Падение тел под действием силы тяжести

Любое движение может быть названо «свободным» только в том случае, если это движение происходит при отсутствии каких бы то ни было сил, действующих на тело. По этой причине часто встречающееся понятие «свободное падение тел» на самом деле означает то, что движение происходит все-таки под действием вполне определенной силы  – силы тяжести. Понятие «свободное» означает только одно: никакая среда не препятствует движению под действием силы тяжести, то есть любые силы сопротивления движению отсутствуют. Например, отсутствует, или оказывается пренебрежимо малой, по сравнению с силой тяжести, сила трения тела о воздух.

Падение тел на Землю в вакууме происходит под действием силы тяжести, зависящей от расстояния до центра Земли. Если расстояние, проходимое телом при падении в направлении центра Земли, много меньше расстояния до центра Земли, то силу тяжести с хорошей точностью можно считать величиной постоянной, не зависящей от расстояния. Величину расстояния, проходимого телом при падении, удобно сравнивать с величиной радиуса земного шара, и постоянство силы тяжести будет хорошо выполняться в том случае, если расстояние, пройденное телом за время падения, много меньше радиуса земного шара.

Опыт показывает, что при изучении падения тел в стеклянной трубке (рис. 1), из которой с помощью насоса откачан воздух, тела даже различной по величине массы достигают дна одновременно при одинаковой и равной нулю начальной скорости падения. Этот факт может быть объяснен только тем, что ускорения, которые приобретают тела даже разной массы под действием постоянной силы тяжести, являются одинаковыми. По этой причине при падении под действием постоянной силы тяжести все тела независимо от их массы движутся одинаково, то есть приобретают одинаковую скорость через любой промежуток времени падения.

Если мы договоримся далее рассматривать только такие экспериментальные или теоретические ситуации, когда силу тяжести можно считать не зависящей от расстояния от тела до центра Земли и будем считать земную поверхность плоской, не имеющей кривизны, то падение тел под действием силы тяжести можно считать равноускоренным движением, причем величина ускорения, с которым падает тело, является постоянной в любой точке плоской земной поверхности. Далее мы подробнее рассмотрим эту ситуацию.

Такое большое внимание начальным условиям, которые мы принимаем для анализа поставленных задач, уделяется, потому что необходимо очень хорошо представлять, когда полученный результат является верным и при каких условиях он становится неприменимым к конкретной физической ситуации. Иными словами, человек, глядящий на формулу, описывающую тот или иной процесс, должен совершенно точно знать, в каких случаях эта формула справедлива и когда ей можно пользоваться. Именно в этом заключается одно из отличий физики от такой науки, как математика. При неверном (неправильно отражающем физическую реальность) выборе исходных условий и предположений, конечно, будет получен тот или иной результат, выраженный в виде математической формулы, формула может оказаться красивой, но совершенно неверно описывать физическую реальность.

Вектор ускорения падения при принятых условиях и приближениях считается перпендикулярным к плоскости земной поверхности.

Ускорение свободного падения часто обозначается буквой , где стрелочка над символом, обозначающим ускорение, говорит о векторном характере этой величины. У поверхности земного шара модуль ускорения свободного падения равен

Если в расчетах не требуется высокая точность, то принимают, что модуль ускорения падения под действием силы тяжести у поверхности Земли за 10 м/с².

Сила тяжести действует на любое тело у поверхности Земли и на расстоянии 1 м, и 10 км, где летают самолеты. А действует ли сила тяжести на еще больших расстояниях от Земли? Зависят ли сила тяжести и ускорение тел под действием силы тяжести от расстояния до Земли? Над этими вопросами думали многие ученые, но впервые ответы на них дал в XVII в. великий английский физик Исаак Ньютон (1643 – 1727).