سقوط آزاد چیست؟
سقوط آزاد از لحاظ اصطلاحی به ورزشی گفته می شود که چتربازان از ارتفاع چند هزار متری سطح زمین از هواپیما پرش انجام می دهند، بعد از طی مسافتی چتر های خود را باز می کنند و روی زمین فرود می آیند. اما این لغت از لحاظ علمی معنای خاص خود را دارد.
وقتی یک تکه سنگ را بدون سرعت اولیه از لب پنجره رها می کنیم تا به زمین برسد، حرکت سقوط آزاد اتفاق افتاده. البته در شرایطی که فقط نیروی جاذبه زمین را مد نظر قرار دهیم و از اصطکاکی که با هوا ایجاد میشود چشم پوشی کنیم.
در دنیای واقعی اصطکاک همیشه تاثیر خود را اعمال می کند. برای مثال اگر یک کاغذ را از پنجره رها کنیم و زمان رسیدن آن به زمین را محاسبه کنیم و دوباره همان کاغذ را مچاله کنیم و سپس رها کنیم، خواهیم دید که کاغذ مچاله زودتر به زمین می رسد و دلیل آن کمتر شدن اثر مقاومت هواست. حالا اگه کاغذ را با دستگاه پرس مچاله کنیم تا به اندازه تکه سنگی فشرده شود و آن را رها کنیم در زمان بسیار کمتری به زمین خواهد رسید.
این دقیقا برعکس کاری است که چتر بازان با کاناپی چتر و لباس های بالدار خود برای بیشتر شدن نیروی مقاومت هوا و کمتر شدن سرعت حدی انجام می دهند.
نظریه گالیله
ذهن اکثر انسان ها بر این باور است که اجسام با جرم بیشتر سریع تر به زمین می رسند، این فکر همان چیزی بود که ارسطو در سر داشت. اما گالیله اولین دانشمندی بود که با آزمایش های خود این فرضیه را رد کرد و ادعا کرد اجسام بدون در نظر گرفتن جرمشان با هم سقوط می کنند. گالیله برای اثبات نظرش آزمایشهای زیادی انجام داد و اشیاء متفاوتی را از برج کج پیزا رها کرد و مدت سقوط آنها را اندازه گرفت. او نتایج این آزمایشها را به شرح زیر بیان کرد:
- الف- سقوط آزاد یک حرکت با شتاب ثابت است.
- ب- سقوط آزاد تمام اجسام با شتاب ثابتی انجام می شود.
- پ- شتاب سقوط آزاد در نقاط مختلف کره زمین کمی متفاوت است. و این اختلاف اندک از ۰٫۶ درصد تجاوز نمی کند و در آزمایشهایی که اندازه گیری های بسیار دقیق مد نظر نیست، از این مقدار اختلاف صرف نظر می شود. و بطور متوسط مقدار g را می توان ۹٫۸ در نظر گرفت. (شتاب سقوط آزاد در نقاط مختلف از ۹٫۷۸۷ تا ۹٫۸۰۸ در تغییر است)
متداولترین حرکت با شتاب ثابت حرکت جسمی است که آزادانه سقوط می کند. با اندازه گیری سرعت جسم در زمان های متفاوت مشخص می شود که سرعت آن در هر ثانیه به اندازه ۹٫۸ متر بر ثانیه افزایش پیدا می کند. به عبارت دیگر به این نتیجه می رسیم که در سقوط آزاد شتاب ثابت حرکت ۹٫۸ متر بر مجذور ثانیه است. شتابی که از آن سخن می گوییم شتاب سقوط اجسامی است که جز نیروی گرانش زمین نیروی دیگری بر آنها وارد نمی شود.
چرا اجسام سبک و سنگین هر دو با یک سرعت سقوط می کنند؟
اجازه بدید این مورد را به زبان ساده بیان کنیم: اگر یک تکه خمیر ۱ کیلویی و یک تکه خمیر ۲ کیلویی را با هم از ارتفاعی رها کنیم به نظر می رسد که باید تکه ۲ کیلویی سریع تر به زمین برسد، در حالیکه اینطور نیست. برای آشکار شدن مسئله خمیر ۲ کیلویی را از وسط نصف می کنیم. حالا یک تکه یک کیلویی و ۲ تکه یک کیلویی داریم. خب حالا آیا باید دو تکه یک کیلویی دیرتر به زمین برسد؟ قطعاً خیر!
در واقع خمیر ۲ کیلویی همان دوتکه خمیر یک کیلویی هست که به هم چسبیده پس سرعت سقوط خمیر های یک کیلویی با هم برابر هست، چه یک تکه ، چه ده تکه!
بیان علمی
حالا این موضوع را کمی علمی تر توضیح می دهیم: از لحظ علمی نیرویی که به جرم ۲ کیلوگرمی وارد میشود ۲ برابر نیرویی است که به جرم یک کیلویی وارد می شود. فرض کنید این نیرو برای جرم ۱ کیلویی تقریبا ۱۰ نیوتن باشد. در نتیجه برای جرم ۲ کیلویی ۲۰ نیوتن می باشد و این در حالی است که در هر دو مورد در ازای هر کیلوگرم از وزن جسم ۱۰ نیوتن نیرو داریم. بنابراین نیروی وارد شده بر واحد جرم در هر دو مورد برابر و در نتیجه شتاب ایجاد شده توسط این نیرو در هر دو مورد برابر می باشد، چون برای هر دو ۱۰ نیوتن نیرو به ۱ کیلوگرم ماده وارد می شود و وقتی شتاب برابر باشد ، میزان تغییر سرعت هم برابر شده و هر دو با هم به زمین میرسند.
اگه جسم بزرگتر ۱۰۰ کیلو هم باشد باز همینطور بوده و ۱۰۰۰ نیوتن نیرو بر آن وارد شده که باز هم می شود ۱۰ نیوتن در ازای هر ۱ کیلوگرم از وزن ماده. پس چتربازان با وزن های متفاوت پس از پرش گروهی، همه با هم به صورت هماهنگ به سمت زمین سقوط می کنند. مگر اینکه بر اثر جثه، لباس ها و استایل و نوع قرارگیری فرم بدن خود میزان مقاومت هوا با بدن خود را تغییر دهند.
خدا پدر نیوتن رو بیامرزه. سه قرن پیش این قانون رو کشف کرد که هیچ؛ فرمولش رو هم نوشت. V=gt+v0
این مساله که بیان فرمودید از دیدگاه نیوتن است. از دیدگاه نظریه نسبیت اینشتین ، هیچ نیرویی بنام جاذبه به اجسام در حالت سقوط وارد نمیشود.
بلکه این خمیدگی بافت فضا توسط زمینه که اجسام رو بطرف خودش میکشه
کاغذ زودتر به زمین میرسه یا مداد
خیلی خوب توضیح دادین
کاملا مفید و عالی
من کیف کردم
در محیط خلا چی؟؟ در اونجا اگر کاغذ و سنگ از ارتفاعی رها بشوند کدام زودتر به سطح میرسد؟؟
با هم میرسند دیگه.
سلام
درمورد این سوال چکونه عمل میکنه؟
گلوله هایی از جنس های مختلف آهنی پلاستیکی و چوبی در اختیار داریم می خواهیم بدانیم کدام یک از گلوله ها از بالای سطح شیب دار زودتر به سطح زمین می رسد.
با توجه به اصل پایستگی انرژی در صورتی که از اصطحکاک صرف نظر کنیم هر چه جسم پایین تر میاد انرژی پتانسیل اون کاهش یافته و به انرژی جنبشی تبدیل میشه پس سرعتش هر لحظه زیاد می شه.
سلام و درود
آقا آخر من نفهمیدم..اگه جسمیو از بالای برجی چیزی ول کنی بیاد پایین…سرعتش به مرور زیاد میشه؟یا از اول تا لحظه ی برخورد به زمین ثابته؟ مثلا ۳۰۰متر ارتفاع رو چند ثانیه طی میکنه؟
سرعتش به مرور زیاد میشه تا اینکه به سرعت حدی برسه، وقتی به سرعت حدی برسه، در ادامه با همون سرعت ثابت به مسیرش ادامه خواهد داد.
سرعت تا اخر زیاد میشه فقط شتاب اش تا زمانی که با مقاومت هوا برابر بشه زیاد میشه بعد برابری شتاب ثابت میشه ولی سرعت همچنان افزایش پیدا میکنه
در بحث کوانتومی بحث اینرسی گرانشی مطرح است به خاطر رها کردن ذره فرضی گراویتون که حامل امواج گرانشی است در ارتعاشات خاصی از ریسمان. هر جسمی با هر وزنی در مقابل یک جسم سبکتر البته در محیط خلاء امواجی به یک صورت را دریافت می کنند به خاطر این است که در سقوط آزاد خلاء یک گر و یک گلوله آهنی با هم سطح می رسند.
عالی بود