Свободное падение - Free fall

Для использования в других целях см. Свободное падение (значения).

"Freeflight" перенаправляется сюда. Для альбома Ахмада Джамаля см. Freeflight (альбом).

Свободное падение яблока

Воспроизвести медиа

Командир Дэвид Скотт проведение демонстрации свободного падения во время Аполлон 15 посадка на Луну.

В Ньютоновская физика, свободное падение любое движение тело где гравитация единственная сила действуя на это. В контексте общая теория относительности, где гравитация сводится к искривлению пространства-времени, тело в свободном падении не имеет силы, действующей на него.

Объект в техническом смысле слова «свободное падение» не обязательно может падать в обычном смысле этого слова. Объект, движущийся вверх, обычно не считается падающим, но если на него действует только сила тяжести, говорят, что он находится в свободном падении. Таким образом, Луна находится в свободном падении.

В грубой форме гравитационное поле, в отсутствие каких-либо других сил гравитация действует на каждую часть тела примерно одинаково, что приводит к ощущению невесомость, состояние, которое также возникает, когда гравитационное поле слабое (например, вдали от любого источника гравитации).

Термин «свободное падение» часто используется более свободно, чем в строгом смысле, определенном выше. Таким образом, провалившись атмосфера без развернутого парашют, или подъемное устройство, также часто называют свободное падение. В аэродинамический силы сопротивления в таких ситуациях не позволяют им достичь полной невесомости и, таким образом, «свободного падения» парашютиста после достижения предельная скорость создает ощущение, будто вес тела поддерживается на воздушной подушке.

История

В западном мире до XVI века обычно предполагалось, что скорость падающего тела будет пропорциональна его весу, то есть объект весом 10 кг должен был упасть в десять раз быстрее, чем идентичный объект весом 1 кг. та же среда. Древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н.э.) обсуждали падающие объекты в Физика (Книга VII), одна из старейших книг по механика (видеть Аристотелевская физика ).

В Ираке XII века Абу'л-Баракат аль-Багдади дал объяснение гравитационное ускорение падающих тел. Он предложил объяснение ускорение падающих тел путем накопления последовательных приращений мощность с последовательными приращениями скорости.^[1] В соответствии с Шломо Пайнс, теория движения аль-Багдади была «старейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом,] смутное предвосхищение фундаментального закона классическая механика [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ".^[2] В 14 веке Жан Буридан и Альберт Саксонский ссылался на Абу'л-Баракат, объясняя, что ускорение падающего тела является результатом его увеличения толчок.^[3]

Согласно легенде, которая может быть апокрифической, в 1589–1592 гг. Галилей сбросили два объекта неравной массы с Пизанской башни. Учитывая скорость, с которой могло бы произойти такое падение, сомнительно, чтобы Галилей мог извлечь много информации из этого эксперимента. Большинство его наблюдений падающих тел на самом деле были телами, катящимися по пандусам. Это замедлило процесс настолько, что он смог измерить временные интервалы с помощью водяные часы и собственный пульс (секундомеры еще не изобретены). Он повторил это «целую сотню раз», пока не достиг «такой точности, что отклонение между двумя наблюдениями никогда не превышало одной десятой доли импульса». В 1589–1592 годах Галилей писал De Motu Antiquiora, неопубликованная рукопись о движении падающих тел.^{[нужна цитата ]}

Примеры

Примеры объектов в свободном падении:

• А космический корабль (в космосе) с выключенной двигательной установкой (например, на непрерывной орбите или на суборбитальной траектории (баллистика ) несколько минут поднимаясь вверх, а затем вниз).
• Объект упал наверху капельная трубка.
• Подброшенный вверх объект или человек, спрыгивающий с земли на малой скорости (т. Е. Пока сопротивление воздуха незначительно по сравнению с весом).

Технически объект находится в свободном падении даже при движении вверх или мгновенно находится в состоянии покоя в верхней точке своего движения. Если гравитация - единственное действующее влияние, то ускорение всегда направлено вниз и имеет одинаковую величину для всех тел, обычно обозначаемую ${\displaystyle g}$.

Поскольку все объекты падают с одинаковой скоростью в отсутствие других сил, объекты и люди будут испытывать невесомость в этих ситуациях.

Примеры предметов не в свободном падении:

• Полет на самолете: есть еще дополнительная сила поднимать.
• Стоя на земле: гравитационной силе противодействует нормальная сила с земли.
• Спуск на Землю с использованием парашюта, который уравновешивает силу тяжести с силой аэродинамического сопротивления (а в некоторых парашютах - с дополнительной подъемной силой).

Пример падающего парашютиста, который еще не раскрыл парашют, не считается свободным падением с точки зрения физики, поскольку он испытывает сила сопротивления что равняется его весу, когда он достиг предельная скорость (Смотри ниже).

Измеренное время падения небольшого стального шара, падающего с разной высоты. Данные хорошо согласуются с прогнозируемым временем падения ${\displaystyle {\sqrt {2h/g}}}$, где h - высота, g - ускорение свободного падения под действием силы тяжести.

Вблизи поверхности Земли объект в свободном падении в вакууме будет ускоряться примерно со скоростью 9,8 м / с.², независимо от масса. При воздействии сопротивления воздуха на объект, который был сброшен, объект в конечном итоге достигнет предельной скорости, которая составляет около 53 м / с (190 км / ч или 118 миль / ч).^[4]) для парашютиста-человека. Конечная скорость зависит от многих факторов, включая массу, коэффициент трения, и относительная площадь поверхности и будет достигнута только в том случае, если падение произойдет с достаточной высоты. Типичный парашютист в позе орла с распростертыми головами достигает предельной скорости примерно через 12 секунд, за это время он упадет примерно на 450 м (1500 футов).^[4]

Свободное падение на Луне продемонстрировал космонавт Дэвид Скотт 2 августа 1971 года. Он одновременно выпустил молот и перо с одинаковой высоты над поверхностью Луны. Молоток и перо падали с одинаковой скоростью и одновременно ударялись о землю. Это продемонстрировало открытие Галилея о том, что при отсутствии сопротивления воздуха все объекты испытывают одинаковое ускорение силы тяжести. Однако на Луне гравитационное ускорение составляет примерно 1,63 м / с², или только о ¹⁄₆ что на Земле.

Свободное падение в механике Ньютона

Основная статья: Ньютоновская механика

Равномерное гравитационное поле без сопротивления воздуха

Это «хрестоматийный» случай вертикального движения объекта, падающего на небольшое расстояние близко к поверхности планеты. Это хорошее приближение для воздуха, если сила тяжести на объекте намного больше, чем сила сопротивления воздуха, или, что то же самое, скорость объекта всегда намного меньше конечной скорости (см. Ниже).

${\displaystyle v(t)=v_{0}+gt\,}$

${\displaystyle y(t)=v_{0}t+y_{0}+{\frac {1}{2}}gt^{2}}$

куда

${\displaystyle v_{0}\,}$ - начальная скорость (м / с).

${\displaystyle v(t)\,}$ - вертикальная скорость по времени (м / с).

${\displaystyle y_{0}\,}$ начальная высота (м).

${\displaystyle y(t)\,}$ - высота по времени (м).

${\displaystyle t\,}$ истекшее время (с).

${\displaystyle g\,}$ ускорение из-за сила тяжести (9,81 м / с² у поверхности земли).

Равномерное гравитационное поле с сопротивлением воздуха

Ускорение небольшого метеороида при входе в атмосферу Земли с разными начальными скоростями.

Этот случай, который относится к парашютистам, парашютистам или любому телу с массой тела, ${\displaystyle m}$, и площадь поперечного сечения, ${\displaystyle A}$, с Число Рейнольдса значительно выше критического числа Рейнольдса, так что сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости падения, ${\displaystyle v}$, имеет уравнение движения

${\displaystyle m{\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}=mg-{\frac {1}{2}}\rho C_{\mathrm {D} }Av^{2}\,,}$

куда ${\displaystyle \rho }$ это плотность воздуха и ${\displaystyle C_{\mathrm {D} }}$ это коэффициент трения, предполагается постоянным, хотя в целом он будет зависеть от числа Рейнольдса.

Предполагая, что объект падает из состояния покоя и плотность воздуха не изменяется с высотой, решение следующее:

${\displaystyle v(t)=v_{\infty }\tanh \left({\frac {gt}{v_{\infty }}}\right),}$

где конечная скорость дан кем-то

${\displaystyle v_{\infty }={\sqrt {\frac {2mg}{\rho C_{D}A}}}\,.}$

Скорость объекта в зависимости от времени можно интегрировать с течением времени, чтобы найти вертикальное положение как функцию времени:

${\displaystyle y=y_{0}-{\frac {v_{\infty }^{2}}{g}}\ln \cosh \left({\frac {gt}{v_{\infty }}}\right).}$

Используя цифру 56 м / с для конечной скорости человека, можно найти, что через 10 секунд он упадет на 348 метров и достигнет 94% конечной скорости, а через 12 секунд он упадет на 455 метров и достигнет 97% предельной скорости. Однако, когда плотность воздуха нельзя считать постоянной, например, для объектов, падающих с большой высоты, уравнение движения становится намного сложнее решить аналитически, и обычно требуется численное моделирование движения. На рисунке показаны силы, действующие на метеороиды, падающие через верхнюю атмосферу Земли. HALO прыжки, включая Джо Киттингер 'песок Феликс Баумгартнер Рекордные прыжки тоже принадлежат к этой категории.^[5]

Гравитационное поле по закону обратных квадратов

Можно сказать, что два объекта в космосе, вращающихся вокруг друг друга в отсутствие других сил, находятся в свободном падении друг вокруг друга, например что Луна или искусственный спутник «падает» вокруг Земли, или планета «падает вокруг» Солнца. Предположение сферических объектов означает, что уравнение движения регулируется Закон всемирного тяготения Ньютона, с решениями гравитационная задача двух тел существование эллиптические орбиты подчиняться Законы движения планет Кеплера. Эта связь между падающими объектами, близкими к Земле, и объектами, вращающимися вокруг Земли, лучше всего иллюстрируется мысленным экспериментом Пушечное ядро ​​Ньютона.

Движение двух объектов, движущихся радиально навстречу друг другу без угловой момент можно рассматривать как частный случай эллиптической орбиты эксцентриситет е = 1 (радиально-эллиптическая траектория ). Это позволяет вычислить время свободного падения для двухточечных объектов на радиальном пути. Решение этого уравнения движения дает время как функцию разделения:

${\displaystyle t(y)={\sqrt {\frac {{y_{0}}^{3}}{2\mu }}}\left({\sqrt {{\frac {y}{y_{0}}}\left(1-{\frac {y}{y_{0}}}\right)}}+\arccos {\sqrt {\frac {y}{y_{0}}}}\right),}$

куда

${\displaystyle t}$ это время после начала падения

${\displaystyle y}$ это расстояние между центрами тел

${\displaystyle y_{0}}$ начальное значение ${\displaystyle y}$

${\displaystyle \mu =G(m_{1}+m_{2})}$ это стандартный гравитационный параметр.

Подстановка ${\displaystyle y=0}$ мы получаем время свободного падения.

Разделение как функция времени дается обратным уравнением. Обратное представлено в точности аналитическим степенным рядом:

${\displaystyle y(t)=\sum _{n=1}^{\infty }\left[\lim _{r\to 0}\left({\frac {x^{n}}{n!}}{\frac {\mathrm {d} ^{\,n-1}}{\mathrm {d} r^{\,n-1}}}\left[r^{n}\left({\frac {7}{2}}(\arcsin({\sqrt {r}})-{\sqrt {r-r^{2}}})\right)^{-{\frac {2}{3}}n}\right]\right)\right].}$

Оценка этого дает:^[6][7]

${\displaystyle y(t)=y_{0}\left(x-{\frac {1}{5}}x^{2}-{\frac {3}{175}}x^{3}-{\frac {23}{7875}}x^{4}-{\frac {1894}{3931875}}x^{5}-{\frac {3293}{21896875}}x^{6}-{\frac {2418092}{62077640625}}x^{7}-\cdots \right)\ ,}$

куда

${\displaystyle x=\left[{\frac {3}{2}}\left({\frac {\pi }{2}}-t{\sqrt {\frac {2\mu }{{y_{0}}^{3}}}}\right)\right]^{2/3}.}$

Свободное падение в общей теории относительности

Основная статья: Общая теория относительности

В общей теории относительности объект в свободном падении не подвергается действию силы и представляет собой инерционное тело, движущееся по геодезический. Вдали от источников искривления пространства-времени, где пространство-время плоская, ньютоновская теория свободного падения согласуется с общей теорией относительности. В противном случае двое не согласны; например, только общая теория относительности может объяснить прецессия орбит орбитальный распад или вдвое компактных двойных из-за гравитационные волны, и относительность направления (геодезическая прецессия и перетаскивание кадра ).

Экспериментальное наблюдение, что все объекты в свободном падении ускоряются с одинаковой скоростью, как было отмечено Галилеем и затем воплощено в теории Ньютона как равенство гравитационной и инертной масс, а позже подтверждено с высокой точностью современными формами Эксперимент Этвёша, является основой принцип эквивалентности, на основе которого первоначально возникла общая теория относительности Эйнштейна.

Смотрите также

• Уравнения падающего тела
• Самолет с пониженной гравитацией
• Невесомость
• Предельная скорость
• Высотный военный парашютный спорт
• G-сила
• Микро-среда

Рекомендации

1. Кромби, Алистер Кэмерон, Августин Галилею 2, п. 67.
2. Сосны, Шломо (1970). «Абу'л-Баракат аль-Багдади, Хибат Аллах». Словарь научной биографии. 1. Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. С. 26–28. ISBN  0-684-10114-9.
   (ср. Абель Б. Франко (октябрь 2003 г.). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Журнал истории идей 64 (4), стр. 521-546 [528].)
3. Гутман, Оливер (2003). Псевдо-Авиценна, Liber Celi Et Mundi: Критическое издание. Brill Publishers. п. 193. ISBN  90-04-13228-7.
4. «График свободного падения» (PDF). Публикации Грин Харбор. 2010 г.. Получено 14 марта 2016.
5. Анализ таких скачков приведен в Mohazzabi, P .; Ши, Дж. (1996). «Свободное падение с большой высоты» (PDF). Американский журнал физики. 64 (10): 1242. Bibcode:1996AmJPh..64.1242M. Дои:10.1119/1.18386.
6. Фунг, С. К. (2008). «От падения Луны к движению по законам обратных квадратов». Европейский журнал физики. 29 (5): 987–1003. Bibcode:2008EJPh ... 29..987F. Дои:10.1088/0143-0807/29/5/012.
7. Мунган, Карл Э. (2009). «Радиальное движение двух взаимно притягивающихся частиц». Учитель физики. 47 (8): 502–507. Bibcode:2009PhTea..47..502M. Дои:10.1119/1.3246467.

внешняя ссылка

• Калькулятор формулы свободного падения
• Как дела падают образовательный сайт