Свободное падение тел. Движение с ускорением свободного падения

Каждый из нас не раз наблюдал свободно падающие тела. И, наверное, все замечали, что скорость падающих тел увеличивается, то есть они двигаются с ускорением.

Свободным падением тела называется движение тела только под действием силы тяжести.

Долгое время считалось, что ускорение, с которым падает тело, зависит от размеров и массы этого тела. Действительно, мы с уверенностью можем сказать, что листок с дерева или птичье перо падают значительно медленнее, чем камень или мяч, например.

Дело в том, что существует сила сопротивления воздуха, которая препятствует свободному падению. Эта сила, как правило, незначительная, и ею можно пренебречь, за исключением тех случаев, когда тело обладает аэродинамическими свойствами. О том, что это за свойства, вы узнаете позже. Суть в том, что когда сила сопротивления воздуха становится сравнимой с силой тяжести, падение тела нельзя считать свободным. Поэтому мы будем рассматривать примеры, в которых силой сопротивления воздуха можно пренебречь.

Впервые предположение о том, что все тела падают с одинаковым ускорением, высказал Галилео Галилей. Опытным путем он доказал, что это предположение верно. Галилей провел один из самых знаменитых физических экспериментов: он сбросил с Пизанской башни ядро и мушкетную пулю на глазах у многих людей. Вопреки ожиданиям, и ядро, и пуля упали одновременно.

Известный вам ученый Исаак Ньютон провел иной опыт, чтобы ещё раз доказать справедливость предположения Галилея. Он поместил в стеклянную трубку дробинки, кусочки пробки и пушинки. Сначала упали дробинки, потом кусочки пробки и только потом – пушинки. Но как только из трубки выкачали воздух, все тела упали одновременно. Это свидетельствует о том, что ускорение свободного падения постоянно для любого тела, а различные скорости падения могут быть обусловлены сопротивлением воздуха.

Ускорение свободного падения обозначается латинской буквой g. Его значение, установлено экспериментально: g = 9,8 м/c².

Eскорение свободного падения может чуть-чуть меняться в зависимости от широты, поскольку Земля — не совсем идеальный шар. Однако, эти изменения незначительны: на экваторе ускорение свободного падения равно 9,78 м/с², а на полюсе – 9,83 м/с². Поэтому, в приблизительных расчетах можно смело использовать 9,8 м/с².

Ускорение свободного падения направлено вертикально вниз. Поэтому, если начальная скорость тела равна нулю, то движение этого тела будет прямолинейным при свободном падении. Если же тело обладает начальной скоростью, направление которой не вертикально, то тело будет двигаться криволинейно. Направление скорости будет меняться, в то время как направление ускорения будет оставаться постоянным.

Примеры решения задач.

Задача 1. Камень бросают с обрыва под углом 30° к горизонту. Модуль начальной скорости равен 6 м/с, а высота обрыва — 80 м. Найдите горизонтальное расстояние, которое пролетит камень, прежде чем упадёт.

Задача 2. Птица летит на высоте 5 м с постоянной горизонтальной скоростью, модуль которой равен 10 м/с. Кот, сидящий на холмике высотой 4 м, собирается прыгнуть на птицу через 2 с. Известно, что начальное горизонтальное расстояние между котом и птицей составляет 30 м. Сможет ли кот поймать птицу, если он оттолкнётся от холма с начальной скоростью 6 м/с, направленной вертикально вверх?