تجربة هل تسقط جميع الاجسام بالسرعة نفسها

أثبتت تجربة سرعة سقوط الأجسام

أن جميع الأجسام تسقط بنفس السرعة في حالة السقوط الحر

، وتختلف سرعة سقوط الأجسام عند وجود عوامل مؤثرة مثل الضغط والحرارة والهواء.

الأصل في سقوط الأجسام على الأرض هي الجاذبية الأرضية، ويؤثر الوزن على سرعة سقوط الأجسام وحركتها أثناء السقوط؛ فتسقط الأجسام ذات الوزن الأثقل بسرعة أكبر من الأجسام الخفيفة عند وجود الضغط والحرارة والهواء، وفي تجربة السقوط الحر تسقط الأجسام الثقيلة بنفس معدل أو سرعة الأجسام الخفيفة، وذلك بسبب تعرض جميع الأجسام لنفس التسارع الناتج عن الجاذبية والذي يقدر بحوالي 10 م / ث 2 في كل مكان حول الأرض، والتسارع هو نسبة التغير في السرعة في الثانية الواحدة، فعندما يكون التسارع نفسه في كل الأجسام فإنها تواجه نفس معدل السرعة، ولكنك ترى تغييرًا في سرعة الأجسام بسبب مقاومة الهواء والضغط، فإذا قمت برمي كرتان من نفس الحجم واحدة خفيفة والأخرى ثقيلة فستسقط الكرة الثقيلة أسرع من الخفيفة بسبب تأثير المقاومة؛ حيث أن القوة الناتجة عن مقاومة الهواء ستؤثر أيضًا على الأشياء وتبطئها، وتعتمد مقاومة الهواء على العوامل التالية:

سرعة سقوط الجسم.
المساحة التي تتعرض لها مقاومة الهواء على الجسم.
كتلة الجسم الساقط.[1]

السقوط الحر

يعرف السقوط الحر بأنه سقوط الأجسام من ارتفاع معين تحت تأثير جاذبية الأرض كنتيجة لقوة خارجية تؤثر عليها.

يتم تعريف السقوط الحر في الفيزياء الكلاسيكة أنها حركة الجسم عندما تكون الجاذبية هي القوة الوحيدة التي تؤثر عليه، ويمكن أن يكون الجسم في حالة سقوط حر في عدة إتجاهات وليس للأسفل فقط حتى عند التحرك للأعلى أو في الجزء العلوي من حركته.

أمثلة على السقوط الحر

مركبة فضائية في الفضاء بدون نظام دفع.
جسم مقذوف لأعلى.
سقوط جسم من مكان مرتفع.
شخص يقفز.

ومن جهة أخرى قد يوجد أشياء نظنها تتضمن السقوط الحر ولكنها في الواقع لا تقع في حالة السقوط الحر، مثل التالي:

طائر يطير.
طائرة تحلق، وذلك بسبب تأثير قوة الرفع على أجنحتها.
استخدام المظلة، وذلك بسبب مقاومة الجاذبية بالسحب وفي بعض الحالات قد توفر قوة رفع.

معادلة السقوط الحر

عند سقوط أي جسم باتجاه سطح الأرض وزادت الجاذبية عن قوة مقاومة الهواء، أو قلت سرعة الجسم عن السرعة النهائية، فيمكننا تحديد السرعة الرأسية للسقوط الحر عن طريق المعادلة التالية:

vt = g.t + v0

حيث أن vt هي السرعة العمودية في الثانية بالمتر، وv0 هي السرعة الابتدائية، وg هي سرعة الجاذبية الأرضية (حوالي 9.81 م / ث 2 بالقرب من الأرض)، وt هو الزمن المستغرق في السقوط.[2]

قوانين السقوط الحر

قانون نيوتن الأول.
قانون جاليليو.

قانون نيوتن الأول:

قدم إسحاق نيوتن قوانينه الثلاثة للحركة في عام 1686 في “Principia Mathematica Philosophiae Naturalis”؛ حيث كان قانونه الأول له علاقة بسرعة الجسم في الحالات المختلفة، فينص القانون على أن “كل جسم يظل في حالة راحة أو حالة سكون ما لم يُجبر على تغيير حالته بفعل قوة خارجية”، وهو ما يشبه تعريف القصور الذاتي، وكان معنى قانون نيوتن الأول أن الجسم سيحافظ على على سرعة ثابتة إذا لم تكن هناك قوة صافية تؤثر عليه وتم إلغاء جميع القوى الخارجية، إذا كانت هذه السرعة تساوي صفرًا فسيظل الجسم في حالة سكون، وعند تطبيق قوة خارجية فستتغير السرعة بسبب تلك القوة.

وعند تطبيق هذا القانون على السقوط الحر نأتي بمثال سقوط جسم في الغلاف الجوي؛ فقبل السقوط كانت سرعة الجسم صفر وكان في حالة سكون، وبعد أن أثر عليه قوة الوزن وقوة الجاذبية الأرضية تحرك من مكانه بسرعة معينة حسب الوزن ويبدأ الجسم في السقوط الحر، ومع استمرار سقوط الجسم بالسرعة النهائية ومع تأثير مقاومة كثافة الهواء والضغط ودرجة الحرارة فإن السرعة النهائية تقل قليلاً عندما يسقط الجسم على الأرض، وكذلك في حالة شد الحبل؛ فإن الجسم في حالة سكون عندما يتم موازنة قوة الوزن المؤثرة على الجسم، وعندما يتم قطع الحبل يخضع الجسم لقوة واحدة وهي الجاذبية، وقوة الشد لن تؤثر على الجسم، وبالتالي يتحرك الجسم بعيدًا ويبدأ في السقوط الحر، ومع زيادة سرعة الجسم فإنه يواجه مقاومة الهواء.[3]

قانون جاليليو:

وهو قانون يضح عملية سقوط الأجسام، وينص قانون جاليليو على أن “المسافة التي يقطعها الجسم الساقط تتناسب طرديًا مع مربع الوقت الذي يستغرقه السقوط”، فمثلًا عند سقوط الكرة لمدة ثلاث ثوانٍ ستقطع تسعة أضعاف المسافة التي قطعتها كرة تسقط لمدة ثانية واحدة، وعند سقوط حجر ضعف طول حجر آخر فإنه يسقط أربعة أضعاف المسافة.

وفي فترة قبل قانون جاليليو أعتقد أرسطو والعلماء الآخرون أن القوة هي سبب السرعة، وبعد ان توصل جاليليو إلى قانون السقوط المكافئ أثبت أن الأجسام تسقط على سطح الأرض بسرعة ثابتة وأن قوة الجاذبية التي تجعل جميع الأجسام تتحرك إلى أسفل هي قوة ثابتة، أي أن القوة لا تؤثر على السرعة بل أن السرعة هي مقدار ثابت، مما يعني أن سرعة سقوط الأجسام تزداد بمقدار متساوِ خلال فترات زمنية متساوية وأن المسافة التي يقطعها الجسم في فترات زمنية متساوية غير متساوية.

على سبيل المثال؛ عند سقوط كرة بحجم معين، فإنها في الثانية الثانية من السقوط تقطع مسافة ثلاثة أضعاف المسافة التي قطعتها خلال الثانية الأولى، وفي الثانية الثالثة تقطع مسافة خمس أضعاف المسافة التي قطعتها في الثانية الأولى، وفي الثانية الرابعة تقطع مسافة سبع أضعاف الثانية الأولى، وهكذا.[4]

الجاذبية وسرعة سقوط الأجسام

الجاذبية هي قوة الجذب العالمية بين كوكب الأرض وجمع الأجسام على سطحه، أو جميع الأجسام في الكون، أو هي القوة الدافعة التي تقوم بجمع كل الأجسام نحو الأرض.

ويتم قياس الجاذبية من حيث الحركة التي تعطيها للأجسام المتساقطة بشكل حر على سطح الأرض، حيث تبلغ قيمة سرعة الجاذبية حوالي 9.8 م / ث2، أي أن في كل ثانية يسقط فيها الجسم حرًا، تزداد سرعته بحوالي 9.8 م / ث2، وتوجد علاقة طردية بين الكتلة والجاذبية؛ أي أن الكتلة تتناسب طرديًا مع الجاذبية، فكلما كان الجسم أثقل زادت شدة الجاذبية وأثّر ذلك على سرعة سقوط الجسم في وجود ضغط وهواء، كما أن الزيادة في الكتلة تؤدي إلى زيادة الجاذبية، وتتناسب الجاذبية عكسياً مع المسافة بين جسمين، وتؤثر بعض العوامل على التسارع بسبب الجاذبية، مثل:

المكان المحدد على سطح الأرض، فتختلف الجاذبية عند مركز الأرض عن جاذبيتها عند الأطراف.
الحركة الدورانية للأرض.
الارتفاع فوق سطح الأرض.
العمق تحت سطح الأرض.[5]