Гравитация, свободное падение, сила тяжести и закон всемирного тяготения.

В физике существует 4 фундаментальные взаимодействия. Благодаря им мир является именно таким, какой он есть. Гравитация (от лат. «gravis» — «тяжелый») – одно из них. Это явление считается одним из самых таинственных, над которым ученые ломают голову не одно столетие. Они до сих пор полностью не могут объяснить его природу. Насчитывается более десятка теорий гравитации.

Свободное падение – это ускоренное движение тела в безвоздушном пространстве, при котором на тело действует только сила тяжести. Обычно так происходит, если пренебречь силами сопротивления. При этом, ускорение тела будет постоянным как по направлению, так и по величине.

Сила тяжести – это сила, действующая на любое физическое тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела.

Ускорение свободного падения – это ускорение, которое приобретают все тела при свободном падении вблизи поверхности Земли независимо от их массы. Ускорение свободного падения на Земле равно 9,81 м/с². Эта величина еще называется гравитационным ускорением, и, отвечая на вопрос, как она зависит от плотности планеты, можно ответить, что эта зависимость линейная. Другими словами, при неизменном размере планеты во сколько раз изменяется плотность, ровно во столько раз изменяется ускорение.

В условиях Земли падение тел считается условно свободным, так как при падении тела в воздушной среде всегда возникает еще сила сопротивления воздуха. Идеальное свободное падение возможно лишь в вакууме, где нет силы сопротивления воздуха, и независимо от массы, плотности, формы все тела в любой момент времени имеют одинаковые мгновенные скорости и ускорения. Наблюдать идеальное свободное падение тел можно в трубке Ньютона, если с помощью насоса выкачать из неё воздух.

Закон всемирного тяготения – это закон классической механики, описывающий гравитационное взаимодействие. Считается, что Ньютон открыл закон всемирного тяготения в 1666 году.

В следующих экспериментах будут изучены понятия, зависимости и принципы, связанные с гравитацией и свободным падением.

Проект «Изучение свободного падения»

При свободном падении на объекты воздействует только сила гравитации. Если мы бросим монету и перо с высоты 30 см, теоретически они должны падать с одинаковой скоростью и оказаться на земле одновременно. Всем известно, что монета упадёт гораздо раньше. Так почему же на оба объекта влияет одна и та же сила, и они приземляются не одновременно? Гравитация – это сила, которая тянет нас к земле. Для объектов в состоянии свободного падения эта сила равна ускорению, которое на земле составляет 9,8 м/с². Используя законы движения Ньютона, студенты продемонстрируют взаимосвязь между массой, силой и ускорением в процессе свободного падения.

Дети выучат законы движения Ньютона, продемонстрировав в результате опыта взаимосвязь между массой, силой и ускорением в процессе свободного падения.

Что нам понадобится:

• трубка для изучения свободного падения / вакуумная трубка;
• монета;
• перо;
• клейкая лента;
• рулетка или сантиметровая лента;
• видеокамера и программа для редактирования видео (по желанию).

Ход эксперимента:

1. Отмерьте на стене 180 см от пола и отметьте через каждые 30 см кусочком клейкой ленты.
2. По желанию: включите видеокамеру для записи эксперимента. Установите камеру на высоте приблизительно 120 см от пола, чтобы она располагалась в одной плоскости с падающим объектом.
3. Возьмите монету и перо, бросьте их с высоты 90 см. Какой предмет упадёт первым?
4. Увеличивайте высоту на 30 см каждый раз. Что происходит со скоростью монеты и пера по мере увеличения высоты?
5. Установите трубку для свободного падения, поместите перо и монету в камеру. Запечатайте её и откачайте воздух из трубки, чтобы создать вакуум.
6. Поверните трубку так, чтобы перо и монета оказались в одном конце. Быстро разверните трубку на 180°, чтобы монеты и перо упали в другой конец трубки. Какой предмет окажется в другом конце первым?
7. Если вы записывали эксперимент на видео, подсчитайте скорость (м/с). Для этого, используя программу для редактирования видео, посмотрите его в замедленном варианте. Используйте отметки на стене и часы или таймер, чтобы определить скорость падения предметов с разной высоты, а также внутри трубки.

Вывод:

Что такое свободное падение? Что изменилось, когда мы поместили монету и перо в трубку с вакуумом?

Проект «Свободное падение. Невесомость в лифте»

Во время пребывания на космической станции космонавтам приходится сталкиваться с многочисленными неординарными ситуациями. Вероятно, одно из главных отличий жизни там наверху и здесь внизу – это ощущение «невесомости». Ничего не остаётся на месте, даже вы! Нет гарантии, что вода потечёт вниз, и если вы не пристегнёте себя к кровати, можете проснуться в кладовой.

Многие люди считают, что космонавты пребывают в невесомости, потому что там нет гравитации. Но как оказалось, космическая станция подвержена воздействию гравитации. Иначе как бы она оставалась на орбите? Фактически, гравитация Земли воздействует на космическую станцию на 10% меньше, чем на поверхности. Что же на самом деле происходит?

Когда что-то находится на орбите, говорят, что этот объект в состоянии свободного падения – он падает через пространство, без какого-либо противодействия. Но он падает в том же темпе, в котором поверхность Земли удаляется от него по кривой. Если объект падает вертикально на 30 метров, он также движется на таком же расстоянии от поверхности Земли по горизонтали. Обычно спутники падают, не ударяясь о землю.

В этом эксперименте вы сможете убедиться, как свободное падение, а также некоторые виды вертикального движения, изучаемые в физике, влияют на кажущийся вес объекта.

Цель — изучить, как падение влияет на вес объекта.

Что нам понадобится:

• бумажный или пластиковый стакан;
• вода;
• ведро или раковина;
• пружинные весы;
• небольшая масса;
• лифт.

Ход эксперимента:

1. Для начала изучите падение воды.
2. Сделайте пару отверстий в дне чашки, наполните её водой. Понаблюдайте за тем, что происходит.
3. Теперь бросьте чашку в ведро. Каким образом изменился поток воды из чашки в воздухе?
4. Теперь можно исследовать, что происходит с весом в лифте.
5. Поместите предмет с небольшой массой на весы, определите его вес.
6. Держите весы возле пола, а затем быстро (но плавно) поднимите. Что происходит с весом?
7. Держите весы высоко в воздухе, а затем быстро (но плавно) опустите вниз. Что происходит с весом? Есть ли разница между этими двумя случаями?
8. Поднимитесь и спуститесь на несколько этажей в лифте. Возьмите с собой весы и предмет с небольшой массой.

Вывод:

В первой части опыта сразу после того, как вы налили воду в чашку, она начинает вытекать через отверстия на дне. Однако после того, как вы бросили чашку вниз, вода перестала вытекать во время падения.

Во второй части опыта вес заметно увеличивается, когда вы поднимаете весы вверх, и уменьшается, когда вы их опускаете. То же самое происходит в процессе проведения эксперимента в лифте. Почему? Говорят, будто в 1589 году Галилей бросил два мяча разной массы с Пизанской башни и заметил, что они упали на землю одновременно. Когда астронавт Дэвид Скот шагнул на поверхность Луны в 1971 году, он воспроизвёл эксперимент Галилея в практически полном вакууме атмосферы Луны, используя перо и молот. И действительно, оба предмета упали на поверхность одновременно!

Возможно, это звучит весьма парадоксально. Вы можете подумать, что гравитация больше влияет на молот и заставляет его упасть быстрее. Действительно, молот сильнее подвержен гравитационному ускорению, чем перо. Однако из-за того, что молот обладает более высокой массой, для любой силы (включая гравитацию) его сложнее сдвинуть с места. Постарайтесь толкнуть магазинную тележку и автомобиль, прилагая одинаковые усилия, и посмотрите, что будет поддаваться легче. Сопротивление движению отменяет более высокую гравитационную силу.

Когда вы бросаете чашку, вода и чашка падают с одинаковой скоростью. Вода вытекает, но чашка её подхватывает! Удивительно, но вода моментально задерживается внутри протекающей чашки.

То же самое происходит с космонавтами на борту космического корабля. Они кажутся невесомыми не по причине отсутствия гравитации, а потому что, как уже упоминалось ранее, они всё время пребывают в состоянии падения. То же самое происходит и со всем, что находится на борту: инструментами, продуктами питания, одеждой. Космонавты на космической станции подобны воде в чашке. Они падают вместе со станцией и могут находиться в состоянии невесомости.

Второй эксперимент идёт следом. Вес – это просто сила, воздействующая на ваше тело, благодаря гравитации. Когда вы поднимаете весы вверх, сила ваших рук должна преодолеть гравитационную силу. В этом случае вес кажется больше. Вес в процессе движения называется кажущимся весом, поскольку во внимание принимаются и другие силы гравитации. Когда вы опускаете весы вниз, сила ваших рук уменьшает силу гравитации и кажущийся вес снижается.

Что произойдёт с весом, если вы поднимете весы, а затем бросите их? Как это перекликается с первым экспериментом?

Эксперимент в лифте не отличается, только в данном случае моторы лифта делают работу за вас. Как вы думаете, что бы произошло, если бы кабель лифта порвался?

Проект «Зависимость времени падения от высоты»

Физика утверждает, что свободное падение происходит тогда, когда единственная сила, воздействующая на объект, — это гравитация. Учитывая, что ускорение свободного падения на земле постоянно, расстояние падения объекта пропорционально времени падения. В этом эксперименте вы сможете определить ускорение свободного падения, а также протестировать ваше собственное время реагирования. Время реагирования – это время, которое требуется вам для того, чтобы отреагировать на какое-либо событие: в данном случае, падение метровой линейки или денежной купюры. Быстрее ли ваша реакция, чем ускорение свободного падения.

Цель – определить ускорение свободного падения.

Что нам понадобится:

• друг или помощник;
• маленький мяч;
• линейка;
• денежная купюра;
• секундомер;
• блокнот и карандаш.

Ход эксперимента:

1. Пусть ваш друг возьмет в руки линейку, так чтобы сторона, на которой отмечен «0», находилась сразу над вашей рукой.
2. Он должен включить таймер сразу после того, как выпустит из рук линейку и остановить таймер сразу, когда вы её поймаете.
3. Запишите расстояние и время.
4. Повторите несколько раз, бросая линейку с разной высоты. Как взаимосвязаны время и расстояние, пройденное предметом?
5. Запишите результаты, постройте график. Время будет отмечено на оси x, а расстояние, пройденное предметом, будет отмечаться на оси y.
6. Используйте следующее уравнение, чтобы подсчитать время, которое потребуется для того, чтобы линейка упала. Насколько близки ваши результаты и показатели секундомера?

d=g*t²/2,

где d – это расстояние, пройденное объектом, в метрах,
g – ускорение свободного падения,
t– время в секундах.

1. Рассчитайте ускорение в каждом пункте графика. Насколько оно совпадает с ускорением свободного падения на Земле?

a=2d/t².

1. Повторите эксперимент с денежной купюрой. Используйте вышеупомянутое уравнение, чтобы подсчитать, сколько времени понадобится для того, чтобы купюра прошла через ваши пальцы по всей длине. Сможете ли вы поймать её?

Вывод:

Падают ли все объекты с одинаковой скоростью? Имеет ли значение вес объекта для скорости падения тела? Как связаны расстояние и время свободного падения объектов? Как определить силу свободного падения?

График результатов показывает, что проделанное расстояние пропорционально квадрату времени, затраченному в процессе падения. В результате расчётов ускорения вы должны получить примерно 9,81 м/с². Время реагирования человека составляет приблизительно 0,25 секунды, что для большинства людей не достаточно быстро, чтобы успеть ухватить купюру. Почему? График, который вы построили, покажет, что чем дольше падает линейка, тем быстрее она прекращает движение. Это объясняет кривая на графике: из-за постоянного ускорения, вызванного силой гравитации, скорость объекта будет расти быстрее.

При свободном падении ускорение всех тел одинаково, этот факт объясняется тем, что сила тяжести пропорциональна массе Земли. Также, при этом, сила гравитации Земли, тянущая вниз, и сила сопротивления воздуха, подталкивающая вверх, равны. Хорошей аналогией будет полет парашютиста: несмотря на то, что гравитация всё ещё действует на его тело, скорость его падения не настолько большая, поскольку сила воздуха поддерживает его. В этом эксперименте сопротивление воздуха и торможение не являются главным вопросом, поскольку объекты падают на очень короткие расстояния.

Проект «Зависит ли сила удара при падении от высоты»

Опыты над телами, подвергающимися воздействию разных сил, проводились еще в древности. До нас дошли свидетельства про опыты Галилея.

Галилео Галилей – итальянский физик, математик, астроном, философ, который сыграл видную роль в Научной Революции. Говорят, что он якобы бросил предметы с Пизанской башни, чтобы доказать, что эти объекты упадут одновременно, независимо от их массы, сформулировав, таким образом, закон свободного падения. Мы проведём подобный эксперимент и постараемся определить, как высота влияет на силу удара.

Цель – узнать, испытают ли падающие объекты, брошенные с большой высоты, более сильный удар, чем объекты, упавшие с небольшого расстояния.

Что нам понадобится:

• маленький твёрдый мяч (как мяч для гольфа);
• большая прозрачная коробка с песком внутри;
• высокое здание с окнами на одной стороне или лестницей (пожалуйста, будьте осторожны);
• линейка и метровая линейка;
• весы;
• друг, который вам поможет;
• ручка и бумага для записей.

Ход эксперимента:

1. Взвесьте мяч на весах, запишите результаты.
2. Измерьте расстояние от того места, с которого вы собираетесь бросить мяч, до поверхности песка. Начните с небольшой высоты. Запишите расстояние.
3. Просто уроните мяч, прямо в песок. Не прилагайте усилий. То есть, не бросайте мяч.
4. Осторожно возьмите мяч из песка, измерьте глубину выемки, которую он проделал, если таковая имеется.
5. Затем повторите шаги 2-4, но увеличивайте высоту. Помните, что нужно просто ронять мяч, а не бросать, поскольку это повлияет на результат.
6. Теперь мы собираемся узнать силу удара с разной высоты. Помните, что гравитация всегда составляет 9,81 м/с² (метр на секунду в квадрате). Мы подсчитаем скорость в момент удара при помощи этой формулы:

v=√2gh(квадратный корень),

где g – гравитация,
h – высота, с которой роняли мяч (которую нужно был записать).

1. Это покажет скорость непосредственно перед столкновением с поверхностью земли.
2. Чтобы подсчитать кинетическую энергию (в джоулях), нам понадобится следующая формула:

KE=mv²/2,

где m – масса объекта в килограммах,
v – скорость.

1. Чтобы вычислить среднюю силу удара (в ньютонах) используется принцип работы энергии:

d = расстояние после столкновения (которое вы должны измерить в песке). Так в каком случае сила удара была выше?

Таблица

Расстояние	Расстояние после удара
___________м
___________м

Вывод:

Почему, если бросить мяч вниз, а не просто уронить его, результаты эксперимента изменятся? Откуда мы знаем, что гравитация всегда составляет 9,81 м/с²? Что это вообще такое?

Проект «Гравитация и баланс»

Сила гравитации – это склонность объектов двигаться по направлению к другим (более крупным) объектам. Земля – очень крупный объект, по сравнению со всеми остальными известными нам предметами, поэтому всё падает по направлению к ней. Если объект поддерживать, то есть с обеих сторон воздействовать на него с одинаковой силой, он находится в равновесии.

Этот проект изучает взаимосвязь между гравитацией и равновесием. Цели проекта:

1. Провести эксперимент, связанный с равновесием.
2. Найти способы использования равновесия.

Что нам понадобится:

• компьютер с доступом в интернет;
• цветной принтер;
• цифровая камера;
• обычные инструменты для офиса или поделок (бумага, ручки, картон, клей и т.д.);
• металлические гвозди длиной 10 см (около 12 штук);
• сырые яйца.

Все материалы можно найти дома или в магазине.

Ход эксперимента:

1. Прочтите статьи по этой теме.
2. Найдите ответы на все вопросы исследования, приведённые выше.
3. Найдите и распечатайте интересные фотографии, где изображается физическое равновесие. На фотографиях могут быть гимнасты, конькобежцы, скульптуры, конструкции из металла и всё, что покажется подходящим.
4. Также делайте фотографии во время проведения эксперимента.
5. Примените равновесие на примере с гвоздями, как описано ниже.
6. Проведите эксперимент, понаблюдайте за равновесием сырых яиц. Говорят, что это можно сделать только в первый день весны. Правда это или вымысел?
7. Разработайте свой собственный уникальный эксперимент на равновесие (по желанию). Например, проведите опыт с полоской картона, изучая воздействие на нее сил гравитации и равновесия.
8. Изложите результаты своих исследований в детальном отчёте.
9. Включите интересные фотографии и модели в экспозицию своей научной выставки.
10. Проведите соревнование по равновесию сырых яиц для посетителей вашей выставки.

Вывод:

Что такое гравитация? Что даёт нам ощущение физического равновесия? Какие технические изобретения полагаются на равновесие? Почему на велосипеде легче балансировать в движении, а не в неподвижном состоянии?

Проект «Гравитация и пружина»

Что заставляет пружину перемещаться по ступенькам? Этот простой эксперимент замечательно иллюстрирует гравитацию и импульс. Ваш ребёнок увидит, как кольца пружины продолжают двигаться после того, как вы поставите игрушку на лестницу. Постарайтесь определить, влияет ли наклон на скорость перемещения пружины.

Что нам понадобится:

• ступеньки;
• маленькая наклонная горка из фанеры или материалы, из которых можно соорудить подобную конструкцию;
• игрушечная пружина;
• секундомер;
• блокнот;
• ручка или карандаш.

Ход эксперимента:

1. Поместите один конец пружины на верхней ступеньке лестницы. Придержите его, одновременно поднимая второй конец и размещая его на следующей ступеньке.
2. Поразмыслите о том, что вы знаете о гравитации и импульсе. Если вы знаете недостаточно, изучите.
3. Как вы думаете, что случится с пружиной, если ступеньки будут невысокими. И наоборот, что произойдёт, если её поставить на крутую лестницу? Запишите свои размышления. Это предположение называется гипотезой.
4. Установите пружину на верхней ступеньке, пустите её вниз. Включите секундомер.
5. Понаблюдайте, насколько быстро и как далеко переместится пружина.
6. Остановите секундомер, когда пружина прекратит перемещаться.
7. Затем установите деревянную горку, создавая небольшой наклон. Это можно сделать при помощи фанеры и книг. Постарайтесь создать наклон под углом 15 градусов.
8. Включите секундомер, запустите пружину. Остановите секундомер, когда пружинка перестанет перемещаться. Запишите свои наблюдения.

Вывод:

Гравитация и импульс от пружины отличается в зависимости от угла наклона. Если пружина перемещается по ступенькам лестницы, она движется быстрее, поскольку гравитация тянет её вниз с большей силой. Если пружина перемещается по поверхности с небольшим углом наклона, она будет двигаться медленнее, но сможет продвинуться дальше, потому что импульс устойчивый.

Достаточно ли для вас физики игрушечной пружины? Постарайтесь поэкспериментировать с пружинками разных размеров и под разным углом наклона. Как вы считаете, маленькая пружина будет двигаться быстрее или медленнее? Что произойдёт, если использовать пластиковую пружину вместо металлической? Высказывайте новую гипотезу каждый раз, когда вы что-то меняете, и посмотрите, верными ли окажутся ваши догадки.

Проект «Свободное падение предметов»

Крупные объекты, маленькие объекты, короткие объекты, плоские объекты – примеры свободного падения могут включать любые объекты, для гравитации нет разницы! Расскажите вашему маленькому учёному о поразительной силе гравитации, сравнивая скорость падения двух вкусных фруктов. Результаты его могут удивить.

Что нам понадобится:

• маленький арбуз;
• яблоко;
• высокая конструкция на игровой площадке.

Ход эксперимента:

1. Вскарабкайтесь наверх конструкции на игровой площадке, сядьте с ребёнком. Возьмите арбуз и яблоко в руки. Знает ли ребёнок, какой из этих плодов тяжелее?
2. Попросите ребёнка вообразить, что арбуз и яблоко падают с высоты. Что будет падать быстрее. Многие люди – и не только дети – думают, что тяжесть объекта определяет его скорость, то есть что более тяжёлые объекты падают быстрее, чем лёгкие.
3. Переместитесь на самую высокую точку игровой конструкции. Не старайтесь забраться выше, чем позволяют особенности этой конструкции.
4. Дайте ребёнку яблоко, а сами держите арбуз.
5. Бросьте оба объекта одновременно. Какой из них упадёт на землю первым? Намёк: если этот эксперимент выполнить правильно, арбуз и яблоко упадут на землю одновременно. Если более тяжёлый объект падает первым, вам нужно бросать их с более высокой точки.
6. Удивлён ли ваш ребёнок? Как это возможно, что громоздкий большой арбуз падает с такой же скоростью, как и маленькое яблоко?
7. Объясните принцип гравитации. Та же самая сила, которая держит вас на земле, притягивает арбуз и яблоко. Гравитация не воздействует сильнее на более крупные объекты: сила притяжения одинаковая. Именно поэтому все объекты падают с одинаковой скоростью. Не имеет значения, идёт ли речь о шаре для боулинга или мячике для пинг-понга, они оба упадут на землю одновременно, если их бросать с достаточно высокой точки. Для детей такое объяснение действия гравитации обычно достаточно, чтобы они научились понимать это явление в физике. Как насчёт шара для боулинга и листка бумаги? Безусловно, шар для боулинга достигнет поверхности земли раньше, но это связано с ещё одной силой – сопротивлением воздуха. Объясните любопытному ребёнку, что независимо от того, верит он или нет, листок бумаги и шар для боулинга упали бы на землю одновременно в вакууме!

Вывод:

Как бы вы описали своими словами свободное падение, что это такое? Что такое гравитация, какое объяснение для детей было бы по-вашему самым понятным?

Заключение

Все описанные в опытах явления и законы физики достаточно сложные для понимания, несмотря на то, что мы подвергаемся их воздействию каждую секунду. Постарайтесь подумать, как можно рассказать о них так, чтобы они стали понятными даже маленьким детям. Объясните их сначала друзьям, покажите их на примерах из уже проведенных опытов. Со временем вы научитесь рассказывать о них простыми словами!