К содержанию

Свободное падение

Время падения, высота и скорость удара — а ещё бросок вертикально вверх. Значение g выбирается: задачники обычно просят брать 10.

Калькулятор

УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ

Задачники обычно просят брать 10 — с точным значением ответ из учебника не сойдётся

Сопротивление воздуха не учитывается

Как это считается

Свободное падение — движение с постоянным ускорением g, начатое из состояния покоя. Отсюда три формулы, связывающие высоту, время и скорость.

h=gt22v=gtv=2gh

Массы в них нет. Это не упрощение и не округление: тяжёлое и лёгкое тело падают одинаково, и в этом было содержание опыта Галилея. Разницу, которую видно в жизни, создаёт воздух — а его модель не учитывает.

Высота и скорость растут по-разному, и путать их формулы — главная ошибка темы. Скорость прибавляется равномерно, по g каждую секунду. Высота зависит от квадрата времени, поэтому за вторую секунду тело пролетает втрое больше, чем за первую.

Падение по секундам

При g = 10 м/с². Правый столбец — путь за очередную секунду, и он растёт.

ВРЕМЯ ВЫСОТА СКОРОСТЬ ЗА ЭТУ СЕКУНДУ
1 с 5 м 10 м/с 5 м
2 с 20 м 20 м/с 15 м
3 с 45 м 30 м/с 25 м
4 с 80 м 40 м/с 35 м

Примеры расчёта

Падение с высоты пятиэтажного дома

тело падает с высоты 20 м без начальной скорости, g = 10 м/с²

  1. Выражаем время из формулы высоты

    h=gt22    t=2hg

    Высота зависит от квадрата времени, поэтому время извлекается корнем. Прямой пропорции здесь нет и быть не может.

  2. Считаем время

    t=22010=4=2 с

    Масса не участвует. Это и есть содержание опыта Галилея: в отсутствие воздуха все тела падают одинаково.

  3. Находим скорость удара

    v=gt=102=20 м/с=72 км/ч

    Двадцать метров — это пятый этаж, и скорость получается автомобильная. Перевод в километры в час здесь нужен именно для этого ощущения.

Если взять точное g = 9,8, время выйдет 2,02 с — почти то же. Расхождение с учебником обычно берётся не отсюда, а из потерянной двойки в формуле.

Мяч бросили вертикально вверх

начальная скорость 20 м/с, g = 10 м/с²

  1. Считаем время подъёма

    t=v0g=2010=2 с

    В верхней точке скорость равна нулю, а тяготение гасит её равномерно. Значит, время подъёма — это начальная скорость, делённая на ускорение.

  2. Находим максимальную высоту

    h=v022g=40020=20 м

    Высота зависит от квадрата скорости: бросок вдвое сильнее поднимет мяч не вдвое, а вчетверо выше.

  3. Полное время полёта

    T=2t=4 с

    Спуск занимает столько же, сколько подъём, и мяч возвращается со скоростью 20 м/с — той же по модулю. Движение симметрично во времени.

В верхней точке скорость нулевая, а ускорение — нет: оно так и остаётся равным g и направлено вниз. Считать, что там «ничего не действует», — типичная ошибка.

Вопросы

Зависит ли падение от массы?

В формулах массы нет вовсе. Тяжёлое и лёгкое тело падают одинаково — это и проверял Галилей. Разницу в опыте создаёт воздух, а не вес: лист бумаги, смятый в комок, падает заметно быстрее развёрнутого при той же массе.

Брать g равным 10 или 9,8?

Как сказано в условии. Задачники почти всегда просят 10 — тогда числа получаются круглыми. С точным 9,8 ответ отличается примерно на 2 %, и с учебником он не сойдётся. Калькулятор считает при любом из двух.

Почему за вторую секунду тело пролетает больше, чем за первую?

Потому что высота растёт как квадрат времени. За первую секунду — 5 метров, за вторую — уже 15, за третью — 25. Скорость при этом растёт равномерно, по 10 м/с каждую секунду.

Чему равно ускорение в верхней точке броска?

Тому же g, направленному вниз. Нулевой там становится скорость, а не ускорение: тяготение не выключается. Именно поэтому тело в верхней точке не зависает, а сразу начинает падать.

Учитывается ли сопротивление воздуха?

Нет, и школьная модель без него. Для компактных тел на небольших высотах это разумно, но у парашютиста через несколько секунд наступает равновесие сил и скорость перестаёт расти — там формулы уже не работают.

Как считать, если тело бросили вниз с начальной скоростью?

Это уже равноускоренное движение с ненулевой начальной скоростью: h = v₀t + gt²/2. Свободным падением называют случай, когда тело просто отпустили, то есть v₀ = 0.

Ускорение свободного падения одинаково по всей Земле?

Почти, но не совсем: на полюсах g ≈ 9,832 м/с², на экваторе — 9,780 м/с². Земля чуть сплюснута, и радиус на экваторе больше, чем у полюсов, а вращение планеты добавляет небольшую поправку, которая тоже сильнее всего на экваторе. Задачники сглаживают эту разницу до единого 9,8 или 10.

Похожие калькуляторы

обновлено

Источники: свободное падение и движение под действием силы тяжести в объёме школьного курса физики 9–10 классов · расчёт идёт в браузере, формулы покрыты автоматическими тестами. Сопротивление воздуха не учитывается.

Нашёл неточность — напиши через форму, поправим.