Fritt fall

Tänk dig att du står på taket av ett högt hus. I handen håller du två stycken identiska kulor. Den ena är gjord av bly, och den andra av trä. De ser likadana ut, men väger olika mycket. Du håller ut dina händer med en kula i var hand och släpper kulorna. Vilken kula landar först?

"En fritt fallande kropp har samma acceleration oberoende av sin massa." Denna slutsats drog redan Galileo Galilei på 1600-talet med hjälp av liknande experiment som det ovan. Alla fallande föremål (på jorden) dras med jordytan och accelererar med samma acceleration, tyngdaccelerationen. 

Denna acceleration är lika stor oberoende av hur mycket föremålet väger. Det är endast tyngdkraften som verkar på kroppen när den faller fritt, och den orsakar alltid samma acceleration. Kulorna ökar alltså sin hastighet med 10 m/s varje sekund. Detta innebär att kulorna landar samtidigt.

Luftmotståndet då?

Det är endast tyngdkraften som verkar nedåt på en kropp som faller. Men något försöker också förhindra fallet. På jorden har vi något som kallas för luftmotstånd. Luftens molekyler krockar med det fallande föremålet och försöker stoppa upp dess fall. Vad händer då om vi släpper ner två blykulor, men den ena är större än den andra?

Den större kulan krockar med fler luftmolekyler på sin väg ner, och luften hindrar alltså mer av rörelsen. Du vet redan att föremålen försöker accelerera med samma acceleration, men nu hindrar luften fallet. Följden blir att den större kulan bromsas kraftigare. När luftmotståndet verkar kommer föremålet att uppnå en så kallad gränshastighet. Detta är den största hastighet som föremålet kan få, eftersom luften kämpar emot fallet. Ett till ytan större föremål får alltså en lägre hastighet eftersom fler luftmolekyler kommer åt att krocka med föremålet.

Följden blir alltså:

I vakuum faller alla kroppar lika fort, oberoende av massa

Uppgifter:

1. Vad orsakar accelerationen vid fritt fall?

2. Hur stor är tyngdaccelerationen på jorden?

3. Vad innebär att en kropp uppnår sin gränshastighet?

4. Varför faller en fallskärmshoppare långsammare när skärmen vecklat ut sig? 

5. Turning Torso i Malmö är 190 meter hög. Vilken hastighet har en tegelsten (när den når marken) som faller från toppen och slår i marken 6 sekunder senare? Du behöver inte räkna med luftmotståndet.

Uppgift från Fysik Direkt, Sanoma

6. Här ser du en tabell över luftmotståndskoefficienter för olika former. Bedöm, med hjälp av tabellen:

a) vilket föremål som faller snabbare, en kula eller en kvadratisk låda (gjorda av lika mycket massa)?

b) varför man väljer att göra flygplan strömlinjeformade och ej rektangulära som ex. tåg?