje ne može stvarati pritisak na vaše tijelo. Stoga, ako ste u stanju slobodnog pada u velikom objektu (na primjer, u avionu) koji je također u tom stanju, na vaše tijelo ne utječu nikakve spoljne sile interakcija tijela sa osloncem i javlja se osjećaj bestežinskog stanja, gotovo isti kao u vodi.

Trenažni avion bez težine dizajniran za stvaranje kratkotrajnog bestežinskog stanja u svrhu obuke kosmonauta i astronauta, kao i za izvođenje različitih eksperimenata. Ovakvi avioni su bili i trenutno su u upotrebi u nekoliko zemalja. Za kratke vremenske periode, koji traju oko 25 sekundi tokom svakog minuta leta, letelica je u bestežinskom stanju, odnosno nema reakcije podrške za osobe u njoj.

Za simulaciju bestežinskog stanja korišćeni su različiti avioni: u SSSR-u i Rusiji od 1961. za to su korišćeni modifikovani proizvodni avioni Tu-104AK, Tu-134LK, Tu-154MLK i Il-76MDK. U SAD-u, astronauti su trenirali od 1959. godine na modificiranim AJ-2, C-131, KC-135 i Boeing 727-200. U Evropi, Nacionalni centar istraživanje svemira(CNES, Francuska) koriste Airbus A310 za trening u bestežinskom stanju. Modifikacija se sastoji u doradi goriva, hidrauličkih i nekih drugih sistema kako bi se osigurao njihov normalan rad u uslovima kratkotrajnog bestežinskog stanja, kao i jačanju krila kako bi avion mogao da izdrži povećana ubrzanja (do 2G).

Uprkos činjenici da ponekad kada opisuju uslove slobodnog pada tokom svemirskog leta u orbiti oko Zemlje, govore o odsustvu gravitacije, naravno, gravitacija je prisutna u bilo kom svemirski brod. Ono što nedostaje je težina, odnosno sila reakcije oslonca na objekte koji se nalaze svemirski brod, koji se kreću u svemiru istim ubrzanjem slobodnog pada, koje je tek nešto manje nego na Zemlji. Na primjer, u niskoj Zemljinoj orbiti od 350 km, u kojoj Međunarodna svemirska stanica (ISS) leti oko Zemlje, gravitacijsko ubrzanje je 8,8 m/s², što je samo 10% manje nego na površini Zemlje.

Za opisivanje stvarnog ubrzanja objekta (obično aviona) u pogledu ubrzanja slobodnog pada na površini Zemlje obično se koristi poseban izraz - preopterećenja. Ako ležite, sjedite ili stojite na tlu, na vaše tijelo utiče preopterećenje od 1 g (odnosno, nema ga). S druge strane, ako se nalazite u avionu koji polijeće, doživite oko 1,5 g. Ako isti avion napravi koordinirano usko okretanje, putnici mogu doživjeti do 2 g, što znači da im se težina udvostruči.

Ljudi su navikli živjeti u odsustvu preopterećenja (1 g), pa svako preopterećenje uvelike utječe na ljudski organizam. Kao i kod laboratorijskih aviona nulte gravitacije, u kojima svi sistemi za rukovanje fluidima moraju biti modificirani da bi ispravno funkcionirali u nultim (betežinski) pa čak i negativnim G uvjetima, ljudima je također potrebna pomoć i slična „modifikacija“ da bi preživjeli u takvim uvjetima. Neuvježbana osoba može se onesvijestiti na 3-5 g (u zavisnosti od smjera preopterećenja), jer je to dovoljno da se mozak liši kisika, jer srce ne može upumpati dovoljno krvi u njega. S tim u vezi, vojni piloti i astronauti treniraju na centrifugama u uslovi visokog preopterećenja kako bi se spriječio gubitak svijesti tokom njih. Da bi spriječili kratkotrajni gubitak vida i svijesti, koji u uslovima rada može biti fatalan, piloti, kosmonauti i astronauti nose odijela za kompenzaciju visine koja ograničavaju odljev krvi iz mozga pri preopterećenjima tako što vrše ravnomjeran pritisak na čitavu površinu ljudskog tijela.

Utorak, što znači da danas ponovo rješavamo probleme. Ovog puta na temu slobodan pad tel."

Pitanja sa odgovorima o slobodnom padu tijela

Pitanje 1. Koji je smjer vektora gravitacijskog ubrzanja?

odgovor: može se jednostavno reći da je ubrzanje g usmjereno prema dolje. Zapravo, tačnije, ubrzanje slobodnog pada usmjereno je prema centru Zemlje.

Pitanje 2. Od čega zavisi ubrzanje slobodnog pada?

odgovor: Na Zemlji, ubrzanje slobodnog pada zavisi od geografska širina, kao i na visini h podizanje tela iznad površine. Na drugim planetama ova vrijednost ovisi o masi M i radijus R nebesko telo. Opća formula za ubrzanje slobodnog pada:

Pitanje 3. Tijelo je izbačeno okomito prema gore. Kako možete okarakterisati ovaj pokret?

odgovor: U ovom slučaju tijelo se kreće ravnomjerno ubrzano. Štaviše, vrijeme podizanja i vrijeme pada tijela sa maksimalne visine su jednaki.

Pitanje 4. A ako tijelo nije izbačeno gore, već vodoravno ili pod uglom prema horizontu. Šta je ovo kretanje?

odgovor: možemo reći da je i ovo slobodan pad. U ovom slučaju, kretanje se mora uzeti u obzir u odnosu na dvije ose: vertikalnu i horizontalnu. Tijelo se kreće jednoliko u odnosu na horizontalnu os, a jednoliko ubrzano u odnosu na vertikalnu os s ubrzanjem g.

Balistika je nauka koja proučava karakteristike i zakone kretanja tijela bačenih pod uglom prema horizontu.

Pitanje 5.Šta znači "slobodan" pad?

odgovor: u ovom kontekstu, podrazumijeva se da tijelo, kada pada, nema otpor zraka.

Slobodni pad tijela: definicije, primjeri

Slobodni pad je jednoliko ubrzano kretanje pod uticajem gravitacije.

Prvi pokušaji sistematskog i kvantitativnog opisa slobodnog pada tijela datiraju iz srednjeg vijeka. Istina, u to je vrijeme bilo široko rasprostranjeno mišljenje da tijela različite mase padaju različitim brzinama. U stvari, ima istine u tome, jer u stvarnom svijetu na brzinu pada u velikoj mjeri utiče otpor zraka.

Međutim, ako se to može zanemariti, tada će brzina pada tijela različitih masa biti ista. Inače, brzina pri slobodnom padu raste proporcionalno vremenu pada.

Ubrzanje tijela koja slobodno padaju ne ovisi o njihovoj masi.

Primjeri tijela koja slobodno padaju:

• jabuka leti na Njutnovoj glavi;
• padobranac iskače iz aviona;
• pero pada u zatvorenu cijev iz koje se ispumpava zrak.

Kada tijelo slobodno pada, dolazi do stanja bestežinskog stanja. Na primjer, u istom stanju su objekti na svemirskoj stanici koji se kreću u orbiti oko Zemlje. Možemo reći da stanica polako, vrlo sporo pada na planetu.

Naravno, slobodan pad je moguć ne samo na Zemlji, već i u blizini bilo kojeg tijela sa dovoljnom masom. Na drugim komičnim tijelima pad će također biti ravnomjerno ubrzan, ali će se veličina ubrzanja slobodnog pada razlikovati od Zemljine. Inače, ranije smo već objavili materijal o gravitaciji.

Prilikom rješavanja zadataka smatra se da je ubrzanje g jednako 9,81 m/s^2. U stvarnosti, njegova vrijednost varira od 9,832 (na polovima) do 9,78 (na ekvatoru). Ova razlika je zbog rotacije Zemlje oko svoje ose.

Trebate pomoć u rješavanju problema iz fizike? Kontakt

13 slobodno padajuće tijelo u bezvazdušnom prostoru podliježe ubrzanju slobodnog pada g =\u003d 9,81 m / s 2, nema sile otpora Q. Stoga će se brzina pada tijela u bezzračnom prostoru tokom vremena stalno povećavati pod utjecajem ubrzanja slobodnog pada. V=gt.

Prilikom pada u zrak na tijelo, osim ubrzanja slobodnog pada, sila otpora zraka Q djelovat će u suprotnom smjeru :

Kada je gravitacija tela G=mgće biti uravnotežena silom otpora Q, neće biti daljeg povećanja brzine slobodnog pada tijela, odnosno ravnoteža je postignuta:

To znači da je tijelo dostiglo kritičnu ravnotežnu brzinu pada:

Iz formule se vidi da kritična brzina pada tijela u zraku zavisi od težine tijela, koeficijenta otpora tijela C x površine otpora tijela. Koeficijent otpora C x osobe može varirati u širokom rasponu. Njegova prosječna vrijednost C x = = 0,195; maksimalna vrijednost je oko 150%, a minimalna 50% prosjeka.

Obično umjesto srednjeg dijela (S) Konvencionalno se uzima kvadrat visine tijela -. Svako zna svoj rast. Za izračun je dovoljan iznos rasta na kvadrat, to jest:

Maksimalna vrijednost koeficijenta otpora se postiže kada je tijelo postavljeno ravno licem prema dolje, a minimalna vrijednost se dobija kada je položaj blizu vertikalnog pada naopačke.

Na sl. 54 pokazuje promjenu koeficijenta otpora tijela padobranca u zavisnosti od njegovog položaja. 0° odgovara ravnom padu tijela licem prema dolje, 90° odgovara padu glavom naprijed, 180° odgovara ravnom padu na leđa.

Takav raspon promjene koeficijenta otpora daje sljedeće moguće vrijednosti ravnotežne brzine pada padobrana u zraku normalne gustine (odnosno na našim operativnim visinama). Prilikom pada glave nadole - 58-60 m / s; pri padu - 41-43 m / s. Na primjer, s težinom padobranca

90 kg, visina 1,7 m, gustina 0,125, prosječna

koeficijent otpora C x = 0,195, stopa pada će biti jednaka:

Ako se pod ovim uslovima pad nastavi naopako, tada će ravnotežna brzina pada biti približno 59 m/s.

Prilikom izvođenja kompleksa figura u slobodnom padu, koeficijent otpora fluktuira oko svoje prosječne vrijednosti. Kada se težina padobranca promijeni za 10 kg, brzina njegovog pada mijenja se za otprilike 1 m / s, odnosno za 2%.

Iz svega navedenog postaje jasno zašto padobranci pokušavaju postići maksimalnu brzinu pada prije izvođenja figura. Treba napomenuti da kada tijelo padne u bilo koji položaj, ravnotežna brzina se postiže za 11-12 sekundi. Stoga, nema smisla da padobranac radi ubrzanja duže od 12-16 s. Pri tome se ne postiže veliki efekat, međutim, gubi se visina, čija zaliha nikada nije suvišna.

Radi jasnoće možemo navesti primjer: maksimalna brzina pada pri skakanju sa visine od 1000 m postiže se u 12. sekundi pada. Pri skoku sa visine od 2000 m - za 12,5 sekundi, a pri skoku sa visine od 4000 m - za 14 sekundi.

Poznato je da planeta Zemlja privlači bilo koje tijelo u svoju jezgru uz pomoć tzv gravitaciono polje. To znači da što je veća udaljenost između tijela i površine naše planete, to više utječe na njega, i to izraženije

Na tijelo koje pada okomito naniže i dalje djeluje navedena sila, zbog čega će tijelo sigurno pasti naniže. Ostaje pitanje kolika će biti njegova brzina dok pada? S jedne strane na objekat utiče otpor vazduha, koji je prilično jak, sa druge strane telo se jače privlači prema Zemlji, što je dalje od nje. Prvi će očito biti prepreka i smanjiti brzinu, drugi će dati ubrzanje i povećati brzinu. Stoga se postavlja još jedno pitanje: da li je slobodan pad moguć u zemaljskim uslovima? Strogo govoreći, tijela su moguća samo u vakuumu, gdje nema smetnji u vidu otpora strujanjima zraka. Međutim, u okviru moderne fizike, slobodni pad tijela smatra se vertikalnim kretanjem koje ne nailazi na smetnje (otpor zraka se u ovom slučaju može zanemariti).

Stvar je u tome što je moguće samo veštački stvoriti uslove u kojima druge sile, posebno isti vazduh, ne utiču na objekat koji pada. Eksperimentalno je dokazano da je brzina slobodnog pada tijela u vakuumu uvijek jednaka istom broju, bez obzira na težinu tijela. Takvo kretanje se naziva jednoliko ubrzano. Prvo je opisano poznati fizičar i astronom Galileo Galilei pre više od 4 veka. Relevantnost ovakvih zaključaka do danas nije izgubila na snazi.

Kao što je već spomenuto, slobodni pad tijela u okvirima svakodnevnog života je uslovno i ne sasvim ispravno ime. U stvari, brzina slobodnog pada bilo kojeg tijela nije ujednačena. Tijelo se kreće ubrzano, zbog čega se takvo kretanje opisuje kao poseban slučaj ravnomerno ubrzano kretanje. Drugim riječima, svake sekunde brzina tijela će se mijenjati. Imajući ovo upozorenje na umu, možemo pronaći brzinu slobodnog pada tijela. Ako objektu ne damo ubrzanje (tj. ne bacimo ga, već ga jednostavno spustimo s visine), tada će njegova početna brzina biti jednaka nuli: Vo=0. Sa svakom sekundom, brzina će se povećavati proporcionalno ubrzanju: gt.

Ovdje je važno komentirati uvođenje varijable g. Ovo je ubrzanje slobodnog pada. Ranije smo već primetili prisustvo ubrzanja kada telo padne u normalnim uslovima, tj. u prisustvu vazduha i pod uticajem gravitacije. Bilo koje tijelo pada na Zemlju ubrzanjem jednakom 9,8 m/s2, bez obzira na njegovu masu.

Sada, imajući na umu ovu rezervu, izvodimo formulu koja će pomoći u izračunavanju brzine slobodnog pada tijela:

Odnosno, početnoj brzini (ako smo je dali tijelu bacanjem, guranjem ili drugim manipulacijama) dodajemo proizvod brojem sekundi koliko je tijelu trebalo da dođe do površine. Ako je početna brzina nula, tada formula postaje:

To je jednostavno proizvod ubrzanja slobodnog pada i vremena.

Slično, znajući brzinu slobodnog pada objekta, može se izvesti vrijeme njegovog kretanja ili početna brzina.

Treba razlikovati i formulu za izračunavanje brzine, jer će u tom slučaju djelovati sile koje postupno usporavaju brzinu bačenog predmeta.

U našem razmatranom slučaju na tijelo djeluju samo sila gravitacije i otpor strujanja zraka, što uglavnom ne utječe na promjenu brzine.

Slobodan pad je kretanje tijela pod utjecajem same gravitacije.

Na tijelo koje pada u zrak, osim gravitacije, djeluje i sila otpora zraka, stoga takvo kretanje nije slobodan pad. Slobodni pad je pad tijela u vakuumu.

Ubrzanje koje tijelu daje gravitacija naziva se ubrzanje slobodnog pada. Pokazuje koliko se mijenja brzina tijela koje slobodno pada u jedinici vremena.

Ubrzanje slobodnog pada usmjereno je okomito prema dolje.

Galileo Galilei instaliran ( Galilejev zakon): sva tijela padaju na površinu Zemlje pod uticajem gravitacije u odsustvu sila otpora sa istim ubrzanjem, tj. ubrzanje slobodnog pada ne zavisi od mase tela.

To možete provjeriti pomoću Newtonove cijevi ili stroboskopske metode.

Newtonova cijev je staklena cijev dužine oko 1 m, čiji je jedan kraj zapečaćen, a drugi opremljen slavinom (Sl. 25).

Fig.25

Stavimo tri različita predmeta u cijev, na primjer, kuglicu, čep i ptičje pero. Zatim brzo okrenite cijev. Sva tri tijela će pasti na dno cijevi, ali unutra drugačije vrijeme: prvo pelet, zatim čep i na kraju pero. Ali ovako tela padaju kada se u cevi nalazi vazduh (Sl. 25, a). Treba samo pumpom ispumpati vazduh i ponovo okrenuti cev, videćemo da će sva tri tela istovremeno pasti (Sl. 25, b).

U kopnenim uslovima, g zavisi od geografske širine područja.

Najviša vrijednost ima na polu g=9,81 m/s 2 , najmanji - na ekvatoru g=9,75 m/s 2 . Razlozi za to:

1) dnevna rotacija Zemlje oko svoje ose;

2) odstupanje oblika Zemlje od sfernog;

3) neujednačena raspodela gustine kopnenih stena.

Ubrzanje slobodnog pada zavisi od visine h tijela iznad površine planete. To, ako zanemarimo rotaciju planete, može se izračunati po formuli:

gdje G je gravitaciona konstanta, M je masa planete, R je poluprečnik planete.

Kao što slijedi iz posljednje formule, s povećanjem visine uzdizanja tijela iznad površine planete, ubrzanje slobodnog pada opada. Ako zanemarimo rotaciju planete, onda na površini planete poluprečnika R

Da biste to opisali, možete koristiti formule ravnomjerno ubrzanog kretanja:

jednačina brzine:

kinematička jednačina koja opisuje slobodno padanje tijela: ,

ili u projekciji na osu .

Kretanje tijela bačenog okomito

Tijelo koje slobodno pada može se kretati pravolinijski ili zakrivljenom putanjom. Zavisi od početnih uslova. Razmotrimo ovo detaljnije.

Slobodan pad bez početne brzine ( =0) (Sl. 26).

Sa odabranim koordinatnim sistemom, kretanje tijela opisuje se jednadžbama: .

Iz posljednje formule možete pronaći vrijeme pada tijela sa visine h:

Zamjenom pronađenog vremena u formulu za brzinu, dobijamo modul brzine tijela u trenutku pada: .

Kretanje tijela bačenog okomito prema gore početnom brzinom (Sl. 27)

Fig.26 Sl.27

Kretanje tijela opisano je jednadžbama:

Iz jednačine brzine može se vidjeti da se tijelo kreće ravnomjerno usporeno, dostiže maksimalnu visinu, a zatim se kreće ravnomjerno ubrzano prema dolje. S obzirom da je pri y=hmax brzina iu trenutku kada tijelo dostigne početni položaj y=0, možemo naći:

Vrijeme podizanja tijela do maksimalne visine;

Maksimalna visina podizanja karoserije;

Vrijeme leta tijela;

Projekcija brzine u trenutku kada tijelo dostigne početni položaj.

Kretanje tijela bačenog horizontalno

Ako brzina nije usmjerena okomito, tada će kretanje tijela biti krivolinijsko.

Razmotrimo kretanje tijela koje je vodoravno bačeno s visine h brzinom (slika 28). Otpor zraka će se zanemariti. Za opis kretanja potrebno je odabrati dvije koordinatne ose - Ox i Oy. Porijeklo koordinata je kompatibilno s početnim položajem tijela. Sa slike 28 se može vidjeti da , , , .

Fig.28

Tada će se kretanje tijela opisati jednadžbama:

Analiza ovih formula pokazuje da u horizontalnom smjeru brzina tijela ostaje nepromijenjena, tj. telo se kreće jednoliko. U vertikalnom smjeru tijelo se kreće jednoliko ubrzanjem g, tj. baš kao tijelo koje slobodno pada bez početne brzine. Nađimo jednačinu putanje. Da bismo to učinili, iz jednačine (3) nalazimo vrijeme