自由落体(物理)

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May 23, 2022

自由落体是除重力外没有外力作用于物体(物体)上的状态。在这种情况下,物体的加速度等于重力引起的重力加速度,因为没有其他力反对这种运动。

例子

如果有人从塔上扔一块石头,只要忽略空气阻力,那块石头从它被释放的那一刻起就处于自由落体状态。这种状态一直持续到石头落地为止。自由落体的物体将不可避免地落到地面上,除非它像航天器一样具有与重力垂直的大速度(参见第三个例子)。人们可以通过将飞机置于抛物线轨道上来诱导几分钟的失重,从而使飞机遵循与自由落体相同的轨迹。飞行器中同样处于自由落体状态的物体或人相对于飞行器没有任何加速度,因此相对于飞行器,它静止不动或以恒定速度移动,直到到达墙壁。这个有限的时间段不适用于航天器。从火箭发动机关闭的那一刻起,航天器就处于自由落体状态(Brennschluss)。如果航天器有足够的速度绕地球运行,它就会不断地自由落体,而不会减少它与地球的距离。飞船上的宇航员就失去了重量,因为他们感觉不到任何力。这种情况理论上可以永远持续下去,尽管航天器,尤其是在低地球轨道上的航天器,会在几年后返回地球。不减少与地球的距离。飞船上的宇航员就失去了重量,因为他们感觉不到任何力。这种情况理论上可以永远持续下去,尽管航天器,尤其是在低地球轨道上的航天器,会在几年后返回地球。不减少与地球的距离。飞船上的宇航员就失去了重量,因为他们感觉不到任何力。这种情况理论上可以永远持续下去,尽管航天器,尤其是在低地球轨道上的航天器,会在几年后返回地球。

跳伞

在伞兵中,术语“自由落体”用于跳出飞机和打开降落伞之间的时间,有时是相对较长的时间。这是“自由”一词的另一个定义:不使用降落伞,也可以自由地进行滑稽动作。这不是完全的自由落体,因为当跳伞者获得速度时,空气阻力会增加——如此之大以至于物理意义上的自由落体问题不再存在,即使降落伞尚未打开。

跌落参数表

下表以三位数精度显示了物体坠落到地球的速度以及坠落持续的时间。这假设重力加速度为 9.81 m/s2。从 5.00 厘米高处落下的物体已经以 0.990 m/s 的速度下降。使用的公式是: g:重力加速度,在地球上为 9.81 m/s2。 h:以米为单位的高度。 v:速度 m:物体的质量(在没有空气阻力的理想情况下证明是无关紧要的) 下落开始时的势能:m g h {\displaystyle mgh} 或 g h {\displaystyle gh} 每公斤。陷阱末端的动能:m v 2 2 {\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}} 或 v 2 2 {\displaystyle {\frac {v^{2}}{2}}} 每公斤。由于能量守恒,这两种能量在没有空气阻力的情况下相等。由此,着陆速度 v e i n d {\displaystyle v_{end}} ,计算平均速度 v g e m i d e l d {\displaystyle v_{average}} 和下落持续时间 t v a l {\displaystyle t_{val}}:脉 (2 gh) {\ displaystyle v_ {end} {\ sqrt {(}} 2gh)} vmediumveind / 2 (gh / 2) {\ displaystyle v_ {average} v_ {end} / 2 {\ sqrt {(}}高 / 2)}t v a l 2 h / v e i n d ( 2 h / g ) {\displaystyle t_{val}2h/v_{eind}{\sqrt {(}}2h/g)} .

非均匀引力场

在上面,有一个均匀的引力场。这意味着重力在任何地方都是相同的并且具有相同的方向。在小范围内,通常情况大致如此,但在大范围内则不再如此。在非均匀引力场中,自由落体仍然存在,但引力潮汐场确实会产生机械应力。例如:月球绕地球自由落体,但由于地球太大,引力场不能再称为均质。结果,地球被轻微拉开,这在潮汐中很明显。在极端情况下,天体(例如彗星或行星的卫星)可以被重力拉开,例如 Comet Shoemaker-Levy 9。落入黑洞时会发生意大利面化。对于垂直坠落持续超过给定距离的时间,请参阅二体问题。

另见

终端速度 Felix Baumgartner (Red Bull Stratos) 失重 抛物线飞行 摩擦坠落 坠落