自由落體

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

自由落体运动是指只受重力作用(不存在空气阻力的理想状态)的均匀加速度运动过程。[1]

运动过程中重力势能与动能之和遵守机械能守恒定律,在地球上相同位置与相同高度,自由落体的加速度相同(均为g,与质量无关。)

历史探究[编辑]

对自由落体最先研究的是古希腊的科学家亚里斯多德,他提出:物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的,物体越重,下落得越快;反之,则下落得越慢。亚里斯多德的理论影响了其后两千多年的人。直到物理学家伽利略在提出了相反的意见。伽利略在1636年的《两种新科学的对话》中写道:如果依照亚里士多德的理论,假设有两块石头,大的重量为8,小的为4,则大的下落速度为8,小的下落速度为4,当两块石头被绑在一起的时候,下落快的会因为慢的而被拖慢。所以整个体系和下落速度在4-8之间。但是,两块绑在一起的石头的整体重量为12,下落速度也就应该大于8,这就陷入了一个自相矛盾的境界。伽利略由此推断物体下落的速度应该不是由其重量决定的。他在书中设想,自由落体运动的速度是匀速变化的。

实验验证[编辑]

传说伽利略比萨斜塔上做自由落体实验

传说1590年伽利略曾在比萨斜塔上做自由落体实验,将两个重量不同的球体从相同的高度同时扔下,结果两个铅球同时落地,伽利略在比萨斜塔做自由落体实验的故事,记载在他的学生维维安尼(Vincenzo Viviani,1622年-1703年)在1654年写的《伽利略生平的历史故事》(1717年出版)一书中,但伽利略、比萨大学和同時代的其他人都沒有關於這次實驗的的記載[2]。对于伽利略是否在比萨斜塔做过自由落体实验,歷史上一直存在著支持和反对兩種不同的看法[3][4]

自由落体各物理量关系[编辑]

基于(物体位于靠近地球表面)重力是个常数的假设下牛顿的重力定律是F等于m与g的乘积。即重力是与物体的质量成正比F=mg。重力加速度以g表示一个常数。它是矢量,平均值为9.81单位是m/s^2。除g以外,也可以a表示,取其地心加速度意思,即F=ma。这个加速度是由于物体受到了重力产生的。物体的最初状态是静止的,物体下落中假定除了重力外不受其它力的作用。它下落的路程的长度与经过的时间平方成正比。

自由下落物体在下落的最初位置,即最大高度,具备有重力势能。用下标为P的大写字母E来表示Ep。它的数值是物体的重力与高度的乘积Ep=mgh。这个表达式只在物体距离地球表面高度很小才有效。在下落的过程中,物体无论在那个高度也不论是否同时具有速度,都具有重力势能,其数值同样也是Ep=mgh。如果物体在下落过程中不受其它力的作用,可以忽略空气阻力的时候,其总能量遵守机械能量守恒定则,即重力势能和动能的总和守恒。我们常常用机械能守恒定则来计算,物体可能达到的最大高度,和落到地面瞬间的最大速度。

如果下落时间为t,瞬时速度为vt,位移为Xg为重力加速度,则有以下关系:

  • v_t=g\times{t}
  • X=\frac{1}{2}gt^2
  • X=\frac{v_t^2}{2g}

参见加速度重力加速度

典型例子[编辑]

跳傘過程中的自由落體階段

與上面自由落體相反地,以下情形是有其他力量同時在作用,包括了:

  • 站在地上,坐在地面上一把椅子上等等(重量被地面的支持力所平衡);
  • 搭乘飛機(重量被機翼提供的升力所平衡);
  • 重返大氣層以及降落傘著陸(重量被反向的空氣阻力所對抗);
  • 太空航行器的軌道動作(此時火箭提供推力)。

外部連結[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ 中国社会科学院语言研究所词典编辑室. 现代汉语词典(第五版). 北京: 北京新华印刷厂. 2005年8月: 1809. ISBN 7-100-04385-9/H·1100 请检查|isbn=值 (帮助). 
  2. ^ 馬文蔚等編:“物理發展史上的里程碑”。凡異出版社,ISBN 957-694-185-7
  3. ^ http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/SciKnow/PhyStory/Galileo/PisaTower.htm
  4. ^ 比萨斜塔