自由落体的运动特点,自由落体运动的中间过程

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-05-14 22:24:11

自由落体的球将怎样运动?How does a falling ball move after it is dropped?

这需要详细分析球下落后的速度和位置。首先,球向下运动的速度匀速增加,但它每秒下落的距离不断增大。

  1. Zero Gravity

为了更好的理解球的位置与速度的变化,我们先假设重力消失。让我们看看没有重力的情况下,静止释放的球会如何运动。重力消除,现在重力加速度为0,这时释放一个静止的球,它会如何运动?因为不受重力,球没有加速度,所以一开始释放时球的速度为0,它就保持静止。球有惯性,它没有任何变化。它只是停留在原来的位置。

但我要画出速度随时间变化的图像。因为速度是矢量,想要画出矢量是很困难的,它既有大小又有方向。所以我实际上打算画的是速度的竖直分量(速度在竖直方向的部分)。这个竖直方向的速度会影响球到地面的高度。没有重力的情况下,我从静止释放球,那么画出来球的竖直速度随时间的变化图为:

自由落体的运动特点,自由落体运动的中间过程(1)

球的初速度为0.随着时间的流逝,它的速度还是0。这时因为惯性,在不受重力的情况下,重力造成的加速度为0,所以球的速度是不变的。

这个有点无聊,我们需要让球动起来。尽管仍加收不受重力,如果我们想要球动起来,我要再次释放手上的球,但这次我放手前,我要推一下球,我要确保球被释放时,有一个向下的速度。当我给它一个向下的初速度,球将如何运动?当它开始运动时,我将记录下两个量。首先,我要向之前一样画出球竖直方向的速度分量。同时我还要画出球在竖直方向的位置分量。什么是竖直方向的位置分量呢?也就是相对于某个初始点的球的高度差。我把释放球的位置作为初始零点。所以如果球从我释放它的位置向下落,相对于起始点,它的位置在零点下面。在位置图里,竖直分量将会是负值。

自由落体的运动特点,自由落体运动的中间过程(2)

可以看到,这次球保持惯性,向下下落。因为我们假设没有重力,球受到的合外力为0,所以不管球以什么速度开始运动,它将保持不变。所以速度并不随时间变化。但是球的位置发生了变化。球以恒定的速度经过了一些距离,在这种情况下,每过一秒,它的位置越低。

问题:如果没有重力,球在你松开手后,最终会开始向下移动吗?

答:不会。因为没有重力,就没有重力引起的加速度。球向下移动的趋势不会比向任何其他方向移动的趋势大。

没有重力的情况下,被释放的球仍保持惯性。它不受到外力作用,所以保持匀速运动,并且遵守牛顿第二定律。不管开始的时候,你让它往哪儿运动,它都会保持朝那个方向运动。

  1. Weak Gravity (x 0.01)

好吧,让我们假设有一点点重力吧。这次我们只考虑地球引力的百分之一。所以加速度将是0.098 m/s2,是真实世界的百分之一。你可以看到,球将向下加速,随着时间变化,下落速度越来越快。同时,球的位置也会变化,向下移动。 首先我从静止释放球,球在如此微弱的重力影响下,将向下加速运动。

自由落体的运动特点,自由落体运动的中间过程(3)

刚开始的时候,球运动得很慢。因为我从静止开始释放它,然后它下落的越来越快。由于有向下的速度,它每秒下落的距离越来越大。在第一秒,它没有下落多远,因为它此时运动得非常慢。在第二秒中,它下落得远一些。第三秒,移动得更远一些。这是重力很小的情况下,球的运动。

  1. Real Gravity

我们要展示现实生活中重力作用下的运动情况了。地球引力很强,足够让物体很快落地。如果我从三楼放下一个保龄球,下落到地面的时间也不过差不多1.2秒。想要了解保龄球是如何下落的,就要知道保龄球的位置和速度随时间的变化情况。如果要知道速度,那么我们需要知道两个球的位置。而要看清加速度大小,我们需要三个位置。我们可以用手机录下球的下落过程。相机每秒记录30秒,也就是每秒球的30个位置。所以每1/30秒,我们都会记录球的位置。而根据位置,我们可以观察到它的速度和加速度。一开始,保龄球下落的非常慢,它下落的速度很小,所以位置变化也很慢。下落大约1秒后,球向下的速度变大了很多,毕竟,球向下的重力加速度很大,因此,快要落地前,球向下的速度很大,它的位置变化也很快。我们将放开球的地方作为零点,记录每1/5秒球的位置,就可以知道球的速度,速度是位置随时间变化的快慢,因此观察速度必须观察位置的变化。我们可以得到下图:

自由落体的运动特点,自由落体运动的中间过程(4)

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