¿Qué es el movimiento de caída libre?
El movimiento en el que un objeto comienza a caer únicamente por la gravedad y la resistencia del aire se llama caída libre (su velocidad inicial es 0). La regla es Vt^2=2gh.
Concepto
La "caída" de caída libre, como su nombre indica, se refiere a la caída de un objeto desde una gran altura. La clave es la palabra "libre", que significa: Primero, cuando el objeto comienza a caer, está estacionario, es decir, la velocidad inicial es 0. Si a un objeto se le da una velocidad inicial y cae verticalmente, no se puede considerar una caída libre. En segundo lugar, durante el proceso de caída, el objeto no. ya no experimenta ninguna otra fuerza (como la resistencia del aire) excepto el efecto de la gravedad).
Aunque la gravedad terrestre es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del objeto al centro de la tierra, cerca del suelo, el radio de la tierra es mucho mayor que la distancia recorrida por la caída libre. , por lo que la gravedad puede considerarse constante cerca del suelo, si no se considera la resistencia atmosférica, la aceleración de una caída libre es una constante invariable. Es un movimiento lineal uniformemente acelerado con una velocidad inicial de cero y su aceleración siempre es igual a la aceleración debida a la gravedad g.
La fórmula de cálculo para la velocidad instantánea de un objeto en caída libre es v=gt; la fórmula de cálculo para el desplazamiento es h=1/2·gt^2.
Normalmente en el aire, a medida que aumenta la velocidad del cuerpo en caída libre, la resistencia del aire al cuerpo en caída también aumenta gradualmente. Cuando la gravedad sobre un objeto es igual a la resistencia que experimenta, el objeto que cae caerá a una velocidad constante. La velocidad máxima que alcanza en ese momento se llama velocidad terminal. Por ejemplo, cuando un paracaidista salta desde un avión, su velocidad terminal es de unos 50 metros/segundo sin abrir el paracaídas, y su velocidad terminal es de unos 6 metros/segundo con el paracaídas abierto.
Los métodos de investigación científica derivaron de este
Razonamiento ingenioso
Los antiguos eruditos creían que la velocidad de la caída de los objetos estaba determinada por su peso, cuanto más pesado era el objeto. , más rápido cae. Aristóteles, un filósofo griego que vivió en el siglo IV a.C., fue el primero en expresar esta opinión. Los juicios de Aristóteles tuvieron una profunda influencia y la gente siguió creyendo en sus doctrinas durante más de dos mil años.
Pero esta conclusión extraída de observaciones superficiales es en realidad errónea. El gran físico Galileo utilizó un razonamiento científico sencillo y claro para revelar hábilmente las contradicciones contenidas en la teoría de Aristóteles. En su libro "Diálogo de dos nuevas ciencias", escrito en 1638, señaló: Según el juicio de Aristóteles, una piedra grande cae más rápido que una pequeña. Supongamos que la velocidad de caída de la piedra grande es 8 y la velocidad de caída de la piedra pequeña es 4. Cuando unimos dos piedras, la piedra que cae rápidamente será arrastrada por la piedra que cae lentamente y se ralentizará, y la piedra que cae lentamente Será arrastrado por la piedra que cae rápidamente. Al arrastrar y acelerar, la velocidad de caída de todo el sistema debe ser inferior a 8. Pero dos rocas unidas pesan más que la roca grande, por lo que el objeto más pesado cae más lentamente que el objeto más ligero. De esta forma, del supuesto de que los objetos pesados caen más rápido que los ligeros, deducimos la conclusión de que los objetos pesados caen más lentamente que los ligeros. La teoría de Aristóteles estaba sumida en una contradicción. Galileo dedujo de esto que los objetos pesados no caerían más rápido que los objetos ligeros. Galileo realizó una vez el famoso experimento de caída libre en la famosa Torre Inclinada de Pisa, dejando caer dos bolas del mismo volumen pero de diferentes masas desde lo alto de la torre al mismo tiempo. Como resultado, las dos bolas aterrizaron al mismo tiempo. , refutando la conclusión de Aristóteles con la práctica.
Propuso una hipótesis
Galileo creía que la caída libre es el movimiento más simple de velocidad variable. Imaginó que la velocidad del movimiento de velocidad variable más simple debería cambiar uniformemente. Pero ¿cómo se puede considerar uniforme un cambio de velocidad? Consideró dos posibilidades: una es que el cambio de velocidad sea uniforme con respecto al tiempo, es decir, después de igual tiempo, el cambio de velocidad sea igual la otra es que el cambio de velocidad sea uniforme con respecto al desplazamiento; , después de igual tiempo, el cambio de velocidad es igual. El desplazamiento y los cambios de velocidad son iguales. Galileo asumió que la primera forma era la más simple y llamó a este movimiento movimiento uniformemente variable.
Razonamiento matemático
En la época de Galileo la tecnología no estaba lo suficientemente desarrollada. Era imposible comprobar si un objeto se movía a una velocidad uniforme midiendo directamente la velocidad instantánea. matemáticas aplicadas. El razonamiento lleva a la conclusión: el desplazamiento de un objeto que se mueve a una velocidad uniforme con una velocidad inicial de cero es proporcional al cuadrado del tiempo, es decir, s=at^2. A medida que se mide el tiempo que tarda un objeto que se mueve a una velocidad variable en pasar diferentes desplazamientos, se puede verificar si el objeto se mueve a una velocidad uniforme.
¿Cómo dedujo Galileo s=gt^2? Su idea es aproximadamente la siguiente: infiere que la velocidad promedio de un movimiento uniformemente variable con una velocidad inicial de cero y una velocidad final de v es v/2, y luego aplica esta relación para obtener s = vt/2. Aplique v=at nuevamente y obtenga s=1/2gt^2.
Otro: La historia del movimiento de caída libre es un movimiento lineal uniformemente acelerado con una velocidad inicial de cero y una aceleración de g. Es un caso especial de movimiento lineal uniformemente variable. Por lo tanto, las fórmulas e inferencias básicas del movimiento lineal uniformemente variable son aplicables al movimiento de caída libre siempre que v0 en la fórmula se establezca en cero y a se reemplace por g, es decir: v1 = gt, h = 1/2 gt ^. 2, v^2=2gh. Entre ellos, h es la altura del objeto que cae desde el reposo.
Verificación experimental
El tiempo de caída de un cuerpo en caída libre es demasiado corto. En ese momento, todavía era difícil verificar directamente que un cuerpo en caída libre es un movimiento uniformemente acelerado. experimentos Galileo adoptó un método de verificación indirecta. Se han realizado cientos de experimentos. Una bola de cobre rueda por una pendiente con poca resistencia. La aceleración de la bola que se mueve sobre la pendiente es mucho menor que la aceleración cuando cae verticalmente. así el tiempo es más fácil de medir. Los resultados experimentales muestran que si el ángulo de inclinación de la pendiente suave permanece sin cambios y la pelota rueda hacia abajo desde diferentes posiciones, la relación entre el desplazamiento de la pelota y el cuadrado del tiempo permanece sin cambios, es decir, el desplazamiento es proporcional a el cuadrado del tiempo. Esto demuestra que el movimiento descendente de la pelota a lo largo de una pendiente suave es un movimiento lineal con velocidad uniforme. Repita el experimento anterior usando pelotas de diferentes masas. La relación entre el desplazamiento y el cuadrado del tiempo permanece sin cambios. diferentes masas se mueven a lo largo de una pendiente suave. La situación de movimiento lineal uniforme de un plano inclinado con el mismo ángulo de inclinación es la misma.
Aumente continuamente el ángulo de inclinación de la pendiente grande y repita el experimento anterior. El valor obtenido aumenta con el aumento del ángulo de inclinación de la pendiente. Esto muestra que la aceleración de la bola pequeña se mueve de manera uniforme. La velocidad aumenta con el aumento del ángulo de inclinación de la pendiente.
Extrapolación razonable
Galileo hizo una extrapolación razonable de los resultados anteriores y extrapoló la conclusión a la situación en la que el ángulo de inclinación del plano inclinado aumenta a 90°, momento en el cual la bola caerá libremente, convirtiéndose en una caída libre, Galileo creía que la bola aún mantendría un movimiento uniforme en este momento. Esta extrapolación del movimiento del plano inclinado al movimiento del cuerpo en caída es muy inteligente. Sin embargo, las conclusiones extraídas por extrapolación no son necesariamente correctas. El método de extrapolación también se utiliza comúnmente en la investigación física moderna, pero las conclusiones obtenidas mediante este método deben verificarse mediante experimentos antes de que puedan ser reconocidas.
La investigación de Galileo sobre la caída libre creó un método científico para estudiar las leyes de la naturaleza. Este es un método que combina el pensamiento abstracto, la derivación matemática y los experimentos científicos. sigue siendo uno de los métodos científicos importantes.
Si es posible, también podrías repetir el experimento del plano inclinado de Galileo. La clave aquí es, de hecho, medir el tiempo con precisión.