Vapaapudotuksen liikemateriaali
Muinaisina aikoina maahan putoavien kappaleiden liike oli erittäin mielenkiintoinen aihe luonnonfilosofiassa. Filosofi Aristoteles sanoi kerran, että suurempimassaiset kappaleet putoavat nopeammin kuin kevyemmät kappaleet. Aristoteleen mielipide vaikutti ennen Galileota eläneiden ihmisten näkemyksiin, jotka uskoivat, että suurempimassaiset kappaleet putoavat nopeammin kuin kevyemmät kappaleet ja että kappaleen putoamisnopeus on verrannollinen sen massaan. Ehkä ennen tämän aiheen tutkimista ajattelit sinäkin samoin.
Pudota paperinpala ja kirja samalta korkeudelta. Aseta paperi vasemmalle kämmenellesi ja kirja oikealle kämmenellesi. Pudotuksen jälkeen kirja osuu lattiaan ensin ja paperi myöhemmin. Kokeile nyt asettaa paperi kirjan päälle ja pudottaa sitten sekä paperi että kirja lattialle. Tällä kertaa paperi ja kirja osuvat lattiaan samanaikaisesti.
Kappaleen sanotaan pudottavan vapaasti, jos se liikkuu kohtisuorassa maan keskipisteeseen nähden ja liikkeen aikana siihen kohdistuu vakion painovoimakiihtyvyys. Jos se putoaa vapaasti lähelle maan pintaa, se kokee vakion 9,8 m/s2:n painovoimakiihtyvyyden ja painovoimakiihtyvyyden suunta on kohti maan keskipistettä (kohtisuorassa maan pintaan nähden). Oppilaiden laskelmien yksinkertaistamiseksi g pyöristetään arvoon 10 m/ s2.
On olemassa kolme erilaista tilannetta, mukaan lukien:
1. Kappale liikkuu pystysuunnassa alaspäin ilman alkunopeutta (ei v-arvoa)o). Esimerkiksi hedelmä putoaa puusta irrottuaan varrestaan. Liikesuunta on aina alaspäin ja kappale kiihtyy, joten gravitaatiokiihtyvyys (g) on aina positiivinen. Joissakin fysiikan kirjoissa sitä kutsutaan vapaa pudotusliike
2. Kappale liikkuu pystysuunnassa alaspäin tietyllä alkunopeudella (on vo). Esimerkiksi kivi heitetään pystysuoraan alaspäin. Liikesuunta on aina alaspäin ja kappale kiihtyy, joten g on aina positiivinen. Joissakin fysiikan kirjoissa sitä kutsutaan alaspäin suuntautuva pystysuora liike.
3. Kappale liikkuu pystysuunnassa ylöspäin tietyllä alkunopeudella. Saavutettuaan maksimikorkeutensa kappale liikkuu takaisin alas. Esimerkiksi heität marmorikuulan pystysuunnassa ylöspäin ja otat sen sitten uudelleen kiinni sen liikkuessa alaspäin. Ylöspäin liikkuessaan kappale hidastuu (negatiivinen g), alaspäin liikkuessaan se kiihtyy (positiivinen g). Joissakin fysiikan oppikirjoissa tätä kutsutaan ylöspäin suuntautuva pystysuora liike.
On huomattava, että jos kappale kokee yhden yllä mainituista kolmesta ehdosta, kappaleen sanotaan olevan vapaassa pudotuksessa.
Vapaan pudotuksen liikkeen kaava
Vapaa pudotusliike on esimerkki tasaisesti muuttuvasta lineaariliikkeestä, joten vapaan pudotuksen kaava on pohjimmiltaan sama kuin tasaisesti muuttuvan lineaariliikkeen kaava ja se on sovitettu vapaan pudotuksen olosuhteisiin.
Tietoja:
h = korkeus (metriä), vo = alkunopeus (metriä/sekunti), vt = loppunopeus (metriä/sekunti), t = aika (sekunti), g = painovoiman kiihtyvyys (metriä/sekunti)2) = 9,8 m/s2 tai 10 m/s2.
Jatkuva painovoimakiihtyvyys 10 m/s2 (positiivinen g – kappale liikkuu alaspäin), mikä tarkoittaa, että kappaleen nopeus kasvaa 10 m/s joka sekunti. 2 sekuntia myöhemmin kappaleen nopeus on 20 m/s, 3 sekuntia myöhemmin kappaleen nopeus on 30 m/s. Painovoiman hidastuvuus on vakio 10 m/s.2 (g on negatiivinen, kappale liikkuu ylöspäin) eli kappaleen nopeus hidastuu 10 m/s2 joka sekunti. 2 sekuntia myöhemmin kappaleen nopeus hidastuu 20 m/s. 3 sekuntia myöhemmin kappaleen nopeus hidastuu 30 m/s.
Jatkuvaa kiihtyvyyttä tai hidastuvuutta esiintyy vain lähellä maan pintaa. Aiheessa Newtonin painovoimalaki, opit, että g:n arvo pienenee etäisyyden neliössä.
Tutki esimerkkejä vapaan pudotuksen ongelmista , esimerkkejä alaspäin suuntautuvan pystysuoran liikkeen ongelmista ja esimerkkejä ylöspäin suuntautuvan pystysuoran liikkeen ongelmista, jotta ymmärrät vapaata pudotusta käsittelevän materiaalin paremmin.
