Ускорение свободного падения

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Сила тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

Закон всемирного тяготения

F — сила тяготения [Н]

M — масса первого тела (часто планеты) [кг]

m — масса второго тела [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.

Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.

Приливы и отливы существуют благодаря закону всемирного тяготения. В этом видео я рассказываю, что общего у приливов и прыщей. 🤓

Ускорение свободного падения

Чтобы математически верно и красиво прийти к ускорению свободного падения, нам необходимо сначала ввести понятие силы тяжести.

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела.

Сила тяжести

F = mg

F — сила тяжести [Н]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, умноженной на ускорение свободного падения, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Также важно понимать, что сила тяжести зависит исключительно от массы и планеты, на которой тело находится. А вес зависит еще и от ускорения, с которым движется тело или опора.

Например, в лифте вес зависит от того, куда и с каким ускорением двигаются его пассажиры. А силе тяжести все равно, куда и что движется — она не зависит от внешних факторов.

На второй взгляд сила тяжести очень похожа на силу тяготения. В обоих случаях мы имеем дело с притяжением — значит, можем сказать, что это одно и то же. Практически.

Мы можем сказать, что это одно и то же, если речь идет о Земле и каком-то предмете, который к этой планете притягивается. Тогда мы можем даже приравнять эти силы и выразить формулу для ускорения свободного падения:

Приравниваем правые части:

Делим на массу левую и правую части:

Это и будет формула ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения для каждой планеты уникально.

Формула ускорения свободного падения

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

M — масса планеты [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

Ускорение свободного падения характеризует то, как быстро увеличивается скорость тела при свободном падении.

Свободное падение — это ускоренное движение тела в безвоздушном пространстве, при котором на тело действует только сила тяжести.

Ускорение свободного падения на разных планетах

Выше мы уже вывели формулу ускорения свободного падения. Давайте попробуем рассчитать ускорение свободного падения на планете Земля.

Для этого нам понадобятся следующие величины:

Подставим значения в формулу:

И кому же верить?

Ниже представлена таблица ускорений свободного падения и других характеристик для планет Солнечной системы, карликовых планет и Солнца.

Небесное тело

Ускорение свободного падения, м/с 2

Диаметр, км

Расстояние до Солнца, миллионы км

Масса, кг

Соотношение с массой Земли

Источник

Учебник. Свободное падение тел

Свободным падением тел называют падение тел на Землю в отсутствие сопротивления воздуха (в пустоте). В конце XVI века знаменитый итальянский ученый Г. Галилей опытным путем с доступной для того времени точностью установил, что в отсутствие сопротивления воздуха все тела падают на Землю равноускоренно, и что в данной точке Земли ускорение всех тел при падении одно и то же. До этого в течение почти двух тысяч лет, начиная с Аристотеля, в науке было принято считать, что тяжелые тела падают на Землю быстрее легких.

Простым примером свободного падения является падение тела с некоторой высоты h без начальной скорости. Свободное падение является прямолинейным движением с постоянным ускорением. Если направить координатную ось OY вертикально вверх, совместив начало координат с поверхностью Земли, то для анализа свободного падения без начальной скорости можно использовать формулу (*) §1.4, положив υ₀ = 0, y₀ = h, a = –g. Обратим внимание на то, что если тело при падении оказалось в точке с координатой y υ = –gt.

Пользуясь этими формулами, можно вычислить время падения тела с данной высоты, скорость падения тела в любой момент после начала падения и в любой точке его траектории и т. д.

Аналогичным образом решается задача о движении тела, брошенного вертикально вверх с некоторой начальной скоростью υ₀. Если ось OY по-прежнему направлена вертикально вверх, а ее начало совмещено с точкой бросания, то в формулах равноускоренного прямолинейного движения следует положить: y₀ = 0, υ₀ > 0, a = –g. Это дает: υ = υ₀ – gt.

Тело возвращается на землю (y = 0) через время 2υ₀ / g, следовательно, время подъема и время падения одинаковы. Во время падения на землю скорость тела равна –υ₀, т. е. тело падает на землю с такой же по модулю скоростью, с какой оно было брошено вверх.

Графики скоростей для различных режимов движения тела с ускорением a = –g

На рис. 1.5.1 представлены графики скоростей для трех случаев движения тела с ускорением a = –g. График I соответствует случаю свободного падения тела без начальной скорости с некоторой высоты h. Падение происходило в течение времени t_п = 1 с. Из формул для свободного падения легко получить: h = 5 м (все числа в этих примерах округлены, ускорение свободного падения принято равным 10 м/с 2 ).

График II – случай движения тела, брошенного вертикально вверх с начальной скоростью υ₀ = 10 м/с. Максимальная высота подъема h = 5 м. Тело возвращается на землю через время t = 2 с.

График III – продолжение графика I. Свободно падающее тело при ударе о землю отскакивает (мячик), и его скорость за очень короткое время меняет знак на противоположный. Дальнейшее движение тела не отличается от случая II.

Задача о свободном падении тел тесно связана с задачей о движении тела, брошенного под некоторым углом к горизонту. Для кинематического описания движения тела удобно одну из осей системы координат (ось OY) направить вертикально вверх, а другую (ось OX) – расположить горизонтально. Тогда движение тела по криволинейной траектории можно представить как сумму двух движений, протекающих независимо друг от друга – движения с ускорением свободного падения вдоль оси OY и равномерного прямолинейного движения вдоль оси OX. На рис. 1.5.2 изображен вектор начальной скорости υ → 0 тела и его проекции на координатные оси.

Движение тела, брошенного под углом α к горизонту. Разложение вектора υ → 0 начальной скорости тела по координатным осям

Таким образом, для движения вдоль оси OX имеем следующие условия: x₀ = 0, υ_0x = υ₀ cos α, a_x = 0, а для движения вдоль оси OY y₀ = 0, υ_0y = υ₀ sin α, a_y = –g.

Приведем здесь некоторые формулы, описывающие движение тела, брошенного под углом α к горизонту.

Движение тела, брошенного под углом к горизонту

Движение тела, брошенного под углом к горизонту, происходит по параболической траектории. В реальных условиях такое движение может быть в значительной степени искажено из-за сопротивления воздуха, которое может во много раз уменьшить дальность полета тела.

Источник

ТОРРИЧЕЛЛИ ФОРМУЛА

Полезное

Смотреть что такое «ТОРРИЧЕЛЛИ ФОРМУЛА» в других словарях:

ТОРРИЧЕЛЛИ ФОРМУЛА — ТОРРИЧЕЛЛИ ФОРМУЛА, скорость жидкости, вытекающей из отверстия в стенке сосуда: где h расстояние от оси отверстия до поверхности жидкости; g ускорение свободного падения. Выведена Э. Торричелли в 1641. Устанавливает, что скорость истечения… … Современная энциклопедия

Торричелли формула — формула для скорости истечения жидкости из отверстия в открытом сосуде: где h высота уровня жидкости, отсчитываемая от центра отверстия, g ускорение силы тяжести. Впервые установлена Э. Торричелли в 1641. Из Т. ф. следует, что скорость… … Большая советская энциклопедия

ТОРРИЧЕЛЛИ ФОРМУЛА — определяет скорость истечения жидкости из малого отверстия в открытом сосуде: v=корень из 2gh, где h высота уровня жидкости, отсчитываемая от центра отверстия (рис.), д ускорение силы тяжести. Выведена Э. Торричелли в 1641 … Естествознание. Энциклопедический словарь

ТОРРИЧЕЛЛИ ФОРМУЛА — ф ла определения скорости v истечения жидкости из небольшого отверстия в открытом сосуде: vh = корень из 2gh, где g ускорение свободного падения, h высота уровня жидкости по отношению к центру отверстия. В действительности v = ф корень из 2gh,… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Торричелли Эванджелиста — Торричелли (Torricelli) Эванджелиста (15.10.1608, Фаэнца, ‒ 25.10.1647, Флоренция), итальянский математик и физик. Получил математическое образование в Риме под руководством ученика Г. Галилея ‒ Б. Кастелли. В 1641 переехал в Арчетри, где помогал … Большая советская энциклопедия

Торричелли Эванджелиста — (Torricelli) (1608 1647), итальянский физик и математик. Ученик Г. Галилея. Изобрёл ртутный барометр, открыл существование атмосферного давления и вакуума (торричеллиева пустота). Вывел формулу, названную его именем. * * * ТОРРИЧЕЛЛИ Эванджелиста … Энциклопедический словарь

Формула Торричелли (гидродинамика) — Не следует путать с Формула Торричелли (кинематика). Формула Торричелли – связывает скорость истечения жидкости из малого отверстия в открытом сосуде с высотой жидкости над отверстием[1]. Формула Торричелли утверждает, что скорость истечения… … Википедия

Источник

Формула ускорения свободного падения

Гравитационное поле и ускорение свободного падения

Гравитационные взаимодействия тел можно описывать, применяя понятие гравитационного поля. Считают, что передача любых взаимодействий между телами реализуется при помощи полей, которые создают рассматриваемые тела. Одно из тел не оказывает непосредственного действия на другое тело, но оно создает в окружающем его пространстве гравитационное поле, особый вид материи, которая и оказывает воздействие на второе тело. Наглядной картины поля дать нельзя, понятие физического поля относят к основным понятиям, которые невозможно определить, используя другие более простые понятия. Можно только определить свойства поля.

Гравитационные поля удовлетворяют принципу суперпозиции. Напряженность поля, которая создается несколькими телами, равна векторной сумме напряженностей полей, которые порождаются каждым телом отдельно. Принцип суперпозиции выполняется, поскольку гравитационное поле, создаваемое какой-либо массой, не зависит от присутствия других масс. Принцип суперпозиции дает возможность рассчитывать гравитационные поля, которые созданы телами, отличающимися от точечных (размеры которых следует учитывать).

Ускорение при свободном падении

Получается, что модуль ускорения свободного падения у поверхности Земли ($h\ll R$) равен:

Направлено ускорение свободного падения к центру Земли.

Правая часть выражения (5) дает величину напряженности гравитационного поля Земли вблизи к ее поверхности.

Примеры задач с решением

Решение. Модуль ускорения свободного падения у поверхности Земли определен формулой:

Величина вектора напряженности гравитационного поля любого тела равна:

\[g\left(r\right)=\gamma \frac\ \left(1.2\right),\]

Найдем отношение выражений (1.1) и (1.3):

Считая, что нам известно ускорение свободного падения на Земле ($g=9,8\ \frac<м><с^2>$), выразим ускорение свободного падения на Меркурии:

Вычислим искомое ускорение:

Решение. Если тело находится на некоторой глубине, то считаем, что находящиеся выше слои Земли действуют на тело с силами гравитации, которые взаимно компенсируют друг друга. Поэтому тело притягивается только той массой Земли, которая находится ниже рассматриваемого тела.

В качестве основы для решения задачи используем закон всемирного тяготения в виде:

Приравняем правые части выражений (2.1) и (2.3), учтем (2.2):

У поверхности Земли мы знаем, что:

Выразим из (2.5) плотность Земли:

Подставим результат (2.6) в формулу (2.4) выразим высоту:

Источник