Free Fall - The Hypertextbook of Physics

Discuţie

accelerația datorată gravitației

Vrei să vezi cum un obiect accelerează?

Ridică ceva cu mâna și dă-l jos. Când îl eliberați din mână, viteza acestuia este zero. La coborâre viteza sa crește. Cu cât cade mai mult, cu atât se deplasează mai repede. Mi se pare o accelerare.
Dar accelerația este mai mult decât creșterea vitezei. Ridicați același obiect și aruncați-l vertical în aer. La urcare, viteza sa va scădea până când se oprește și inversează direcția. Scăderea vitezei este, de asemenea, considerată accelerare.
Dar accelerația este mai mult decât schimbarea vitezei. Ridică-ți obiectul bătut și lansează-l pentru ultima dată. De data aceasta aruncați-l orizontal și observați cum viteza sa orizontală devine treptat din ce în ce mai verticală. Deoarece accelerația este rata de schimbare a vitezei cu timpul și viteza este o mărime vectorială, această schimbare de direcție este, de asemenea, considerată accelerare.

În fiecare dintre aceste exemple, accelerația a fost rezultatul gravitației. Obiectul tău accelerează, deoarece gravitația îl trăgea în jos. Chiar și obiectul aruncat drept în sus cade - și începe să cadă în momentul în care îți părăsește mâna. Dacă nu ar fi fost, ar fi continuat să se îndepărteze de tine în linie dreaptă. Acesta este .

Care sunt factorii care afectează această accelerație din cauza gravitației? Dacă ar fi să întrebi acest lucru unei persoane obișnuite, cel mai probabil ar spune „greutate” prin care înseamnă de fapt „masă” (mai multe despre aceasta mai târziu). Adică, obiectele grele cad repede, iar obiectele ușoare cad lent. Deși acest lucru poate părea adevărat la prima inspecție, nu răspunde la întrebarea mea inițială. "Care sunt factorii care afectează accelerația datorată gravitației?" Masa nu afectează în niciun mod măsurabil accelerația datorată gravitației. Cele două cantități sunt independente una de cealaltă. Obiectele ușoare accelerează mai încet decât obiectele grele numai atunci când sunt și alte forțe decât gravitația. Când se întâmplă acest lucru, un obiect poate cădea, dar nu este în cădere liberă. apare ori de câte ori un obiect este acționat numai de gravitație.

Încercați acest experiment.

Obțineți o bucată de hârtie și un creion. Țineți-le la aceeași înălțime deasupra unei suprafețe plane și aruncați-le simultan. Accelerația creionului este semnificativ mai mare decât accelerația bucății de hârtie, care flutură și se îndreaptă pe drum în jos.

Altceva se împiedică aici - și acest lucru este rezistența la aer (cunoscută și sub numele de rezistență aerodinamică). Dacă am putea cumva să reducem această rezistență, am avea un experiment real. Nici o problemă.

Repetați experimentul, dar înainte de a începe, bagați bucata de hârtie în cea mai strânsă bilă posibilă. Acum, când hârtia și creionul sunt eliberate, ar trebui să fie evident că accelerațiile lor sunt identice (sau cel puțin mai similare decât înainte).

Ne apropiem de esența acestei probleme. Dacă doar cumva am putea elimina cu totul rezistența aerului. Singura modalitate de a face acest lucru este să aruncați obiectele în vid. Este posibil să faceți acest lucru în clasă cu o pompă de vid și o coloană de aer sigilată. În astfel de condiții, se poate demonstra că o monedă și o pană accelerează în același ritm. (Pe vremuri, în Marea Britanie, se folosea o monedă numită guinee și, prin urmare, această demonstrație este uneori numită „guinea și pană”.) O demonstrație mai dramatică se făcea pe suprafața lunii - care este la fel de aproape de o adevărat vid, deoarece oamenii vor experimenta în curând. Astronautul David Scott a lansat un ciocan de piatră și o pană de șoim în același timp în timpul misiunii lunare Apollo 15 din 1971. În conformitate cu teoria pe care urmează să o prezint, cele două obiecte au aterizat simultan (sau aproape) pe suprafața lunară. Doar un obiect în cădere liberă va experimenta o accelerație pură datorită gravitației.

turnul înclinat din Pisa

Să sărim puțin înapoi în timp. În lumea occidentală anterioară secolului al XVI-lea, s-a presupus în general că accelerația unui corp în cădere ar fi proporțională cu masa acestuia - adică se aștepta ca un obiect de 10 kg să accelereze de zece ori mai repede decât un obiect de 1 kg. Filozoful antic grec Aristotel din Stagira (384-322 î.e.n.) a inclus această regulă în ceea ce a fost probabil prima carte despre mecanică. A fost o lucrare extrem de populară în rândul academicienilor și, de-a lungul secolelor, a dobândit o anumită devotament care se apropia de religios. Abia atunci când savantul italian Galileo Galilei (1564–1642) a venit, cineva a pus la încercare teoriile lui Aristotel. Spre deosebire de toți ceilalți până în acel moment, Galileo a încercat de fapt să-și verifice propriile teorii prin experimentare și observare atentă. Apoi a combinat rezultatele acestor experimente cu analiza matematică într-o metodă care era total nouă la acea vreme, dar acum este în general recunoscută ca modalitate de realizare a științei. Pentru invenția acestei metode, Galileo este în general considerat ca fiind primul om de știință din lume.

Într-o poveste care poate fi apocrifă, Galileo (sau un asistent, mai probabil) a aruncat două obiecte de masă inegală din Turnul înclinat din Pisa. Cu totul contrar învățăturilor lui Aristotel, cele două obiecte au lovit pământul simultan (sau foarte aproape). Având în vedere viteza cu care s-ar produce o astfel de cădere, este îndoielnic faptul că Galileo ar fi putut extrage multe informații din acest experiment. Majoritatea observațiilor sale asupra cadavrelor erau într-adevăr obiecte rotunde care se rostogoleau pe rampe. Acest lucru a încetinit lucrurile suficient de încet până la punctul în care a reușit să măsoare intervalele de timp cu ceasuri de apă și cu propriul puls (cronometre și fotogate care nu au fost încă inventate). Acest lucru l-a repetat „de o sută de ori” până când a obținut „o acuratețe de așa natură încât abaterea dintre două observații nu a depășit niciodată o zecime din pulsul”.

Cu astfel de rezultate, ați crede că universitățile din Europa i-ar fi conferit Galilei cea mai înaltă onoare, dar nu a fost cazul. Profesorii de la acea vreme erau îngroziți de metodele relativ vulgare ale lui Galileo, ajungând chiar să refuze să recunoască ceea ce oricine putea vedea cu ochii lor. Într-o mișcare pe care orice persoană gânditoare ar găsi-o acum ridicolă, metoda lui Galileo de observare controlată a fost considerată inferioară rațiunii pure. Imaginează-ți asta! Aș putea spune că cerul este verde și, atâta timp cât am prezentat un argument mai bun decât oricine altcineva, ar fi acceptat ca fapt contrar observației a aproape oricărei persoane văzute de pe planetă.

Galileo și-a numit metoda „nouă” și a scris o carte numită Discursuri despre două noi științe unde a folosit combinația de observație experimentală și raționament matematic pentru a explica lucruri precum mișcarea unidimensională cu accelerație constantă, accelerația datorată gravitației, comportamentul proiectilelor, viteza luminii, natura infinitului, fizica muzicii și rezistența materialelor. Concluziile sale asupra accelerației datorate gravitației au fost că ...