Естественные науки

Физика, кто прав Галилей или Аристотель?

Здравсивуйте уважаемые знатоки. Такой спор возник. Есть два шара с одинаковым диаметром, но один весит 1кг другой 100кг. Если сбросить их, без ускорения, с одинаковой высоты 100м (или 1000м (если это влияет на результат)), то тяжелый шар упадет раньше или они оба упадут на землю одновременно?
Сразу отмечу то, с чем и так все согласны: в пустоте, без учёта сопротивления воздуха, шарики упали бы одновременно, с какой высоты их не роняй. Вопрос в другом - как скорость меняется при движении в воздухе и будет ли она зависеть только от высоты, или от высоты и массы (притом, что аэродинамические характеристики одинаковы, но массы различны).

Зависимость изменения скорости от пути для движения тела произвольной формы (для шарика всё ещё проще, но не суть) разбирается, например, здесь: http://stu.sernam.ru/book_stm.php?id=82

При выводе результата предполагается, что сила тяжести и плотность среды постоянны (что для 1000 метров уже явно не так, но сути дела это не меняет).

Если проанализировать конечный результат, становится понятно, что в эту зависимость масса-таки входит - притом, что школьная формула, без учёта сопротивления среды, для аналогичной зависимости включает только пройденный путь и ускорение свободного падения.

Так что ответ - да, при учёте сопротивления среды эти два шарика, оброненные с одной и той же высоты, коснутся земли в разное время, причём эта разница тем больше, чем больше высота и разница в массах.

Основная разница во времени падения - при сравнительно больших высотах - набегает на участке падения с постоянной скоростью, так называемой установившейся скоростью, которая сильно зависит от аэродинамики и массы тела. Именно из-за неё пуховый шарик падает медленнее стального. Формулу опять-таки опускаю: мы ж здесь не все математики.

Ну и в заключении - мысленный эксперимент. Как падают детские надувные шары все знают. Медленно. Точнее говоря, они достаточно быстро достигают установившуюся скорость, а она у них очень мала - из-за малой массы.

Представьте себе, что с той же высоты мы обронили точно такой же шар, из того же материала (резины или полиэтилена), того же размера, с теми же аэро-характеристиками, но цельнолитой.
Представили? Вопросов, я думаю, нет.
Цельнолитой мяч шлёпнется раньше.

По двум причинам.
Во-первых, его установившаяся скорость много больше. Вот вторых, он её достигнет не скоро, а до той поры будет падать с ускорением - притом что легкий конкурент давно достиг низкой установившейся скорости и движется равномерно...

PS
Простите за много букв - в формулах и цифрах это выглядело бы короче. Но так всегда бывает, если пытаешься передать строгое описание явления на чуждом явлению языке.
Максим Распаев
Максим Распаев
59 627
Лучший ответ
Артём Кабанов первый шар -полый стальной, залитый внутри свенцом, второй шар точно такой же формы и тоже стальной но залит алюминием, масса разная. форма и диаметр, шершавость одинаковая. шарик с воздухом или из пуха нельзя брать так как сопротивление и архимедова сила разные у них против стальных шаров.
а ты не шары возьми, а два одинаковых больших листа: фанерный и стальной, швырни их и посмотри, как лететь будут
разница будет т. к. вы забыли исключить атмосферу из опыта, но со 100м эта разница будет мизерна.... километров с 10 надо сбрасывать
Саша Ткачёв Если шары аэродинамически эквивалентны (радиус, качество поверхности), то даже при очень значительной разнице в массах шаров и при любой высоте они упадут совершенно одновременно.
Артём Кабанов атмосферу не надо исключать, т. е. она в нашем споре присутствует))) т. е. аристотель был прав по вашему?
Как ни странно: Аристотель вроде умный мужик, но поленился с берега кинуть два камушка разной массы, чтобы убедиться, что они одновременно шлёпнутся об воду. И религия 2 000 лет парила мозги людям и запрещала думать иначе, чем сказал когда-то Аристотель.
Проделаны уже десятки тысяч опытов в подтверждение правоты Галилея. Но Вы им не верите? Молодца!

Вполне существует такая техническая возможность шары в 100 кг. и в 1 кг. изготовить одинакового диаметра и с эквивалентными аэродинамическими свойствами поверхности. В этом случае они упадут на землю точно одновременно. Да вспомните, хотя бы школьный опыт с трубкой, из которой откачан воздух с дробиной, пером и куском пробки. Всё падает одновременно. Это и есть простейшее экспериментальное подтверждение правоты Галилея.
Артём Кабанов просто где бы не смотрел, одновременно пишут что в вакууме упадут. а в воздушном пространстве, если просто подняться на это расстояние тоже ведь? т. к форма и диаметр одинаковые
Марина Майорова Неправильно. При одинаковых аэродинамических характеристиках раньше упадёт более массивный.
Это очень просто. Я Вам сейчас буквально на пальцах объясню.
Согласитесь, что быстрее полетит тот шар, у которого ускорение больше?

Давайте сравним ускорения действующие на два шарика отличающиеся друг от друга только плотностью.
Для этого найдет равнодействующую силу F действующую на шарик массы m. Координатная ось для удобства направлена к Земле.
F=Fт-Fа-Fсв
где Fт - сила тяжести, Fa - архимедова сила, Fсв - сила сопротивления воздуха

ускорение итоговое а=F/m=(Fт-Ff-Fсв) /m= Fт/m - (Fa+Fсв) /m= g - (Fa+Fсв) /m

В случае падения в вакууме минусовой член равен нулю.
Но в случае наличия атмосферы получаем другой результат. Плюсовая составляющая будет одной и той же и равна ускорению свободного падения. А вот замедляться будет тем сильнее чем меньше масса. Масса входит в знаменатель и при этом числитель НЕ ЗАВИСИТ от массы. Он состоит из архимедовой силы,. которая не зависит от массы и сила сопротивления, которая не зависит от массы, а зависит от скорости.

Таким образом в атмосфере при прочих равных условиях более тяжёлое тело будет падать быстрее более лёгкого.
В вакууме одинаково. А если в атмосфере. то тяжелый шар упадет раньше.
Шары с одинаковым диаметром, Легкий шар более податлив на сопротивление воздуха.
АК
Алекс Козлов
37 630
Возьмите ручку и пульт от телевизора, положите их на ладонь максимально далеко друг от друга насколько это возможно. Выставьте руку с пультом и ручкой в сторону. Резко уберите руку из под пульта и ручки. Пульт и ручка упадут на пол практически одновременно. Постелите что ни будь мягкое на пол, пульт жалко. : )
Норма Норма
Норма Норма
4 430
Марина Майорова Прекрасно. А теперь возьмите футбольный мяч и воздушный шарик того же размера. И можно ничего не подстилать.
Одновременно вроде
полная фигня-противоречит закону всемирного тяготения. чем больше масса одного из тел-тем сила(ускорение) сближения больше-ускорение свободного падения ему равно(одно тело считается неподвижным)-увеличивая массу одного--растет ускорение в силе при постоянстве массы другого.