Dari kehidupan sehari-hari, kita tahu bahwa gravitasi bumi menyebabkan benda-benda, yang dibebaskan dari ikatan, jatuh ke permukaan bumi. Misalnya, beban yang tergantung pada seutas benang tidak bergerak, dan segera setelah benang dipotong, ia mulai turun secara vertikal ke bawah, secara bertahap meningkatkan kecepatannya. Sebuah bola yang dilemparkan secara vertikal ke atas, di bawah pengaruh gravitasi bumi, pertama-tama mengurangi kecepatannya, berhenti sejenak dan mulai jatuh, secara bertahap meningkatkan kecepatannya. Sebuah batu dilempar vertikal ke bawah gravitasi juga secara bertahap meningkatkan kecepatannya. Tubuh juga dapat dilemparkan pada sudut ke cakrawala atau horizontal ...

Biasanya benda jatuh di udara, oleh karena itu, selain gaya tarik bumi, mereka juga dipengaruhi oleh hambatan udara. Dan itu bisa menjadi signifikan. Ambil, misalnya, dua lembar kertas yang identik dan, setelah meremas salah satunya, kami menjatuhkan kedua lembar secara bersamaan dari ketinggian yang sama. Meskipun gravitasi bumi sama untuk kedua lembaran, kita akan melihat bahwa lembaran yang kusut mencapai tanah lebih cepat. Ini terjadi karena hambatan udara untuk itu kurang dari lembaran yang tidak dilipat. Hambatan udara mendistorsi hukum benda jatuh, jadi untuk mempelajari hukum ini, pertama-tama Anda harus mempelajari jatuhnya benda tanpa adanya hambatan udara. Hal ini dimungkinkan jika jatuhnya benda terjadi dalam ruang hampa.

Untuk memastikan bahwa dengan tidak adanya udara, baik benda ringan dan berat jatuh sama rata, Anda dapat menggunakan tabung Newton. Ini adalah tabung berdinding tebal dengan panjang sekitar satu meter, salah satu ujungnya disegel dan ujung lainnya dilengkapi dengan keran. Ada tiga tubuh di dalam tabung: pelet, sepotong spons busa dan bulu ringan. Jika tabung cepat dibalik, maka pelet akan jatuh paling cepat, kemudian spons, dan yang terakhir mencapai dasar tabung adalah bulu. Ini adalah bagaimana tubuh jatuh ketika ada udara di dalam tabung. Sekarang mari kita memompa keluar udara dari tabung dengan pompa dan, setelah menutup katup setelah memompa keluar, balikkan tabung, kita akan melihat bahwa semua benda jatuh dengan kecepatan sesaat yang sama dan mencapai dasar tabung hampir bersamaan.

Jatuhnya benda-benda di ruang hampa udara di bawah pengaruh gravitasi saja disebut jatuh bebas.

Jika gaya hambatan udara dapat diabaikan dibandingkan dengan gaya gravitasi, maka gerakan tubuh sangat dekat dengan bebas (misalnya, ketika bola kecil yang halus dan berat jatuh).

Karena gaya gravitasi yang bekerja pada setiap benda di dekat permukaan bumi adalah konstan, benda yang jatuh bebas harus bergerak dengan percepatan konstan, yaitu, dipercepat secara seragam (ini mengikuti hukum kedua Newton). Percepatan ini disebut percepatan jatuh bebas dan ditandai dengan huruf. Itu diarahkan secara vertikal ke pusat Bumi. Nilai percepatan gravitasi di dekat permukaan bumi dapat dihitung dengan rumus

(rumus diperoleh dari hukum gravitasi universal), g\u003d 9,81 m / s 2.

Percepatan jatuh bebas, seperti gravitasi, tergantung pada ketinggian di atas permukaan bumi (

), dari bentuk Bumi (Bumi rata di kutub, sehingga jari-jari kutub lebih kecil dari khatulistiwa, dan percepatan jatuh bebas di kutub lebih besar daripada di khatulistiwa: g P =9,832 m/s 2 ,g uh =9,780 m/s 2 ) dan dari endapan batuan terestrial yang padat. Di tempat-tempat endapan, misalnya bijih besi, densitasnya kerak bumi lebih banyak dan percepatan jatuh bebas juga lebih besar. Dan di mana ada deposit minyak, g lebih sedikit. Ini digunakan oleh ahli geologi dalam mencari mineral.

Tabel 1. Percepatan jatuh bebas pada ketinggian yang berbeda di atas bumi.

Meja 2. Percepatan jatuh bebas untuk beberapa kota.

Karena percepatan jatuh bebas di dekat permukaan bumi adalah sama, jatuh bebas benda adalah gerakan dipercepat yang seragam. Sehingga dapat digambarkan dengan ungkapan berikut:

dan

. Pada saat yang sama, diperhitungkan bahwa ketika bergerak ke atas, vektor kecepatan tubuh dan vektor percepatan jatuh bebas diarahkan ke sisi yang berlawanan, jadi proyeksi mereka memiliki tanda yang berbeda. Ketika bergerak ke bawah, vektor kecepatan benda dan vektor percepatan jatuh bebas diarahkan ke arah yang sama, sehingga proyeksi mereka memiliki tanda yang sama.

Jika sebuah benda dilemparkan dengan sudut ke cakrawala atau horizontal, maka gerakannya dapat dipecah menjadi dua: dipercepat secara vertikal dan beraturan secara horizontal. Kemudian, untuk menggambarkan gerakan tubuh, dua persamaan lagi harus ditambahkan: v x = v 0 x dan s x = v 0 x t.

Substitusi ke rumus

alih-alih massa dan jari-jari Bumi, masing-masing, massa dan jari-jari beberapa planet lain atau satelitnya, orang dapat menentukan nilai perkiraan percepatan jatuh bebas di permukaan salah satu benda langit ini.

Tabel 3 Percepatan jatuh bebas di permukaan beberapa

benda langit (untuk ekuator), m / s 2.

Diketahui bahwa semua tubuh yang dibiarkan jatuh ke Bumi. Mayat yang terlempar kembali ke Bumi. Kami mengatakan bahwa kejatuhan ini disebabkan oleh gravitasi Bumi.

Ini adalah fenomena umum, dan untuk alasan ini saja studi tentang hukum jatuh bebas benda hanya di bawah pengaruh gravitasi bumi menjadi perhatian khusus. Namun, pengamatan harian menunjukkan bahwa kondisi normal tubuh jatuh berbeda. Bola yang berat itu jatuh dengan cepat daun terang kertas jatuh perlahan dan sepanjang lintasan yang kompleks.

Sifat gerak, kecepatan dan percepatan benda jatuh dalam kondisi normal ternyata bergantung pada gravitasi benda, ukuran dan bentuknya.

Eksperimen menunjukkan bahwa perbedaan ini disebabkan oleh aksi udara pada benda yang bergerak. Hambatan udara ini juga digunakan dalam latihan, misalnya saat terjun payung. Jatuhnya penerjun payung sebelum dan sesudah pembukaan memakai parasut karakter yang berbeda. Pembukaan parasut mengubah sifat gerakan, kecepatan dan percepatan penerjun berubah.

Tak perlu dikatakan bahwa gerakan tubuh seperti itu tidak dapat disebut jatuh bebas di bawah pengaruh gravitasi saja. Jika kita ingin mempelajari jatuh bebas benda, maka kita harus benar-benar membebaskan diri dari aksi udara, atau setidaknya entah bagaimana menyamakan pengaruh bentuk dan ukuran benda pada gerakannya.

Ilmuwan besar Italia Galileo Galilei adalah orang pertama yang mengemukakan gagasan ini. Pada tahun 1583, di Pisa, ia melakukan pengamatan pertama pada fitur jatuh bebas bola berat dengan diameter yang sama, mempelajari hukum gerak benda menurut bidang miring dan gerakan tubuh yang terlempar pada sudut ke cakrawala.

Hasil pengamatan ini memungkinkan Galileo menemukan salah satu dari hukum yang paling penting mekanika modern, yang disebut hukum Galileo: semua benda di bawah pengaruh gravitasi bumi jatuh ke Bumi dengan percepatan yang sama.

Keabsahan hukum Galileo dapat dilihat dengan jelas pada pengalaman sederhana. Mari kita menempatkan beberapa pelet berat, bulu ringan dan potongan kertas ke dalam tabung kaca panjang. Jika Anda meletakkan tabung ini secara vertikal, maka semua benda ini akan jatuh ke dalamnya dengan cara yang berbeda. Jika udara dipompa keluar dari tabung, maka ketika percobaan diulangi, benda yang sama akan jatuh dengan cara yang persis sama.

Pada jatuh bebas, semua benda di dekat permukaan bumi bergerak dengan percepatan yang seragam. Jika, misalnya, kita mengambil serangkaian bidikan bola yang jatuh melalui interval yang sama waktu, maka dengan jarak antara posisi bola yang berurutan dapat ditentukan bahwa gerakan itu memang dipercepat secara seragam. Dengan mengukur jarak ini, juga mudah untuk menghitung dan nilai numerik percepatan jatuh bebas, yang biasanya dilambangkan dengan huruf

PADA berbagai titik dunia nilai numerik percepatan jatuh bebas tidak sama. Ini bervariasi kira-kira dari di kutub ke di khatulistiwa. Secara konvensional, nilai diambil sebagai nilai "normal" dari percepatan jatuh bebas. Kami akan menggunakan nilai ini saat menyelesaikan tugas praktek. Untuk perhitungan kasar, kadang-kadang kita akan mengambil nilai, khususnya menetapkan ini di awal penyelesaian masalah.

Arti penting hukum Galileo sangat besar. Ini mengungkapkan salah satu dari sifat yang paling penting materi, memungkinkan kita untuk memahami dan menjelaskan banyak fitur struktur alam semesta kita.

Hukum Galileo, yang disebut prinsip kesetaraan, memasuki dasar teori umum gravitasi(gravitasi), yang diciptakan oleh A. Einstein pada awal abad kita. Einstein menyebut teori ini teori umum relativitas.

Pentingnya hukum Galileo juga dibuktikan oleh fakta bahwa persamaan percepatan jatuhnya benda telah diperiksa terus menerus dan dengan akurasi yang terus meningkat selama hampir empat ratus tahun. Terbaru pengukuran yang diketahui milik ilmuwan Hungaria Eötvös dan Fisikawan Soviet V.B. Braginsky. Eötvös pada tahun 1912 memeriksa kesetaraan percepatan jatuh bebas ke tempat desimal kedelapan. V. B. Braginsky pada 1970-1971, menggunakan peralatan elektronik modern, memeriksa validitas hukum Galileo dengan akurasi hingga tempat desimal kedua belas ketika menentukan nilai numerik

Teori

Jatuh bebasnya benda disebut jatuhnya benda ke bumi tanpa adanya hambatan udara (dalam kehampaan). PADA akhir XVI abad, ilmuwan terkenal Italia G. Galilei secara empiris dengan akurasi yang tersedia untuk waktu itu, ia menetapkan bahwa dengan tidak adanya hambatan udara, semua benda jatuh ke Bumi dengan percepatan yang seragam, dan bahwa pada titik tertentu di Bumi, percepatan semua benda selama jatuh adalah sama. Sebelum ini, selama hampir dua ribu tahun, dimulai dengan Aristoteles, secara umum diterima dalam sains bahwa benda berat jatuh ke Bumi lebih cepat daripada benda ringan.

Percepatan jatuhnya benda ke bumi disebut percepatan jatuh bebas. Vektor percepatan gravitasi ditunjukkan oleh simbol, itu diarahkan vertikal ke bawah. di berbagai belahan dunia, tergantung pada garis lintang geografis dan ketinggian di atas permukaan laut, nilai numerik g ternyata tidak sama, bervariasi dari sekitar 9,83 m/s 2 di kutub hingga 9,78 m/s 2 di khatulistiwa. Di garis lintang Moskow, g \u003d 9,81523 m / s 2. Biasanya, jika akurasi tinggi tidak diperlukan dalam perhitungan, maka nilai numerik g di permukaan bumi diambil sama dengan 9,8 m/s 2 atau bahkan 10 m/s 2.

EKSPERIMEN GALILEO DENGAN BADAN YANG JATUH

Galileo adalah orang pertama yang menemukan itu benda berat jatuh secepat paru-paru. Untuk menguji asumsi ini, Galileo Galilei turun dari mempelajari menara pisa pada saat yang sama, sebuah bola meriam seberat 80 kg dan peluru musket yang jauh lebih ringan dengan berat 200 g. Kedua tubuh memiliki bentuk ramping yang hampir sama dan mencapai tanah pada waktu yang sama. Di hadapannya, sudut pandang Aristoteles mendominasi, yang berpendapat bahwa benda ringan jatuh dari ketinggian lebih lambat daripada benda berat.

Begitulah legendanya. Tidak ada bukti dalam arsip bahwa eksperimen semacam itu benar-benar dilakukan. Selain itu, bola meriam dan peluru memiliki radius yang berbeda, mereka akan terpengaruh oleh kekuatan yang berbeda hambatan udara dan, oleh karena itu, mereka tidak dapat mencapai tanah pada saat yang sama. Galileo juga memahami hal ini. Namun, ia menulis bahwa "... perbedaan kecepatan gerakan di udara bola yang terbuat dari emas, timah, tembaga, porfiri dan lain-lain bahan berat begitu kecilnya sehingga bola emas, yang jatuh bebas pada jarak seratus hasta, pasti akan melampaui bola tembaga dengan tidak lebih dari empat jari. Setelah melakukan pengamatan ini, saya sampai pada kesimpulan bahwa dalam medium yang sama sekali tidak memiliki hambatan, semua benda akan jatuh dengan kecepatan yang sama. mengikuti hukum benda jatuh untuk kasus ideal:
1. Saat jatuh, semua benda bergerak dengan cara yang sama: mulai jatuh pada saat yang sama, mereka bergerak dengan kecepatan yang sama
2. Gerakan terjadi dengan percepatan konstan.

Tak lama setelah Galileo, pompa udara diciptakan yang memungkinkan untuk bereksperimen dengan jatuh bebas dalam ruang hampa. Untuk tujuan ini, Newton mengempiskan udara dari tabung kaca panjang dan melemparkan bulu burung dan koin emas. Bahkan benda-benda yang sangat berbeda kepadatannya jatuh pada kecepatan yang sama.