История открытия ускорения свободного падения кратко

Обновлено: 04.07.2024

В закон свободного падения Галилео Галилей устанавливает, что расстояние, пройденное телом, которое свободно высвобождается с определенной высоты, пропорционально квадрату времени, затраченного на его прохождение.

А поскольку время зависит только от высоты, при падении с одной и той же высоты все тела ударяются о землю одновременно, независимо от их массы.

Галилей, один из самых блестящих ученых всех времен, родился в итальянском городе Пиза в 1564 году.

К тому времени аристотелевские убеждения о природе движения разделялись большей частью научного сообщества. Аристотель (384–322 гг. До н.э.) был известным древнегреческим мыслителем, который воплотил свои убеждения о науке в 200 работах, которые он, как полагают, написал за всю свою жизнь.

До наших дней сохранилась лишь 31 из этих работ, и в них греческий философ объяснил свое видение природы, известное как Аристотелевская физика. Один из его постулатов заключается в следующем: когда два тела падают с одинаковой высоты, самое тяжелое всегда достигает земли первым.

Галилей подверг испытанию эту глубоко укоренившуюся веру и таким образом начал развитие экспериментальной науки, революцию, которая привела человечество к его первым шагам за пределами Земли и расширила известную Вселенную до неожиданных размеров.

Эксперименты Галилея

Сегодня нас учат, что все объекты, независимо от их массы, достигают земли в одно и то же время, когда их сбрасывают с определенной высоты. Это потому, что все без исключения движутся с одним и тем же ускорением: ускорением свободного падения. Конечно, если пренебречь сопротивлением воздуха.

Мы можем проверить это, одновременно уронив тяжелый и легкий предмет с одной и той же высоты, например камень и скомканный лист бумаги, и увидим, как они одновременно достигают земли.

Галилей в Пизанской башне

Галилей был полон решимости проверить аристотелевские убеждения путем тщательных экспериментов и математических разработок. Легенда гласит, что он бросал предметы с вершины знаменитой Пизанской башни, измеряя время, необходимое для каждого падения.

Сомнительно, чтобы Галилей специально взобрался на вершину башни для этой цели, поскольку в любом случае точное измерение такого короткого времени - примерно 3,4 с - с помощью часов было невозможно.

Но говорят, что однажды Галилей собрал много людей у подножия башни, чтобы убедиться, что на самом деле два тела разной массы достигли земли одновременно.

Однако итальянский физик записал в своих книгах другие эксперименты по изучению движения и, таким образом, выяснению того, как движутся предметы.

Среди них - простой маятник, который состоит из подвешивания массы на легкой веревке и позволяющей ей колебаться, и даже некоторые, в которых он пытался измерить скорость света (безуспешно).

Усеченный маятник

Среди множества экспериментов Галилея был один, в котором он использовал маятник, в который он забил гвоздь в некоторой промежуточной точке между началом движения и самым нижним положением.

Этим он намеревался усечь маятник, то есть укоротить его. Как только маятник ударяется о гвоздь, он возвращается в исходную точку, что означает, что скорость маятника зависит только от высоты, с которой он был выпущен, а не от массы, которая висела на маятнике.

Этот эксперимент вдохновил его на следующий, один из самых замечательных, проведенных великим физиком и с помощью которого он установил принципы кинематики.

Наклонная плоскость экспериментов

Эксперимент, который привел Галилея к формулированию закона свободного падения, касался наклонной плоскости, по которой он позволял свинцовым сферам катиться с разной высоты и с разным наклоном. Он также попытался поднять сферы вверх и измерить высоту, которую они достигли.

Таким образом, он показал, что все тела падают с одинаковым ускорением, пока не вмешивается трение. Это идеальная ситуация, поскольку трение никогда полностью не исчезает. Однако наклонная плоскость из полированного дерева - хорошее приближение.

Почему Галилей решил использовать наклонный самолет, если хотел увидеть, как падают тела?

Этапы эксперимента

-Он взял рубанок из полированного дерева длиной около 7 м, который он заказал у плотника, и поместил его под определенным углом наклона, не очень большим.

Он позволил сфере скатиться с горы на определенном расстоянии.

-Он измерил время в пути.

Он повторил вышесказанное с возрастающими наклонностями.

Наблюдения Галилея

Галилей заметил, что независимо от угла наклона:

-Скорость шара увеличивалась с постоянной скоростью -Ускорение-.

- Пройденное расстояние было пропорционально квадрату затраченного времени.

И он пришел к выводу, что это было бы верно, если бы пандус был вертикальным, что, безусловно, равносильно свободному падению.

Формула

Если d - расстояние, а t - время, наблюдение Галилея в математической форме можно резюмировать следующим образом:

Сегодня мы знаем, что коэффициент пропорциональности, необходимый для установления равенства, равен ½ g, где g - значение ускорения свободного падения, чтобы получить:

Принятое сегодня значение g составляет 9,81 м / с. 2 .

Две наклонные плоскости, обращенные друг к другу

Галилей не только позволил сферам скатиться по плоскости, он также столкнулся с двумя наклонными плоскостями, чтобы увидеть, насколько высоко сфера может скользить.

И он обнаружил, что сфере удалось подняться на ту же высоту, с которой она начиналась. Затем угол наклона второй плоскости уменьшали, как показано на рисунке ниже, до тех пор, пока она не стала полностью горизонтальной.

Во всех случаях сфера достигала высоты, аналогичной начальной. А когда вторая плоскость стала горизонтальной, сфера могла двигаться бесконечно, если только трение не замедлило ее понемногу.

Вклад экспериментов Галилея

Галилей считается вместе с Исааком Ньютоном отцом физики. Вот некоторые из вкладов его экспериментов в науку:

- Концепция ускорения, фундаментальная в изучении кинематики тел, таким образом, Галилей заложил основы ускоренного движения, а вместе с ним и основы механики, которые Исаак Ньютон позже усилил своими тремя законами.

-Он также подчеркнул важность силы трения, силы, которую Аристотель никогда не рассматривал.

-Галилей показал, что непрерывное действие силы не требуется для поддержания движения тела, так как при отсутствии трения сфера продолжает бесконечно двигаться по поверхности плоскости.

Земля, как и любое физическое тело, обладает гравитационным полем, искривляющим пространство-время. Наблюдая проявления закона всемирного тяготения, люди выяснили, что скорость предмета, падающего на поверхность планеты, постоянно возрастает. Таким образом был открыт закон и рассчитано ускорение свободного падения.

История открытия

Учёные Древней Греции разделяли любое движение на два типа: естественное и принудительное. Перемещение тела под воздействием гравитации считалось естественным, так как не имело видимой причины и происходило само собой.

Аристотель считал, что скорость падения напрямую зависит от массы. Это ошибочное утверждение родилось в результате примитивных наблюдений. Философ приводил в пример движение к земле яблок и листьев. Очевидно, что последние летели гораздо медленнее. Исследователи тех времён ещё очень мало понимали в физике. Такие понятия, как сопротивление воздуха и ускорение были неизвестны.

Утверждения Аристотеля считались неоспоримым постулатом вплоть до начала XVII века. Галилео Галлилей решительно отверг древнюю классификацию движения. В результате проведения нескольких опытов с движением тела по наклонной плоскости, учёный ввёл понятие ускорения.

Определение ускорения свободного падения в физике

Основное внимание Галлилей уделял изучению процесса свободного падения. Самым знаменитым стал эксперимент, проведённый на Пизанской башне.

С сооружения высотой 60-м были одновременно сброшены два предмета:

маленький металлический шарик весом в пол фунта;
большая круглая бомба, весившая 100 фунтов.

Результат был просто ошеломляющим. Оба тела достигли земли практически одновременно, а небольшая разница была объяснена силой сопротивления воздушной среды. Надо заметить, что наука тех лет существенно отличалась от сегодняшней. Считалось, что воздух не мешает падению, а, напротив, увеличивает его скорость.

Ещё одним заблуждением того времени было утверждение о том, что любое движение со временем прекращается, даже если на его пути нет преград. Галлилей опроверг и этот ошибочный закон физики, введя определение инерции.

В XVI веке ещё не существовало точных хронометров. Из-за этого ускорение падения тел с Пизанской башни было рассчитано довольно грубо. Для более точного измерения учёный изучал равноускоренное движение шарика по наклонной плоскости. А более или менее правильное значение ускорения сумел вычислить Гюйгенс в 1660 г.

Физическая сущность

Свободным падением может называться равноускоренное движение тела в результате действующей на него силы тяжести, происходящее в вакууме. Атмосфера Земли способна тормозить ускорение и замедлять падающие предметы. Однако, если величина сопротивления воздуха небольшая, ей можно пренебречь. К примеру, в опыте Галилея на башне в Пизе использовались шарообразные предметы, обладающие аэродинамичной формой. В результате этого коэффициент торможения удалось свести к минимуму.

Ускорение у поверхности Земли не зависит от массы предмета — это постоянная величина, обозначающаяся латинской буквой g и составляющая 9,80665 м/с.^2. Из-за воздействия центробежных сил на экваторе его значение немного меньше, а на полюсах, соответственно, больше.

Величина ускорения свободного падения зависит от нескольких факторов:

географических координат, точнее, широты;
расстояния до поверхности планеты;
времени суток;
геомагнитных аномалий.

Вектор свободного падения всегда направлен вниз. Это можно наглядно увидеть, подбросив какой-либо предмет. Благодаря воздействию ускорения, его движение будет постепенно замедляться. Затем оно полностью остановится и направится в обратную сторону.

Формулы для расчёта

Галилей понимал, что исследование падения тел с Пизанской башни является несовершенным. Был поставлен новый эксперимент, в котором учёному удалось увеличить время движения и уменьшить сопротивление воздуха. Отполированные латунные шарики скатывались по желобам, расположенным под определённым углом наклона. В результате были выведен физический закон, согласно которому все падающие тела движутся с одинаковой, постоянно увеличивающейся скоростью.

Формула для нахождения: g=G (M/R ^ 2), где:

G — гравитационная постоянная;
M — масса планеты;
R — радиус планеты.

При помощи этой зависимости можно рассчитать значение g на поверхности любой планеты во вселенной.

Существуют задачи, для решения которых необходим более точный расчёт. В таком случае используется другая, расширенная формула: g=G (M/(R2+h)), где h — это высота над поверхностью планеты.

Стоит помнить, что для максимальной точности расчётов придётся учитывать большое количество факторов. Ускорение может измеряться при помощи специального прибора — гравиметра.

Ускорение на других планетах

Как видно из формулы, гравитационное ускорение напрямую зависит от массы и радиуса планеты. Из этого следует, что значение g на других планетах будет отличаться от земного.

Таблица показателя ускорения g для основных объектов Солнечной системы.

Наименование	Ускорение, м/с. 2
Солнце	274,01
Венера	8,87
Земля	9,81
Марс	3,72
Юпитер	25,8
Сатурн	11,54
Уран	9,04
Меркурий	3,73
Нептун	11,33
Луна	1,69

Солнце является самым большим объектом в солнечной системе, его масса почти в 300 тыс. раз больше земной. Но как можно заметить из таблицы, ускорение на поверхности звезды превышает земное всего в 28 раз. Это объясняется огромным радиусом светила.

Во вселенной существуют очень компактные объекты с невероятной плотностью и чудовищным притяжением. Если взять среднюю нейтронную звезду с радиусом 13 км и массой 2,5*10 30 кг, то ускорение на её поверхности превысит земное в 100 млрд раз и составит довольно внушительное число — 9,87*10^11м/с. 2

Воздействие перегрузок на человека

Благодаря научно-техническому прогрессу и стремительному развитию технологий, современный человек имеет возможность пользоваться довольно быстрыми средствами передвижения. Чтобы попасть в любую точку планеты на самолёте, потребуется не более суток. Быстрая скорость передвижения неминуемо связана с таким понятием, как перегрузка.

Любая перегрузка являет собой отношение двух ускорений:

негравитационного;
свободного падения.

За единицу измерения принято брать гравитационное ускорение на Земле — 9,80665 м/с². Таким образом, нулевую перегрузку можно ощутить на себе лишь в невесомости.

Перегрузка является векторной величиной. Для людей и других живых организмов огромное значение имеет её направление. Это связано с тем, что организм приспособлен к постоянному воздействию гравитационного ускорения.

Характер положительной перегрузки заключается в том, что её вектор направлен вниз — от головы к ногам. Кровь оттекает от мозга и при показателе более 10 g человек может потерять сознание за считаные секунды. При отрицательном значении кровь, напротив, бьёт в голову. Это переносится гораздо хуже и может привести к кровоизлиянию и смерти.

Показатель перегрузки для различных ситуаций:

Военным и спортивным лётчикам приходится постоянно испытывать большие перегрузки. Для уменьшения вредного воздействия на организм существуют специальные защитные костюмы.

Переносить перегрузку лучше всего лёжа на спине. Именно в таком положении находятся космонавты при взлёте ракет.

В механике рассматривают три вида сил: гравитационные силы, силы трения и силы упругости. Две последние разновидности (силы трения и силы упругости) определяются тем, как взаимодействуют между собой атомы и молекулы вещества. Происхождение этих сил является электромагнитным.

На сегодняшний день достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

гравитационного,
электромагнитного,
сильного и слабого.

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено. Сильное и слабое взаимодействия участвуют в процессах, происходящих в ядрах атомов, и в механике не встречаются. Гравитационное взаимодействие обуславливает силу тяжести, все же остальные силы в механике (упругости, трения и др.) имеют электромагнитную природу.

Свободным падением тел называют движение, которое совершается под действием только силы тяжести.

Сила тяжести – это сила, которая определяет взаимодействие тела вблизи поверхности Земли непосредственно с самой Землей. Говоря о силе тяжести, необходимо вспомнить, что по второму закону Ньютона сила определяется как произведение массы тела на ускорение.

Обратите внимание, что ускорение свободного падения приблизительно равно .

Исходя из этого, сила тяжести будет равна:

Впервые величину ускорения свободного падения определил итальянский ученый Галилео Галилей

Он запускал по наклонной плоскости мушкетную пулю и определял ускорение, с которым эта пуля движется. Когда угол наклона увеличивался, то возрастало и ускорение

Проведя огромное количество экспериментов, Галилей пришел к выводу, что есть предельное ускорение, с которым может двигаться тело. Ускорение будет максимальным, если наклонная плоскость будет располагаться вертикально, то есть угол наклона будет составлять 90 ° , а это как раз свободное падение тела. В результате таких опытов он вычислил величину такого предельного ускорения

До Галилея главенствовала теория Аристотеля, который утверждал следующее: быстрее падает то тело, у которого больше масса, т. к. все тела стремятся воссоединиться с Землей тем сильнее, чем больше их масса.

Рассуждение Галилея о свободном падении

Галилео Галилей первым показал, что время падения тела на Землю не зависит от его массы, а определяется лишь характеристиками самой Земли.

Представим себе, что у нас есть тело массой m . Мы отпускаем его в поле силы тяжести Земли, и оно начинает свободно падать, проходя за время t расстояние s . Разделим это тело на две половинки, каждая массой по m/2 . Если время падения зависит от массы, то они должны падать медленнее. Но почему они падают медленнее, если, когда они составляли одно целое, они проходили расстояние s за время t ? Может быть одна половина мешает другой? Но как? Ведь они одинаковой массы. В итоге мы приходим к противоречию, а это значит, что допущение о том, что скорость падения зависит от массы тела, несправедлива.

Галилео принадлежит еще одно рассуждение на эту тему. Мы имеем два куска пластилина. Один массой 3 кг, а другой – 2 кг. Каждый из них падает за какое-то время. Слепим кусок пластилина массой 5 кг и отпустим его. Если время зависит от массы, к какому выводу мы придем?

Почему же так долго не могли смириться с тем, что разные тела все-таки иногда падают за разное время? Например, лист бумаги и свинцовая дробинка падают за разное время

Все дело в том, что не учитывалось сопротивление воздуха. Именно сопротивление воздуха регламентирует тот факт, что лист бумаги будет падать дольше, чем свинцовая дробинка.

Влияние сопротивления воздуха на время падения

Таким образом, приходим к корректному определению свободного падения. Свободным падением называют движение тела только под действием силы тяжести. Конечно, не всегда можно пренебречь сопротивлением воздуха, например для парашютиста.

Список литературы

Лебедев В.И. Исторические опыты по физике. – М.: КомКнига, 2007.

Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. – М.: Просвещение.

Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.

Галилей Галилей и его исследования по свободному падению стали одним из важнейших экспериментов в мире физики.

Галилей не один, а несколько экспериментов, чтобы показать, что два тела в свободном падении, независимо от их веса, будут преодолевать расстояние одновременно.

Хотя теории о свободном падении уже упоминались в исследованиях Аристотеля, Галилей Галилей вернулся к работе с несколькими экспериментами.

Наконец ему удалось закончить, отвергнув теорию, что более тяжелые тела будут падать быстрее, чем более легкие..

Галилео Галилей

Галилео Галилей был итальянским физиком, астрономом, математиком и инженером, родился 15 февраля 1564 года в Тоскане..

Он известен во всем мире как отец астрономии и современной физики благодаря исследованиям и экспериментам, проведенным на протяжении всей его жизни. Он умер 8 января 1642 года в Тоскане.

Открытия: телескоп и свободное падение

Благодаря своему уникальному интеллекту и любопытству, в 1609 году Галилео Галилей представил инструмент, известный сегодня как первый телескоп.

Тот же был своего рода высотный бинокль, с помощью которого он смог обнаружить горы, лунные кратеры и даже смог обнаружить, что Млечный путь был окружен звездами.

С другой стороны, Галилей был одним из пионеров физических испытаний в мире. Благодаря эксперименту, который он провел в Пизанской башне, он обнаружил, что тела в свободном падении преодолевают расстояние в одно и то же время, независимо от того, какой вес у каждого из них..

Свободное падение

Свободное падение - это движение тела, в котором нет сопротивления или силы гравитации..

В этом типе движения вмешиваются различные факторы, такие как форма тела или средства, которыми оно движется..

Теория Аристотеля

Теория свободного падения Аристотеля показала, что более тяжелые тела будут падать быстрее, чем более легкие..

Проблема этой теории заключается в том, что она не учитывает факторы сопротивления, которые могут существовать в среде смещения, например, в воздухе, и поэтому не является точной.

Теория Галилея Галилея

Галилей. Теория Галилея отвергла Аристотеля, поскольку в нем говорилось, что при отсутствии таких факторов сопротивления, как воздух, все тела весят одинаково и, следовательно, преодолевают расстояние падения одновременно.

Галилей смог продемонстрировать эту теорию, несмотря на отсутствие необходимых инструментов для создания вакуума путем вычитания воздуха. Этот инструмент был создан через несколько лет после его смерти, примерно в 1650 году..

Один из самых известных экспериментов с этой теорией был эксперимент двух сфер в наклонной плоскости.

В этом эксперименте Галилей использовал две сферы разного веса и заметил, что в наклонных плоскостях поведение одного и того же не сильно отличается.

Благодаря использованию этих самолетов он смог более точно рассчитать во время эксперимента.

Читайте также: