חוק נפילת הגופים 1604

מה זה כוח המשיכה?

כוח המשיכה הוא כוח המשיכה או המשיכה בין כל הגופים ביקום. כוח זה הוא מה שמכריח חפצים ליפול ארצה. הוא גם אחראי על שמירת כדור הארץ ושאר כוכבי הלכת במסלול סביב השמש. ניתן להתייחס לכוח הכבידה כעל הדבק שמחזיק את היקום ביחד. זה הכוח שמחזיק את כל החומר ביחד, כולל כדור הארץ והירח. זה גם שומר על כדור הארץ מסתובב סביב השמש. כוח הכבידה הוא החזק ביותר כאשר שני העצמים הנמשכים גדולים מאוד. על פני כדור הארץ, כוח הכבידה שומר על כל העצמים, כולל בני האדם, דבוקים לפני השטח. אם תקפוץ, תגיע מהר שוב לקרקע. אתה לא יכול לצוף באוויר כמו ציפור.

מהירות גוף נופלת

מהירותו של גוף נופל תלויה בתכונות העצם, אך גם בצפיפות האוויר. כוח חיכוך האוויר מספק אפקט האטה, המכונה גרר. רוב הגופים הנופלים מאיצים עד שהם מגיעים למהירות סופית התלויה בגודל העצם ובכיוון שלו באוויר. המהירות הסופית של גוף נופל היא המהירות שבה כוח הגרירה פשוט שווה לכוח הכבידה על העצם והעצם מאיץ בקצב השווה לקצב שבו הוא התחיל ליפול. המהירות הסופית מושגת כאשר התנגדות האוויר של גוף שווה לכוח הכבידה של הגוף.

מהירות סופית

כאמור, המהירות הסופית של גוף נופל היא המהירות שבה כוח הגרירה פשוט שווה לכוח הכבידה על העצם והעצם מאיץ בקצב השווה לקצב שבו הוא התחיל ליפול. המהירות הסופית מושגת כאשר התנגדות האוויר של גוף שווה לכוח הכבידה של הגוף. המהירות הסופית של גוף נופל תלויה בתכונות העצם, אך גם בצפיפות האוויר. עצמים קטנים יותר נופלים מהר יותר, כבדים יותר לאט, ותכולת אוויר גדולה יותר מאיצה את קצב התאוצה שלהם. יש גם וריאציות בהתאם לאיזה כיוון הגוף מכוון, גורמים כמו חיכוך עם הקרקע או התנגדות הרוח בכיוון הנפילה יכולים להגביר או להפחית את התאוצה.

גרירה וצפיפות אוויר

הגרר של עצם נופל הוא פרופורציונלי לשטח החתך של האובייקט וכן לצפיפות האוויר. כוח הגרירה תלוי באנרגיה הקינטית של העצם, שהיא פרופורציונלית למסת העצם כפול מהירות העצם. ככל שצפיפות האוויר יורדת, האנרגיה הקינטית של העצם יורדת, וכוח הגרירה גדל. זו הסיבה שגופים נופלים שנופלים דרך חלל או ואקום מאיצים הרבה יותר מהר מאשר אם הם נופלים באוויר. כוח הכבידה מופחת בוואקום אך התנגדות האוויר נשארת זהה, ולכן קצב התאוצה גבוה יותר. מקדם הגרר הוא מדד ליכולתו של אובייקט להתנגד לזרימת אוויר. לצורה יעילה יש בדרך כלל מקדם גרירה נמוך יותר מאשר צורה גסה.

לחות ומקדם הגרירה

מקדם הגרר מושפע מלחות האוויר המקיף את החפץ הנופל. ככל שהאוויר שמסביב לח יותר, כך מקדם הגרר גבוה יותר. הסיבה לכך היא שמולקולות מים כבדות יותר ממולקולות אוויר. כתוצאה מכך, האוויר צפוף ודרוש יותר מומנטום כדי לשמור על עצם נע במהירות נתונה. עובדה מעניינת אחת היא שמקדם הגרר של עצם נופל גדול יותר כאשר הלחות של האוויר נמוכה יותר. הסיבה לכך היא שהאוויר פחות צפוף, והאובייקט חווה פחות התנגדות לזרימת אוויר. גם מקדם הגרירה מושפע מאוד מצורת האובייקט הנופל. לצורה יעילה יש מקדם גרירה נמוך יותר מאשר צורה גסה.

השפעות סיבוביות על גופים נופלים

גופים נופלים שמסתובבים מסתובבים בסופו של דבר מהר יותר ומאיצים יותר לקראת סוף נפילתם. הסיבה לכך היא שלאוויר יש מקדם גרר גבוה יותר בחלק האחורי של הגוף הנופל מאשר בחלק הקדמי, כך שהאוויר מאחור צריך לייצר יותר מומנטום מאשר באובייקט שאינו מסתובב. המשמעות היא שחלקו האחורי של האובייקט חווה כוח גרירה גבוה יותר מהחלק הקדמי, וניתן לחשב את האפקט הסיבובי הזה. חשוב לציין שהאפקט הזה נצפה רק בחפצים שהם גליליים או בעלי משטח שטוח.

חשיבות הגובה בהאצת אובייקט נופל

כפי שהוסבר לעיל, האצה של גוף נופל אינה קבועה אלא משתנה לאורך זמן. השינוי אינו תלוי רק במסה של האובייקט אלא גם בשינויים בצפיפות האוויר והלחות. גובה הגוף הנופל הוא גם גורם כאשר צפיפות האוויר משתנה עם הגובה. קופר (2006) קובע כי אנו יכולים לראות את ההשפעות של שונות בצפיפות האוויר ובגובה על ידי התבוננות בנפילת נוצה ובנפילת מטבע. הוא קובע שהנוצה תיפול בקצב הרבה יותר מהיר מהמטבע, כי הוא לוקח יותר אוויר התנגדות להאט את המטבע בגלל צורתו וגודלו. קופר גם קובע שהנוצה תאט בהדרגה בקצב הרבה יותר גדול מכיוון שהאוויר נהיה פחות צפוף עם הגובה והנוצה חווה הרבה יותר גרר מאשר המטבע. בעוד המטבע ימשיך להאיץ עד שיגיע למהירות הסופית שלו, הנוצה תחווה הפחתה בהשפעת כוח המשיכה עקב הפחתת צפיפות האוויר ותרד בהדרגה בקצב איטי בהרבה מהמטבע.

סיכום

עצמים נופלים הם מעניינים ביותר, והם יכולים ללמד אותנו הרבה על הפיזיקה מאחוריהם. חוק הגופים הנופלים הוא נושא מעניין, וניתן ללמוד אותו מנקודות מבט רבות.