在真空中,空气的阻力根本能够忽略不计,这时候地球引力就变成了一种纯粹的“拉力”。想象一下,一根弹簧被压弯了,它急着要把那半米长的空隙补回来。地球引力就是那个想把你拽上去的弹簧,而自由落体就是物体顺着这个力往下跑的过程。在这个过程中,速度不是慢慢爬起来的,而是像被踩油门的车突然窜了出去。 启动时,物体从高空落下,速度为零。紧接着,重力启动做功,把你的动能一点点“榨”出来。你能感觉到风在吹吗?实际上是出于空气在推你,但在真空中,风就不吹了,只有你被“吸”在身下的感觉。
随着工夫推移,速度越来越大,加速度也变化的瞬间,重力却仿佛变轻了,要么说,你的身体感觉被放轻了,出于每秒钟你掉下去的距离都在变长。
这种“越往下掉越快”的现象,就是加速度恒定的体现。 说到公式,大量人认定那是数学的玩具,公式是 $h = frac{1}{2}gt^2$ 和 $v = gt$。
实际上仔细想,这些就是描述你掉落状态的“说明书”。先写个好办的例子,假设你站在 100 米高的塔顶,第一个人从上面掉落。经过一秒,他大约掉了 5 米,出于前 0.5 秒的重力让他跑了 2.5 米,后 0.5 秒又跑了 2.5 米。速度每秒增添 9.8 米每秒。
要是你再等一秒,他大约又掉了两米,总共 7 米。
这时候,你站在下面的人看到,第一个人已经快到了你的头顶。
要是两个人与此同时启动掉,过一秒,第一个人到了 5 米,你到了 6.5 米。再过一秒,第一个人到了 10 米,你到了 13.5 米。你会发现,速度越来越快,并且越来越远,这就是加速。 重力加速度 $g$ 是个常数,大小大约是 $9.8 text{m/s}^2$(要么更精确地说是 $9.80665 text{m/s}^2$,具体取决于你所在的经纬度和高度)。
这个值是一个“固定参数”,它不随速度变化,也不随高度变化(在不寻思大气压或极端轨道情况下)。
故此,不管你从多高落下,只要真空中,它只认这个 $g$ 发呆。 要是我把这个 $g$ 代入公式,就能算出下落距离和工夫的关系了。
比方说,要是我想让一个人坠落 40 米,用公式 $h = frac{1}{2}gt^2$ 解出来:$40 = frac{1}{2} times 9.8 times t^2$,算出 $t^2$ 等于大约 $8.16$,那 $t$ 就是 2.86 秒。
这意味着,要是你站在 40 米高的地方,大约需求 2.86 秒,你才会触碰到地面。
这个计算看似好办,但背后实际上是无数细小的冲击力在累积。 再来看看速度的公式 $v = gt$。
要是你用这个公式算,从 100 米处落下来,经过 3 秒,你的速度就是 $9.8 times 3 = 29.4 text{m/s}$。
这个数字听起来有点大,但换算成公里每小时就是 106.86 公里每小时。
这在物理上实际上不算忒快,但对于人类来说,这已经是不用说了的“快”了。你能够看到,要是一个人平时步行的速度是 5 公里每小时,那他落地时比开五六十公里每小时的车还快大量。 不过,现实世界并不是真空。空气中充满了各种分子,它们会和你形成碰撞。当物体下落时,空气分子会撞击物体表面并试图把它弹开,这就是阻力。阻力跟速度相关,速度越快,撞得越狠,阻力就越大,最终会把你的加速度抵消一局部。
这就是为啥落雨时雨滴会慢慢变慢,不会一直加速到底。但在自由落体聊聊里,我们默认忽略这个摩擦,只保留引力。 为了更直观地感受,我们能够对比一下电梯实验。
要是你站在一个封闭的电梯里,电梯从静止启动加速向下运动,你会感觉到“超重”;反之,要是电梯以 $g$ 的加速度从静止启动自由下降,你就感觉不到啥力了,仿佛你悬浮在空中。
这时候,你实际上是在通过自己感受到的“失重”来“证明”重力加速度的存有。
要是电梯里的加速度是 $2g$,你就能感觉体重翻倍,贼“重”了。 在工程应用里,这个理论实际上用得贼多。
比如卫星轨道管住,要么跳水运动员助跑起跳,他们都在计算能量转换。
有时候为了保险,我们会故意让物体加速到某个峰值速度然后反向减速,比如过山车的设计,要么飞机降落时的刹车减速。 最终,要是性别要么体重对结局有影响,实际上是出于肌肉紧张程度不同,要么是空气阻力系数(Drag Coefficient)不同。但在纯物理模型中,$g$ 是个普适常数。$9.8 text{m/s}^2$ 这个数字,实际上是地球质量除以半径后除以引力常数得出的,它代表的是地球“抓”住物体的本事有多强。
只要还在地球表面附近,这个值根本不变。 故此,自由落体就是一场纯粹的“引力秀”。物体掉下去,速度越来越快,距离越来越远,直到撞到地面。整个过程不需求电池,不需求引擎,只需求一个自然的参数 $g$。
这就是最好办的物理,也是最强大的力。