Cili shkencëtar zbuloi ligjin e trupave në rënie? Ligji i trupave në rënie

Rënia e lirë është një nga fenomenet fizike më interesante, që ka tërhequr vëmendjen e shkencëtarëve dhe filozofëve që në kohët e lashta. Përveç kësaj, është një nga ato procese me të cilat mund të eksperimentojë çdo nxënës.

"Gabimi filozofik" i Aristotelit

Të parët që ndërmorën vërtetimin shkencor të fenomenit që sot njihet si rënia e lirë ishin filozofët e lashtë. Ata, natyrisht, nuk kryen asnjë eksperiment dhe eksperiment, por u përpoqën ta karakterizojnë atë nga pikëpamja e sistemit të tyre filozofik. Në veçanti, Aristoteli argumentoi se trupat më të rëndë bien në tokë me shpejtësi më të madhe, duke e shpjeguar këtë jo me ligjet fizike, por vetëm me dëshirën e të gjitha objekteve në Univers për rregull dhe organizim. Është interesante që asnjë provë eksperimentale nuk u prodhua dhe kjo deklaratë u perceptua si një aksiomë.

Kontributi i Galileos në studimin dhe justifikimin teorik të rënies së lirë

Filozofët mesjetarë vunë në dyshim pozicionin teorik të Aristotelit. Pa qenë në gjendje ta vërtetojnë këtë në praktikë, ata megjithatë ishin të sigurt se shpejtësia me të cilën trupat lëvizin drejt tokës, pa marrë parasysh ndikimet e jashtme, mbetet e njëjtë. Pikërisht nga këto pozicione shkencëtari i madh italian G. Galileo e konsideroi rënien e lirë. Pas kryerjes së eksperimenteve të shumta, ai arriti në përfundimin se shpejtësia e lëvizjes së, për shembull, topave të bakrit dhe të arit drejt tokës është e njëjtë. E vetmja gjë që e pengon këtë të instalohet vizualisht është prania e rezistencës së ajrit. Por edhe në këtë rast, nëse merrni trupa me një masë mjaft të madhe, ata do të zbresin në sipërfaqen e planetit tonë afërsisht në të njëjtën kohë.

Parimet themelore të rënies së lirë

Nga eksperimentet e tij, Galileo nxori dy përfundime të rëndësishme. Së pari, shpejtësia e rënies së absolutisht çdo trupi, pavarësisht nga masa e tij dhe materiali nga i cili është bërë, është e njëjtë. Së dyti, nxitimi me të cilin lëviz një objekt i caktuar mbetet konstant, domethënë, shpejtësia rritet me të njëjtën sasi në periudha të barabarta kohore. Më pas, ky fenomen u quajt rënie e lirë.

Llogaritjet moderne

Sidoqoftë, edhe vetë Galileo i kuptoi kufizimet relative të eksperimenteve të tij. Në fund të fundit, pavarësisht se çfarë trupash mori, ai nuk ishte në gjendje të siguronte që ato të godasin sipërfaqen e tokës në të njëjtën kohë: ishte e pamundur të luftosh rezistencën e ajrit në ato ditë. Vetëm me ardhjen e pajisjeve speciale, me ndihmën e të cilave ajri u pompua plotësisht nga tubat, ishte e mundur të vërtetohej eksperimentalisht se rënia e lirë ndodh në të vërtetë. Në terma sasiorë, doli të ishte afërsisht 9.8 m/s^2, por më pas shkencëtarët arritën në përfundimin se kjo vlerë ndryshon, megjithëse jashtëzakonisht pak, në varësi të lartësisë së objektit mbi tokë, si dhe në kushte gjeografike. .

Koncepti dhe kuptimi i rënies së lirë në shkencën moderne

Aktualisht, të gjithë shkencëtarët janë të mendimit se rënia e lirë është një fenomen fizik që konsiston në lëvizjen e përshpejtuar në mënyrë uniforme të një trupi të vendosur në hapësirën pa ajër drejt sipërfaqes së tokës. Në këtë rast nuk ka fare rëndësi nëse këtij trupi i është dhënë ndonjë nxitim i jashtëm apo jo.

Universalizmi dhe qëndrueshmëria janë karakteristikat më të rëndësishme të këtij fenomeni fizik

Universaliteti i këtij fenomeni qëndron në faktin se shpejtësia e rënies së lirë të një personi ose të pendës së një zogu në vakum është absolutisht e njëjtë, domethënë nëse fillojnë në të njëjtën kohë, do të arrijnë edhe në sipërfaqen e tokës. në të njëjtën kohë.

Kur isha në shkollë, gjatë një prej mësimeve të fizikës, u habita nga përfundimi i mësuesit, i konfirmuar në tekstin e tekstit shkollor, se të gjithë trupat që bien nga e njëjta lartësi do të arrijnë në sipërfaqen e Tokës në të njëjtën kohë, pavarësisht nga masa e trupave që bien. Sigurisht, në mungesë të rezistencës së ajrit.


Është e qartë se nëse nxitimet e trupave janë të njëjta, atëherë shpejtësitë e rënies së tyre në çdo moment të kohës janë të barabarta kur trupat lirohen për të rënë nga e njëjta lartësi me të njëjtën shpejtësi fillestare.

v = v 0 + gt

Dhe më kujtohet përshkrimi i eksperimentit të mëposhtëm, gjoja i kryer nga Njutoni. Ajri u pompua nga një tub i gjatë qelqi dhe në të njëjtën kohë u lejua të binte një peshë plumbi dhe një pendë. Dhe të dy objektet, të dy trupat prekën njëkohësisht pjesën e poshtme të tubit. Kështu u arrit përfundimi i formuluar më sipër.

Pastaj, në shkollë, mendova: në fund të fundit, nuk kishte fotocela në atë kohë. Si arriti shkencëtari të regjistronte kohën kur trupat preknin sipërfaqen? Në fund të fundit, në Tokë, trupat bien nga një lartësi prej dy metrash në më pak se një sekondë, dhe reagimi i një personi është rreth një sekondë. Po sikur trupat të mos arrijnë njëkohësisht në fund të tubit, por ndryshimi është shumë i vështirë për t'u zbuluar?

Le të përpiqemi ta kuptojmë. Nëse dikush vëren një gabim në arsyetim, do të jem mirënjohës për çdo koment konstruktiv.

Para se të vazhdoni, duhet të mbani mend se si llogaritet shpejtësia e afrimit të dy trupave. Le të themi se ka 600 km midis qyteteve dhe dy makina lëvizin drejt tyre me një shpejtësi konstante. Njëri udhëton 80 km në orë, tjetri 120 km në orë. Në 3 orë, i pari do të udhëtojë 240 km, i dyti - 360 km, në total - 600 km. ato. makinat do të takohen, që do të thotë në këtë rast duhet shtuar shpejtësia dhe për të gjetur momentin kur trupat takohen, thjesht ndani distancën midis tyre me shpejtësinë totale të afrimit.

Tani le të bëjmë një eksperiment mendimi. Ekziston planeti Tokë me përshpejtimin e tij të rënies së lirë g. Sipas ligjit të Njutonit të gravitetit universal, dy trupa tërhiqen nga njëri-tjetri në proporcion me masat e tyre dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës midis trupave.

Nga ana tjetër, pesha e një trupi që peshon m barazohet P = mg. Në mungesë të forcave të tjera, pesha e një trupi në Tokë do të jetë e barabartë me forcën e tërheqjes së ndërsjellë midis Tokës dhe vetë trupit, d.m.th. F=P. Ne zvogëlojmë me m dhe marrim formulën e treguar në foton e sipërme:

Shenja e barazisë së përafërt me sa duket shkaktohet duke marrë parasysh shpërndarjen e pabarabartë të densitetit në trupin e Tokës.

Tani le të supozojmë se në një distancë, të themi, një kilometër nga Toka jonë, ekziston një planet tjetër që ka saktësisht të njëjtat karakteristika. Një lloj i tillë binjak - Toka 2 .

Cilat forca veprojnë mbi të? Vetëm një: forca e gravitetit nga Toka. Nën ndikimin e kësaj force Toka 2 do të nxitojë drejt Tokës me një shpejtësi v = gt.

Por Zelya ndikohet gjithashtu nga forca gravitacionale nga Toka 2 ! ato. planeti ynë gjithashtu do të "bie" në Tokë me një shpejtësi gjithnjë në rritje 2 . Është e qartë se në çdo moment të kohës të dyja këto shpejtësi janë të barabarta në vlerë absolute dhe janë gjithmonë në drejtime të kundërta - të dyja Tokat janë të barabarta në karakteristikat e tyre fizike.

Shpejtësia e afrimit të ndërsjellë v 1 do të jetë i barabartë v 1 = gt - (-gt) = 2gt.

Tani le të vendosim, të themi, Hënën në vend të Tokës2. Hëna ka një nxitim gravitacional g Hënë rreth 6 herë më pak se në Tokë. Kjo do të thotë se nën ndikimin e të njëjtit ligj të gravitetit universal, Hëna do të bjerë në Tokë me nxitim. g, dhe Toka në Hënë me nxitim g Hënë. Pastaj shpejtësia e mbylljes v 2 do të jetë ndryshe nga në rastin e parë, përkatësisht:

v 2 = gt + g të Hënës * t = (g + g të Hënës) * t.
Madhësia g + g Hënë afërsisht 1.7 herë më pak se vlera 2 g.

Çfarë ndodh? Distanca midis trupave (lartësia e rënies) është e njëjtë, por shpejtësitë e rënies janë të ndryshme. Por jemi të siguruar që koha e vjeshtës është e njëjtë për trupat e çdo mase! Pastaj kemi një kontradiktë: lartësia e rënies është e njëjtë, koha është e njëjtë, por shpejtësitë janë të ndryshme. Kjo nuk duhet të jetë rasti në fizikë. Përveç nëse, sigurisht, një gabim ka hyrë në arsyetimin tim.

Një tjetër gjë është se për llogaritjet praktike saktësia është mjaft e mjaftueshme, nëse nuk merret parasysh përshpejtimi i rënies së lirë të trupit që bie në Tokë: është shumë i vogël në krahasim me vlerën. g për shkak të pakrahasueshmërisë së masave të Tokës dhe trupit në rënie. Masa e planetit tonë është rreth 6 × 10 24 kg, që është vërtet e pakrahasueshme me çdo trup që bie në Tokë.

Megjithatë, deklarata në tekstet shkollore se në mungesë të rezistencës së ajrit të gjithë trupat bien në Tokë me të njëjtën shpejtësi duhet të konsiderohet e pasaktë. Është gjithashtu e gabuar të thuhet se ato bien me të njëjtin nxitim. Me praktikisht të njëjtat - po, matematikisht dhe fizikisht saktësisht të njëjtat - jo.

Deklarata të tilla tekstesh shkollore shtrembërojnë perceptimin e saktë të pamjes reale të botës.

Në Greqinë e lashtë, lëvizjet mekanike klasifikoheshin në natyrore dhe të detyruara. Rënia e një trupi në Tokë konsiderohej një lëvizje e natyrshme, një dëshirë e natyrshme e trupit "në vendin e tij".

Sipas idesë së filozofit më të madh të lashtë grek Aristotelit (384-322 para Krishtit), një trup bie në Tokë më shpejt, aq më e madhe është masa e tij. Kjo ide ishte rezultat i përvojës primitive të jetës: vëzhgimet treguan, për shembull, se mollët dhe gjethet e pemës së mollës bien me shpejtësi të ndryshme. Koncepti i nxitimit mungonte në fizikën e lashtë greke.

Galileo lindi në Piza në vitin 1564. Babai i tij ishte një muzikant i talentuar dhe një mësues i mirë. Deri në moshën 11-vjeçare, Galileo ndoqi shkollën, më pas, sipas zakonit të asaj kohe, rritja dhe edukimi i tij u zhvillua në një manastir. Këtu ai u njoh me veprat e shkrimtarëve latinë dhe grekë.

Me pretekstin e një sëmundjeje të rëndë të syrit, babai i tij arriti ta shpëtonte Galileon nga muret e manastirit dhe t'i jepte një edukim të mirë në shtëpi, duke e futur në shoqërinë e muzikantëve, shkrimtarëve dhe artistëve.

Në moshën 17-vjeçare, Galileo hyri në Universitetin e Pizës, ku studioi mjekësi. Këtu ai u njoh për herë të parë me fizikën e Greqisë antike, kryesisht me veprat e Aristotelit, Euklidit dhe Arkimedit. I ndikuar nga veprat e Arkimedit, Galileo u interesua për gjeometrinë dhe mekanikën dhe la mjekësinë. Largohet nga Universiteti i Pizës dhe studion matematikë në Firence për katër vjet. Këtu u shfaqën veprat e tij të para shkencore dhe në 1589 Galileo mori katedrën e matematikës, fillimisht në Pizë, pastaj në Padova. Gjatë periudhës së Padovës të jetës së Galileos (1592-1610), aktivitetet e shkencëtarit arritën kulmin. Në këtë kohë, u formuluan ligjet e rënies së lirë të trupave dhe parimi i relativitetit, u zbulua izokronizmi i lëkundjeve të lavjerrësit, u krijua një teleskop dhe u bënë një numër zbulimesh të bujshme astronomike (topografia e Hënës, satelitët e Jupiterit, struktura e Rrugës së Qumështit, fazat e Venusit, njollat ​​e diellit).

Në 1611 Galileo u ftua në Romë. Këtu ai filloi një luftë veçanërisht aktive kundër botëkuptimit të kishës për miratimin e një metode të re eksperimentale të studimit të natyrës. Galileo promovon sistemin e Kopernikut, duke antagonizuar kështu kishën (në 1616, një kongregacion i veçantë i dominikanëve dhe jezuitëve i shpalli mësimet e Kopernikut heretike dhe e përfshiu librin e tij në listën e librave të ndaluar).

Galileos iu desh të maskonte idetë e tij. Në vitin 1632, ai botoi një libër të mrekullueshëm, "Dialog mbi dy sistemet e botës", në të cilin zhvillon idetë materialiste në formën e një diskutimi midis tre bashkëbiseduesve. Sidoqoftë, "Dialogu" u ndalua nga kisha, dhe autori u nxor në gjyq dhe për 9 vjet u konsiderua "i burgosur i Inkuizicionit".

Në vitin 1638, Galileo arriti të botojë në Hollandë librin "Biseda dhe prova matematikore në lidhje me dy degë të reja të shkencës", i cili përmbledh punën e tij shumëvjeçare të frytshme.

Në vitin 1637 ai u verbua, por vazhdoi punën e tij intensive shkencore së bashku me studentët e tij Viviani dhe Torricelli. Galileo vdiq në 1642 dhe u varros në Firence në Kishën e Santa Croce pranë Michelangelo.

Galileo hodhi poshtë klasifikimin e lashtë grek të lëvizjeve mekanike. Ai së pari prezantoi konceptet e lëvizjes uniforme dhe të përshpejtuar dhe filloi studimin e lëvizjes mekanike duke matur distancat dhe kohët e lëvizjes. Eksperimentet e Galileos me lëvizjen e njëtrajtshme të përshpejtuar të një trupi në një plan të pjerrët përsëriten ende në të gjitha shkollat ​​e botës.

Galileo i kushtoi vëmendje të veçantë studimit eksperimental të rënies së lirë të trupave. Eksperimentet e tij në kullën e anuar në Pizë fituan famë botërore. Sipas Viviani, Galileo hodhi një top gjysmë kile dhe një bombë 100 kilogramësh nga kulla në të njëjtën kohë. Në kundërshtim me opinionin. Aristoteli, ata arritën në sipërfaqen e Tokës pothuajse njëkohësisht: bomba ishte përpara topit me vetëm disa centimetra. Galileo e shpjegoi këtë ndryshim me praninë e rezistencës së ajrit. Ky shpjegim atëherë ishte thelbësisht i ri. Fakti është se që nga koha e Greqisë së Lashtë, është krijuar ideja e mëposhtme për mekanizmin e lëvizjes së trupave: kur lëviz, trupi lë pas një zbrazëti; natyra ka frikë nga zbrazëtia (kishte një parim të rremë të frikës nga zbrazëtia). Ajri nxiton në zbrazëti dhe e shtyn trupin. Kështu, besohej se ajri nuk ngadalëson, por, përkundrazi, përshpejton trupat.

Më pas, Galileo eliminoi një tjetër keqkuptim shekullor. Besohej se nëse lëvizja nuk mbështetet nga ndonjë forcë, atëherë ajo duhet të ndalet, edhe nëse nuk ka pengesa. Galileo formuloi fillimisht ligjin e inercisë. Ai argumentoi se nëse një forcë vepron mbi një trup, atëherë rezultati i veprimit të saj nuk varet nga fakti nëse trupi është në qetësi apo në lëvizje. Në rastin e rënies së lirë, forca e tërheqjes vepron vazhdimisht në trup, dhe rezultatet e këtij veprimi përmblidhen vazhdimisht, sepse sipas ligjit të inercisë, veprimi i shkaktuar dikur ruhet. Kjo ide është baza e ndërtimit të tij logjik, i cili çoi në ligjet e rënies së lirë.

Galileo përcaktoi nxitimin e gravitetit me një gabim të madh. Në Dialog ai shprehet se topi ra nga një lartësi prej 60 m për 5 sekonda. Kjo korrespondon me një vlerë prej g që është pothuajse gjysma e vlerës së vërtetë.

Galileo, natyrisht, nuk mund të përcaktonte me saktësi g, pasi ai nuk kishte një kronometër. Ora e orës së rërës, ora e ujit ose ora lavjerrës që ai shpiku nuk kontribuan në matjen e saktë të kohës. Përshpejtimi i gravitetit u përcaktua mjaft saktë vetëm nga Huygens në 1660.

Për të arritur saktësi më të madhe të matjes, Galileo kërkoi mënyra për të zvogëluar shkallën e rënies. Kjo e çoi atë në eksperimente me një aeroplan të pjerrët.

Shënim metodologjik. Kur flasim për veprën e Galileos, është e rëndësishme t'u shpjegojmë studentëve thelbin e metodës që ai përdori për të vendosur ligjet e natyrës. Së pari, ai kreu një ndërtim logjik nga i cili ndoqën ligjet e rënies së lirë. Por rezultatet e ndërtimit logjik duhet të verifikohen nga përvoja. Vetëm koincidenca e teorisë me përvojën çon në bindjen e vlefshmërisë së ligjit. Për ta bërë këtë ju duhet të matni. Galileo kombinoi në mënyrë harmonike fuqinë e të menduarit teorik me artin eksperimental. Si të kontrolloni ligjet e rënies së lirë nëse lëvizja është kaq e shpejtë dhe nuk ka instrumente për të matur periudha të vogla kohore?

Galileo zvogëlon shpejtësinë e rënies duke përdorur një plan të pjerrët. U bë një brazdë në tabelë, e veshur me pergamenë për të zvogëluar fërkimin. Një top bronzi i lëmuar u hodh përgjatë gropës. Për të matur me saktësi kohën e lëvizjes, Galileo doli me sa vijon. Në fund të një ene të madhe me ujë u bë një vrimë nëpër të cilën rridhte një përrua i hollë. U dërgua në një anije të vogël, e cila ishte peshuar paraprakisht. Periudha kohore matej me rritjen e peshës së anijes! Lëshimi i topit nga gjysma, çereku, etj. d gjatësinë e rrafshit të pjerrët, Galileo vërtetoi se distancat e përshkuara ishin të lidhura me kuadratet e kohës së lëvizjes.

Përsëritja e këtyre eksperimenteve të Galileos mund të shërbejë si temë e punës së dobishme në një rreth të fizikës shkollore.

Njutoni, si Galileo, filloi kërkimin e tij në lëvizjen mekanike duke studiuar ligji i trupave në rënie, por detyra e tij ishte tashmë disi më e thjeshtë. Njutoni kishte në dispozicion një pompë ajri që Galileo vetëm mund ta ëndërronte.

Galileo i kreu eksperimentet e tij duke hedhur topa hekuri nga Kulla e Pizës (më shumë detaje :). Njutoni mori një tub të gjatë qelqi, të mbyllur në njërin skaj, vendosi një copë tape dhe një e shtënë në të dhe e lidhi tubin me një pompë ajri. Pompa thithi pjesën më të madhe të ajrit.

Shkencëtari vulosi skajin tjetër të tubit. Dhe peleti me një copë tape mbeti në një hapësirë ​​ajrore shumë të rrallë. Njutoni e ktheu tubin fillimisht me një fund lart dhe më pas me tjetrin - një copë tape dhe një topth ranë me shpejtësi të barabartë. Kështu, ishte e mundur të vërtetohej se në një vakum, objektet me pesha të ndryshme bien me të njëjtën shpejtësi. Tani këto pajisje të thjeshta - " Tubat e Njutonit" - janë të disponueshme në çdo shkollë.

Shpejtësia e rënies nuk varet nga pesha

Shpejtësia e rënies nuk varet nga pesha. Objektet që bien nuk kanë peshë, (më shumë detaje :), tha Galileo. Kjo do të thotë, përfundoi Njutoni, pesha nuk është një veti themelore e të gjitha objekteve ose substancave. Çdo send ka peshë vetëm përderisa shtrihet ose varet në diçka, dhe kur bie, humbet peshë.

Çfarë është pesha

Një nga paraardhësit e Njutonit, filozofi matematik francez Rene Descartes, argumentoi se peshëështë presioni që ushtrojnë gjërat në tokë ose në stendën në të cilën shtrihen. Njutonit iu kujtuan eksperimentet e Galileos me kova. Ndërsa uji derdhej nga një kovë në tjetrën, pesha e tyre totale ishte më e vogël se më parë - uji që binte lëvizte lirshëm, asgjë nuk e ndalonte atë, me të vërtetë nuk peshonte asgjë gjatë rënies.

Sapo i gjithë uji ishte në kovën e poshtme, ekuilibri i peshores u rivendos. Dhe kjo gjithashtu nuk e befasoi Njutonin. Meqenëse i gjithë uji është mbledhur në kovën e poshtme, atëherë presioni i tij në fund duhet të jetë saktësisht i barabartë me shumën e presioneve të ujit në dy kova. Uji dukej se kishte rifituar peshën e tij.

Pse trupat shtypin në stendë?

Por pse trupat shtypin në stendë?? Dekarti nuk e dinte këtë. Le të marrim një peshë dhe ta varim në një sustë. Pranvera do të shtrihet. Tani le ta heqim këtë peshë dhe të kapim grepin e sustës me dorë. Ne, duke ushtruar forcë, mund ta shtrijmë sustën aq sa e shtriu pesha. Pesha e peshës dhe forca e dorës kanë të njëjtin efekt në susta. Kjo do të thotë se arsyeja e presionit të trupave në stendë - pesha e tyre - është një lloj force. Njutoni e përcaktoi atë.

Ligji i gravitetit

Ky glob tërheq peshën dhe trupat e tjerë, duke i mbajtur pranë vetes. Ne e vëzhgojmë këtë fenomen kudo dhe kudo dhe e quajmë gravitacion. Galileo gjithashtu studioi. Të gjithë trupat, të mëdhenj dhe të vegjël, tërhiqen nga njëri-tjetri, duke iu bindur ligji i gravitetit universal, zbuluar nga Njutoni. Pra, pesha është forca me të cilën objektet e tërhequra nga Toka shtypin mbi mbështetësit që i mbajnë ato. Pesha është një manifestim i gravitetit universal. Njutoni ishte në gjendje të sillte në përfundimin e tij logjik ligjin e trupave në rënie, i cili u iniciua nga Galileo Galile.