Закон свободного падения тел

В глубокой древности греки считали, что движение может быть как природным, так и противоестественным. К первой категории относилось падение — поскольку любой предмет якобы всегда стремится вернуться на свое место. Мудрец Аристотель, живший в IV в. до н. э., считал, будто предмет сдвигается с места только тогда, когда кто-то или что-то прикладывает к нему силу, и по пути теряет скорость из-за склонности окружающей среды чинить сопротивление. То есть чем плотнее среда, тем медленнее падает тело. Поскольку в полной пустоте нет никаких преград, скорость любого тела там бесконечна, а значит, о движении в такой среде не может быть и речи. Яблоко падает на землю быстрее листика потому, что весит больше, ведь это помогает ему эффективнее бороться с сопротивлением.

Теорию о том, что при броске тела мы передаем ему силу, принимал и Филопон — философ VI столетия. Вместе с тем Филопон отрицал, что скорость падения напрямую зависит от массы тела, и утверждал: в пустом пространстве скорость предмета вполне определенная и постоянная — ввиду отсутствия сопротивления она не убывает.

Десять веков спустя итальянский ученый Галилео Галилей (1564—1642) прочитал труды механика и астронома Дж. Бенедетти, который критиковал идеи Аристотеля и развивал теорию Филопона. Бенедетти писал, что при толчке/броске тела ему сообщается импетус — движущая сила, или, современным языком, импульс. Импетус направлен прямолинейно и имеет определенную величину, но по пути движущийся объект постоянно порождает новые импетусы и таким образом ускоряется. В целом же скорость падения зависит и от разницы в плотности тела и среды, и от площади тела. Галилея эти мысли заинтересовали, и в 1611 г. он отправился в Рим, чтобы выступить против догматических учений церкви, слепо насаждавшей теорию Аристотеля. Ученому очень хотелось исследовать движение экспериментально.

Читать:  Основные законы гидростатики

Каждое свое умозаключение Галилей пытался доказать или опровергнуть в ходе эксперимента, используя только идеальные предметы: гладкие, совершенно круглые шары и ровные дорожки. Вслед за Бенедетти он отказался от разделения движений на природные и противоестественные, поскольку четкой границы между ними не существует, и сосредоточился на самом процессе, без учета первопричины.

Первым предположением Галилея было то, что масса предметов никак не влияет на скорость их падения. Конечно, если сбросить с крыши три одинаковых шара, они долетят до земли одновременно. Но даже если скрепить два шара между собой (то есть увеличить массу тела вдвое) — все три снова-таки будут падать синхронно. Чтобы проверить это, ученый вышел на самый верх Пизанской башни и сбросил оттуда 80-килограммовое пушечное ядро и 200-граммовую пулю, которые имели одинаковую форму и текстуру поверхности. На землю шары упали в один и тот же момент, и Галилей сделал вывод: скорость падающего предмета зависит не от его массы, а от сопротивления воздуха, тормозящего объект. Для современников ученого это стало настоящим откровением: издревле в народе бытовало заблуждение, будто сдвинутый с места предмет образует позади себя пустое пространство, которое тут же заполняется воздухом (поскольку природа не терпит пустоты), а тот, в свою очередь, проталкивает тело дальше. То есть все думали, что воздух должен давать ускорение, а не замедлять.

Кроме того, Галилео усомнился в общественном убеждении, что если не подталкивать объект постоянно, то он непременно остановится, пусть даже впереди нет никаких преград. Ученый наблюдал, как шар, сброшенный с башни, летит без остановок до самой земли, да еще и равномерно ускоряется. Очевидно, происходит это потому, что снизу на шар действует сила притяжения, подумал Галилей. Если пустить шар с горки, его ускорение станет гораздо менее заметным, но шар не остановится и будет катиться хоть целую вечность (ну, или пока горка не закончится). Толкнув шар вверх по горке, мы увидим, что он постепенно замедляется, а потом скатывается назад, — действует та же гравитация. А вот на горизонтальной поверхности шар после толчка мог бы двигаться на постоянной скорости сколь угодно долго, если бы ему не мешали сила трения и сопротивление воздуха. Таким образом, Галилей открыл закон инерции: любое тело будет двигаться с постоянной скоростью либо не двигаться вовсе при условии, что на него ничего не действует извне.

Читать:  Квантовая хромодинамика

Далее ученый высказал догадку, что объект ускоряется независимо от продолжительности дистанции, — вероятнее всего, скорость растет обратно пропорционально времени: чем она выше, тем меньше времени придется затратить на дорогу. А значит, как бы мы ни двигались — ускоренно или равномерно, у нас получится пройти путь за одно и то же время, если равномерная скорость будет вдвое ниже ускорения на последнем этапе пути.

Чтобы проверить данные умозаключения, Галилею следовало бы фиксировать местонахождение падающего объекта на каждом минимальном отрезке времени, но, поскольку измерительных приборов для таких целей еще не существовало, ученый придумал другой эксперимент. Установив под наклоном неширокую 5-метровую доску, Галилео оборудовал ее желобом, покрыл его пергаментной бумагой, уменьшающей трение, и принялся пускать вдоль желоба бронзовый шар сверху, с середины, с четверти и т. д. При этом каждый раз засекал время, за которое шар прошел тот или иной отрезок дистанции, — считал собственный пульс либо следил за водными часами, устроенными по принципу песочных, только с водой вместо песка.

Читать:  Квантовая теория

В итоге Галилео выяснил, что соотношению временных интервалов 1:2:3:4 соответствует соотношение дистанций 1:4:9:16 — то есть расстояние, которое преодолевается с постоянным ускорением, соразмерно квадрату времени. Этот вывод подтолкнул ученого к следующему открытию. Чтобы быстрее скатиться из одной точки в другую, расположенную ниже первой, но не на одной вертикали с ней, нужно двигаться не по прямой, а по четверти окружности, соединяющей эти две точки (по такому же принципу устроены площадки для катания на скейте).

Словно споря с Аристотелем, Галилео заявил, что покой и движение — понятия относительные. Мол, независимо от того, плывет судно или стоит на пристани, его пассажиры с равным успехом будут ходить или бегать по палубе, кружиться, подпрыгивать, играть в мяч и т. д. И то же самое они могут делать на суше. А значит, во всех инерциальных системах механические действия/процессы происходят одинаково.

Итак, Галилео Галилей первым додумался исследовать физические явления научными методами — опытными наблюдениями и точными измерениями. В ходе своих экспериментов он ввел понятия ускоренного и равномерного движения, сформулировал законы механики (в том числе инерции),разработал динамику — науку, описывающую, как движется тело, на которое действуют внешние силы. Труды Галилея бесценны, ведь написаны они на основе современного подхода к изучению физики.

Оставить эмоцию
Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь
Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о