Dieser Artikel erklärt, was freier Fall in der Physik ist. Außerdem finden Sie die Formeln für den freien Fall und zusätzlich ein gelöstes Beispiel für einen Körper, der im freien Fall abstürzt.
Was ist freier Fall?
In der Physik ist der freie Fall eine Art geradliniger Bewegung, bei der ein Körper aus einer bestimmten Höhe nur unter dem Einfluss der Schwerkraft senkrecht fällt. Mit anderen Worten: Beim freien Fall fällt ein Körper geradlinig und die Reibung mit der Luft oder einem anderen Hindernis wird vernachlässigt.
Das Hauptmerkmal des freien Falls besteht daher darin, dass die Reibung (oder Reibung) mit der Luft nicht berücksichtigt wird. Somit ist die einzige Kraft, die an der freien Fallbewegung beteiligt ist, die Schwerkraft.
Wenn wir beispielsweise einen Ball vom Dach eines Gebäudes fallen lassen und die Reibung des Balls mit der Luft ignorieren, führt er eine freie Fallbewegung aus, da die einzige auf ihn wirkende Kraft die Schwerkraft ist.
Formeln für den freien Fall
Unten sehen Sie alle Formeln für die Bewegung im freien Fall. Mit diesen Formeln können Sie Probleme des freien Falls eines Körpers lösen.
Position
Ein Körper, der frei und ohne Reibung fällt, führt eine gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung (MRUA) aus. Somit wird die Formel, die es ermöglicht, die Position eines Körpers im freien Fall zu berechnen, aus der Formel für die Position eines MRUA abgeleitet:
Gold:
-
ist die Höhe des Körpers im freien Fall.
-
ist die Höhe, auf die der Körper projiziert wird.
-
ist die Anfangsgeschwindigkeit des Körpers.
-
ist der Zeitpunkt, zu dem die Körperposition berechnet wird.
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ist der Anfangsmoment.
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ist die Erdbeschleunigung, deren Wert auf der Erde 9,81 m/s 2 beträgt.
Beachten Sie, dass der Koordinatenursprung dieses Bezugssystems der Boden ist. Mit anderen Worten: Der Körper kollidiert an der Position y=0 mit dem Boden.
Geschwindigkeit
Ein Körper, der ohne Reibung frei fällt, beschreibt eine gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung. Die Formel, mit der wir die Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt ermitteln können, lautet also wie folgt:
Gold:
-
ist die Geschwindigkeit des Körpers zu einem bestimmten Zeitpunkt.
-
ist die Anfangsgeschwindigkeit des Körpers.
-
ist die Erdbeschleunigung, deren Wert auf der Erde 9,81 m/s 2 beträgt.
-
ist der Zeitpunkt, in dem die Geschwindigkeit des Körpers berechnet wird.
-
ist der Anfangsmoment.
Hinweis: Bedenken Sie, dass ein frei fallender Körper bergab geht und die Geschwindigkeit daher ein negatives Vorzeichen hat. Je tiefer also der Körper liegt, desto negativer ist seine Geschwindigkeit.
Beschleunigung
Beim freien Fall wird jegliche Reibung vernachlässigt, die einzige Kraft, die eingreift, ist die Gravitationskraft. Daher ist die Beschleunigung über die gesamte Flugbahn hinweg konstant.
Gold:
-
ist die Beschleunigung des Körpers.
-
ist die Erdbeschleunigung, deren Wert auf der Erde 9,81 m/s 2 beträgt.
Zusammenfassung der Formeln für den freien Fall
Unten sehen Sie eine Tabelle mit allen Freifallformeln als Zusammenfassung:
Beachten Sie, dass die Masse des im freien Fall herabsinkenden Körpers in keiner Formel auftaucht, was bedeutet, dass die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Körpers nicht von seiner Masse abhängen, wenn wir die Reibung vernachlässigen.
Freifallübung gelöst
In diesem Abschnitt lösen wir Schritt für Schritt eine Übung zum freien Fall, damit Sie die Konzepte dieser Art von Bewegung besser verstehen.
- Ein Körper wird im freien Fall aus einer Höhe von 80 Metern und mit einer Anfangsgeschwindigkeit von Null freigesetzt. Wie schnell landet der Körper auf dem Boden? Vernachlässigen Sie die Reibung mit Luft und nehmen Sie den Wert der Schwerkraft als g=10 m/s 2 an.
Um die Geschwindigkeit des Körpers im freien Fall beim Aufprall auf den Boden zu bestimmen, müssen wir zunächst die Zeit im freien Fall ermitteln. Wenn der Körper auf dem Boden liegt, ist seine Position y=0, also setzen wir die Positionsgleichung auf Null:
Wir lösen die resultierende quadratische Gleichung:
![\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}](https://physigeek.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-acf2f09abd8f75c1ee0e570a6c0a93bc_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Freier Fall und vertikales Schießen
Abschließend werden wir sehen, was der Unterschied zwischen dem freien Fall und dem vertikalen Schuss ist, da es sich um zwei sehr ähnliche, aber leicht unterschiedliche Arten von Bewegungen handelt.
Bei einem Vertikalwurf wird ein Körper senkrecht nach oben geworfen, sodass der Körper zunächst steigt und dann fällt, bis er den Boden erreicht. Ebenso kann der Körper bei einem Vertikalschuss auch nach unten geschleudert werden, wichtig ist, dass er sich in einer geraden Linie bewegt und eine Anfangsgeschwindigkeit anliegt.
Der Unterschied zwischen freiem Fall und vertikalem Wurf besteht darin, dass der Körper beim freien Fall im Allgemeinen keine Anfangsgeschwindigkeit hat, da der Körper einfach fallen gelassen wird. Im Gegensatz dazu hat der Körper beim Vertikalwurf eine Anfangsgeschwindigkeit, da beim Werfen auf den Körper eine Kraft ausgeübt wird.
Daher unterscheiden sich die Endgeschwindigkeit des Körpers und die Zeit bis zum Erreichen des Bodens im freien Fall und im vertikalen Wurf. Allerdings ist die Beschleunigung bei beiden Bewegungsarten gleich, da es sich um die Erdbeschleunigung handelt.
