▷ 자유낙하

이 기사에서는 물리학에서 자유낙하가 무엇인지 설명합니다. 또한 자유 낙하의 공식과 더불어 자유 낙하 시 물체가 추락하는 문제를 해결한 예도 찾아볼 수 있습니다.

자유 낙하란 무엇입니까?

물리학에서 자유 낙하는 중력의 영향을 받아 물체가 특정 높이에서 수직으로 떨어지는 일종의 직선 운동입니다. 즉, 자유낙하에서는 물체가 직선으로 낙하하며 공기나 다른 장애물과의 마찰은 무시됩니다.

따라서 자유낙하의 주요 특징은 공기와의 마찰(또는 마찰)이 고려되지 않는다는 것입니다. 따라서 자유 낙하 운동과 관련된 유일한 힘은 중력입니다.

예를 들어, 건물 지붕에서 공을 떨어뜨리고 공과 공기의 마찰을 무시하면 공에 작용하는 유일한 힘은 중력뿐이므로 공은 자유 낙하 운동을 수행합니다.

자유 낙하 공식

아래에서 자유 낙하 운동에 대한 모든 공식이 무엇인지 확인할 수 있습니다. 이 공식을 사용하면 신체의 자유 낙하 문제를 해결할 수 있습니다.

위치

마찰 없이 자유롭게 낙하하는 물체는 등가속도 직선 운동(MRUA)을 수행합니다. 따라서 자유 낙하 시 물체의 위치를 계산할 수 있는 공식은 MRUA 의 위치 공식에서 추론됩니다.

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

금:

$y$

자유낙하 시 신체의 높이이다.
$H$

몸체가 투영되는 높이입니다.
$v_0$

는 신체의 초기 속도이다.
$t$

신체 위치가 계산되는 순간입니다.
$t_0$

초기 순간이다.
$g$

는 중력에 의한 가속도이며, 지구에서의 값은 9.81 m/s ² 입니다.

참고로 이 기준계의 좌표 원점은 지면입니다. 즉, 몸체는 y=0 위치에서 지면과 충돌하게 됩니다.

속도

마찰 없이 자유롭게 낙하하는 물체는 등속 가속 직선 운동을 나타내므로 어느 순간의 속도를 구할 수 있는 공식은 다음과 같습니다.

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

금:

$v$

주어진 순간의 신체의 속도입니다.
$v_0$

는 신체의 초기 속도이다.
$g$

는 중력가속도이며, 지구에서의 값은 9.81 m/s ² 입니다.
$t$

신체의 속도가 계산되는 순간입니다.
$t_0$

초기 순간이다.

참고: 자유 낙하하는 물체는 내리막길을 가고 있으므로 속도에는 음의 부호가 있다는 점을 명심하십시오. 따라서 몸체가 낮을수록 속도는 더 부정적이 됩니다.

가속

자유 낙하하는 동안 모든 마찰은 무시되며 개입하는 유일한 힘은 중력입니다. 따라서 가속도는 궤적 전체에서 일정합니다.

$a=-g$

금:

$a$

신체의 가속도이다.
$g$

는 중력가속도이며, 지구에서의 값은 9.81 m/s ² 입니다.

자유 낙하 공식 요약

아래에서는 모든 자유 낙하 공식을 요약한 표를 볼 수 있습니다.

자유 낙하 중에 하강하는 물체의 질량은 어떤 공식에도 나타나지 않습니다. 즉, 마찰을 무시하면 물체의 위치, 속도 및 가속도가 질량에 의존하지 않는다는 것을 의미합니다.

자유 낙하 운동 해결

이 섹션에서는 자유 낙하 운동을 단계별로 풀어보므로 이러한 유형의 운동에 대한 개념을 더 잘 이해할 수 있습니다.

시체가 80미터 높이에서 초기 속도가 0인 상태로 자유낙하로 풀려났습니다. 몸이 땅에 얼마나 빨리 닿는가? 공기와의 마찰을 무시하고 중력의 값을 g=10 m/s ² 로 간주합니다.

자유낙하하는 물체의 속도를 결정하려면 먼저 자유낙하하는 시간을 알아야 합니다. 몸체가 지면에 있을 때 위치는 y=0이므로 위치 방정식을 0으로 설정합니다.

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

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

$0=80-5t^2$

결과 이차 방정식을 푼다:

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

자유 낙하 및 수직 촬영

마지막으로, 자유낙하와 수직샷의 차이점이 무엇인지 살펴보겠습니다. 왜냐하면 두 가지가 매우 유사하지만 약간 다른 유형의 움직임이기 때문입니다.

수직 던지기는 몸을 수직으로 위쪽으로 던지는 것으로, 몸이 먼저 떠올랐다가 땅에 닿을 때까지 떨어집니다. 마찬가지로 세로샷에서도 몸을 아래로 던질 수 있는데, 중요한 것은 직선으로 움직이며 초기속도가 적용된다는 점이다.

자유 낙하와 수직 던지기의 차이점은 일반적으로 자유 낙하 중에는 신체가 단순히 떨어지기 때문에 신체에 초기 속도가 없다는 것입니다. 대조적으로, 수직으로 던질 때에는 몸을 던질 때 힘이 가해지기 때문에 몸은 초기 속도를 갖게 됩니다.

따라서 자유낙하와 수직투구에서는 최종 신체 속도와 땅에 도달하는 시간이 다릅니다. 그러나 가속도는 중력 가속도이므로 두 가지 운동 유형 모두 동일합니다.

➤ 참조: 수직면의 특성

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