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自由落体本文重定向自 自由落體

阿波罗15号的宇航员大卫·斯科特月球所做的自由落体实验表明:重量不同的锤子和羽毛在月球重力作用下同时着地

自由落体运动是指只受重力作用(不存在空气阻力的理想状态)的均匀加速度运动过程。

运动过程中重力势能与动能之和遵守机械能守恒定律。在地球上相同位置与相同高度,自由落体的加速度相同(均为g),与质量无关。

历史探究

对自由落体最先研究的是古希腊科学家亚里斯多德。他提出:物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的,物体越重,下落得越快;反之,物体越轻,则下落得越慢。亚里斯多德的理论影响了其后两千多年的人。直到物理学家伽利略提出了相反的意见。伽利略在1636年的《两种新科学的对话》中写道:如果依照亚里斯多德的理论,假设有两块石头,大的重量为8,小的为4,则大的下落速度为8,小的下落速度为4,当两块石头被绑在一起的时候,下落快的会因为慢的而被拖慢。所以整个体系和下落速度在4-8之间。但是,两块绑在一起的石头的整体重量为12,下落速度也就应该大于8,这就陷入了一个自相矛盾的境界。伽利略由此推断物体下落的速度应该不是由其重量决定的。他在书中设想,自由落体运动的速度是匀速变化的。

实验验证

传说伽利略比萨斜塔上做自由落体实验

传说1590年伽利略曾在意大利比萨斜塔上做自由落体实验,将两个重量不同的球体从相同的高度同时扔下,结果两个铅球同时落地,伽利略在比萨斜塔做自由落体实验的故事,记载在他的学生维维亚尼在1654年写的《伽利略生平的历史故事》(1717年出版)一书中,但伽利略、比萨大学和同时代的其他人都没有关于这次实验的的记载。对于伽利略是否在比萨斜塔做过自由落体实验,历史上一直存在着支持和反对两种不同的看法。

1971年,阿波罗15号太空人在月球上同时丢下猎鹰羽毛与铁锤,证明伽利略理论正确。

自由落体运动各物理量关系

请注意图中这三个炸弹的相隔垂直距离并不相等,因为它们的向下速度不同,最底下的炸弹是最先落下的,因此它向下加速的时间最久,向下速度最快,中间的炸弹次之,最上面的炸弹的向下加速时间最短,向下速度最慢

基于(物体位于靠近地球表面)重力是个常数的假设,牛顿的重力定律是。即重力与物体的质量成正比。重力加速度以g表示,是一个常数。它是矢量,平均值为9.81,单位是m/s2。除g以外,也可以a表示,取其地心加速度意思,即。这个加速度是由于物体受到了重力产生的。物体的最初状态是静止的,物体下落中假定除了重力外不受其它力(如:空气阻力)的作用。它下落的路程的长度与经过的时间平方成正比。

自由下落物体在下落的最初位置,即最大高度,具备有重力势能。它的数值是物体的重力与高度的乘积。这个表达式只在物体距离地球表面高度很小才有效。在下落的过程中,物体无论在那个高度也不论是否同时具有速度,都具有重力势能,其数值同样也是。如果物体在下落过程中不受其它力的作用,可以忽略空气阻力的时候,其总能量遵守机械能量守恒定则,即重力势能和动能的总和守恒。我们常常用机械能守恒定则来计算,物体可能达到的最大高度,和落到地面瞬间的最大速度。

如果下落时间为t瞬时速度v,下落高度为h重力加速度g,则有以下关系:

典型例子

跳伞过程中的自由落体阶段
  • 关掉火箭的太空航行器;
  • 月球环绕地球的轨道,地球环绕太阳的轨道,或小行星绕太阳的轨道;
  • 地球上,在真空管中下落,例如:

与上面自由落体相反,以下情形是有其他力量同时在作用,比如:

  • 站在地上,坐在地面上一把椅子上等等(重力被地面的支持力所平衡);
  • 搭乘飞机(重量被机翼提供的升力所平衡);
  • 重返大气层以及降落伞着陆(重量被反向的空气阻力所对抗);
  • 太空航行器的轨道动作(此时火箭提供推力)。

另见

外部链接


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