▷ السقوط الحر

يشرح هذا المقال ما هو السقوط الحر في الفيزياء. ستجد أيضًا معادلات السقوط الحر، بالإضافة إلى مثال محلول لجسم يسقط في سقوط حر.

ما هو السقوط الحر؟

في الفيزياء، السقوط الحر هو نوع من الحركة المستقيمة التي يسقط فيها الجسم عموديًا من ارتفاع معين فقط تحت تأثير الجاذبية. بمعنى آخر، في السقوط الحر، يسقط الجسم في خط مستقيم ويهمل الاحتكاك بالهواء أو بأي عائق آخر.

وبالتالي فإن السمة الرئيسية للسقوط الحر هي أن الاحتكاك (أو الاحتكاك) مع الهواء لا يؤخذ في الاعتبار. وبالتالي، فإن القوة الوحيدة المشاركة في حركة السقوط الحر هي قوة الجاذبية.

على سبيل المثال، إذا أسقطنا كرة من سطح مبنى وتجاهلنا احتكاك الكرة بالهواء، فإنها تؤدي حركة سقوط حر لأن القوة الوحيدة المؤثرة عليها هي قوة الجاذبية.

صيغ السقوط الحر

أدناه يمكنك أن ترى ما هي جميع الصيغ لحركة السقوط الحر. ستسمح لك هذه الصيغ بحل مشاكل السقوط الحر للجسم.

موضع

الجسم الذي يسقط بحرية دون أي احتكاك يؤدي حركة مستقيمة متسارعة بشكل منتظم (MRUA). وبالتالي، فإن الصيغة التي ستمكن من حساب موضع الجسم في حالة السقوط الحر يتم استخلاصها من صيغة موضع MRUA :

$y=H-v_0\cdot (t-t_0)-\cfrac{1}{2}\cdot g \cdot (t-t_0)^2$

ذهب:

$y$

هو ارتفاع الجسم في حالة السقوط الحر .
$H$

هو الارتفاع الذي يتم إسقاط الجسم عليه.
$v_0$

هي السرعة الأولية للجسم.
$t$

هي اللحظة التي يتم فيها حساب موضع الجسم.
$t_0$

هي اللحظة الأولية.
$g$

هو تسارع الجاذبية الأرضية، وقيمته على الأرض 9.81 م/ث ² .

لاحظ أن أصل إحداثيات هذا النظام المرجعي هو الأرض. بمعنى آخر، سيصطدم الجسم بالأرض عند الموضع y=0.

سرعة

الجسم الذي يسقط سقوطًا حرًا دون أي احتكاك يصف حركة مستقيمة متسارعة بشكل منتظم، وبالتالي فإن الصيغة التي ستسمح لنا بإيجاد السرعة في أي لحظة هي كما يلي:

$v=v_0-g\cdot (t-t_0)$

ذهب:

$v$

هي سرعة الجسم في لحظة معينة.
$v_0$

هي السرعة الأولية للجسم.
$g$

هو تسارع الجاذبية الذي تبلغ قيمته على الأرض 9.81 م/ث ² .
$t$

هي اللحظة الزمنية التي يتم خلالها حساب سرعة الجسم.
$t_0$

هي اللحظة الأولية.

ملحوظة: ضع في اعتبارك أن الجسم الذي يسقط سقوطًا حرًا يتجه إلى أسفل، وبالتالي فإن السرعة لها إشارة سالبة. لذلك، كلما انخفض الجسم، كلما كانت سرعته أكثر سلبية.

التسريع

أثناء السقوط الحر، يتم إهمال كل الاحتكاكات، والقوة الوحيدة التي تتدخل هي قوة الجاذبية. وبالتالي فإن التسارع ثابت طوال المسار.

$a=-g$

ذهب:

$a$

هو تسارع الجسم.
$g$

هو تسارع الجاذبية الذي تبلغ قيمته على الأرض 9.81 م/ث ² .

ملخص صيغ السقوط الحر

يمكنك أدناه رؤية جدول يحتوي على جميع صيغ السقوط الحر كملخص:

لاحظ أن كتلة الجسم النازل في السقوط الحر لا تظهر بأي صيغة، مما يعني أن موضع الجسم وسرعته وتسارعه لا تعتمد على كتلته إذا أهملنا الاحتكاك.

حل تمرين السقوط الحر

في هذا القسم سوف نقوم بحل تمرين السقوط الحر خطوة بخطوة، حتى تتمكن من فهم مفاهيم هذا النوع من الحركة بشكل أفضل.

تحرر جسم في سقوط حر من ارتفاع 80 مترًا وبسرعة ابتدائية صفر. ما مدى سرعة ارتطام الجسم بالأرض؟ أهمل الاحتكاك بالهواء واحسب قيمة الجاذبية g=10 m/s ² .

لتحديد سرعة الجسم في حالة السقوط الحر عند اصطدامه بالأرض، علينا أولًا إيجاد الزمن في حالة السقوط الحر. عندما يكون الجسم على الأرض فإن موضعه سيكون y=0، لذلك نساوي معادلة الموضع بالصفر:

$y=H-v_0\cdot (t-t_0)-\cfrac{1}{2}\cdot g \cdot (t-t_0)^2$

$0=80-0 \cdot (t-0)-\cfrac{1}{2}\cdot 10 \cdot (t-0)^2$

$0=80-5t^2$

نحل المعادلة التربيعية الناتجة:

$\begin{aligned}5t^2&=80\\[2ex]t^2&=\cfrac{80}{5}\\[2ex]t^2&=16\\[2ex]t&=\sqrt{ 16}=\begin{cases}4\\[2ex]-4 \ \color{red}\bm{\times}\end{cases}\\[2ex]t&=4\ s\end{aligned}[/ latex] Et maintenant que nous connaissons le temps nécessaire au corps pour atteindre le sol, nous utilisons l'équation de la vitesse pour trouver la vitesse finale du corps : [latex]\begin{aligned}v&=v_0-g\cdot (t-t_0)\\[2ex]v&=0-10\cdot (4-0)\\[2ex]v&=-40 \ \cfrac{ m}{s}\end{aligné}$

السقوط الحر والرماية العمودية

أخيرًا، سنرى ما هو الفرق بين السقوط الحر والتسديدة العمودية، حيث أنهما نوعان متشابهان جدًا ولكنهما مختلفان قليلاً.

تتضمن الرمية العمودية رمي الجسم عموديًا إلى أعلى، بحيث يرتفع الجسم أولًا ثم يهبط حتى يصل إلى الأرض. وبالمثل، في اللقطة العمودية، يمكن أيضًا رمي الجسم إلى الأسفل، والشيء المهم هو أن يتحرك في خط مستقيم ويتم تطبيق السرعة الأولية.

الفرق بين السقوط الحر والرمي العمودي هو أنه بشكل عام، أثناء السقوط الحر، ليس للجسم سرعة ابتدائية، حيث يتم إسقاط الجسم ببساطة. في المقابل، أثناء الرمي العمودي، يكون للجسم سرعة ابتدائية، حيث يتم تطبيق القوة عند رمي الجسم.

ولذلك فإن سرعة الجسم النهائية وزمن وصوله إلى الأرض يختلفان في السقوط الحر والرمي العمودي. لكن التسارع هو نفسه في كلا النوعين من الحركة، لأنه تسارع الجاذبية.

➤ انظر: خصائص المستوى العمودي

ما هو السقوط الحر؟

صيغ السقوط الحر

موضع

سرعة

التسريع

ملخص صيغ السقوط الحر

حل تمرين السقوط الحر

السقوط الحر والرماية العمودية

اترك تعليقا إلغاء الرد