Treten schwerere Objekte wirklich schneller?

Es scheint keine so schwierige Frage zu sein, aber es bringt immer große Diskussionen hervor.

Wenn Sie ein schweres Objekt und ein Objekt mit geringer Masse gleichzeitig aus der gleichen Höhe fallen lassen, welches zuerst auf den Boden trifft?

Fangen wir mit einigen frühen Ideen über fallende Objekte an.

Aristoteles Ideen über fallende Objekte -------------

Aristoteles sagte, dass es 4 Elemente gibt: Erde, Wind, Wasser, Feuer. Objekte aus Erde (wie ein Stein) wollen ins Zentrum des Universums (Mittelpunkt der Erde) gehen. Dinge, die aus Feuer gemacht sind, wollen dorthin, wo Feuer ist. Ich denke, das wäre die Sonne - oder irgendwo oben. Aristoteles sagte auch, dass ein schwerer Gegenstand schneller fallen wird.

Natürlich hat er nie Experimente gemacht, um diese Ideen zu testen. Warum würdest du ein Experiment machen? Es würde einige experimentelle Fehler geben und du könntest wirklich nichts trauen, was du herausgefunden hast. Experimente ruinieren einfach den ganzen Spaß.

Gemeinsame Ideen über das Fallen ---------

Wenn Sie Leute um Sie herum fragen, was werden sie sagen? Ich wette, der Wille sagt eine der folgenden Antworten:

  • Heaver-Objekte fallen schneller. Wenn du ein schweres und leichtes Objekt zusammenlegst, kommt der Schwere zuerst auf den Boden.
  • Das ist eine Trickfrage. Ich erinnere mich in der Physik, dass alles gleich ist. Du kannst mich nicht zweimal austricksen.

Warum sollten die Leute die erste Antwort sagen? Denken Sie daran, dass im Wesentlichen alle Ideen auf etwas basieren. Selbst wenn sie falsch liegen, sollten sie eine Art Sinn machen, sonst wären wir einfach nur verrückt. Die Vorstellung, dass ein schweres Objekt schneller fällt, scheint mit unseren alltäglichen Beobachtungen übereinzustimmen.

Versuche dies. Nehmen Sie einen Baseball und einen Tischtennisball und lassen Sie sie zusammen fallen. Es wird wahrscheinlich näher als Sie denken, aber der schwerere Baseball wird in der Tat zuerst den Boden treffen. Ihre anfänglichen Gedanken würden bestätigt werden. Schwerere Dinge fallen tatsächlich schneller.

Zählerbeispiele ------

Hier ist das erste klassische Beispiel. Dies ist eine Bowlingkugel und ein Basketball aus derselben Höhe. Normalerweise halte ich diese zwei Bälle in einem Klassenzimmer und frage Schüler, welche zuerst auf den Boden aufschlagen werden. Ich lasse sie nie wirklich fallen, weil das Fallenlassen einer Bowlingkugel von oben über dem Kopf keine so gute Idee ist. Allerdings erregt es die Schüler, dass ich sie fallen lassen könnte.

In diesem Jahr haben mich die Schüler überzeugt, sie fallen zu lassen. Wir gingen nach draußen, damit ich sie ins Gras fallen lassen konnte. Hier sind zwei Videos, die Schüler aufgenommen haben. Es gibt ein Bonus-Experiment, das ich im Folgenden beschreiben werde.

Diese zwei Objekte haben eindeutig unterschiedliche Masse, aber sie fallen mit der gleichen Beschleunigung. Ich denke, ich sollte noch etwas auf fallende Objekte hinweisen. Wenn Sie die Position dieser Bälle messen würden, wenn sie fallen, fallen sie nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit. Stattdessen fallen sie mit einer konstanten Beschleunigung. Das heißt, wenn sie fallen, steigt die Geschwindigkeit. Bei diesen beiden Objekten treffen sie gleichzeitig auf den Boden, weil beide von der Ruhe ausgehen und beide die gleiche Beschleunigung haben.

Hier ist ein weiteres Beispiel, das Sie selbst ausprobieren können. Nimm zwei Blätter Normalpapier. Sie haben die gleiche Masse, oder? Nun zerknüllen Sie einen zu einem Ball und lassen beide fallen. Obwohl sie dieselbe Masse haben, wird die zerknitterte Person zuerst auf den Boden aufschlagen.

Hier ist ein besseres Beispiel. In diesem Fall habe ich ein zerknülltes Stück Papier und eine Art Schaumstoffplatte. Das Papier hat eine Masse von 5 Gramm und die Platte ist 240 Gramm. Nur als Hinweis, das ist ein großer Unterschied in der Masse. Aber welche hat zuerst den Boden getroffen? Yup, das Stück Papier. Super, oder? Und dann, wenn ich die Schaumstoffplatte so drehen, dass die dünne Seite nach unten zeigt, BOOM. Sie fielen beide gleichzeitig auf den Boden.

Also, was kommt zuerst auf den Boden? Alles. Oben kannst du alles sehen. Sowohl schwerere als auch leichtere Dinge können schneller fallen. Klar, man kann nicht einfach sagen "schwerer ist schneller".

Beschleunigung fallender Objekte -----------

Betrachten wir den Fall einer fallenden Bowlingkugel und eines Basketballs. Dies ist ein Kraftdiagramm, das die zwei Objekte zeigt.

Herbst 2013 Skizzen

Die Bowlingkugel hat eine größere Masse, daher hat sie auch eine größere Schwerkraft. Sie können diese Gravitationskraft als das Produkt der Masse (m) und des Gravitationsfeldes (g) berechnen. Es gibt noch etwas, das von der Masse abhängt, der Beschleunigung. Wenn es nur eine Kraft für ein Objekt gibt, wäre das Folgende wahr (in einer Dimension):

La te xi t 1

Da sowohl die Beschleunigung als auch die einzige Kraft von der Masse abhängen, kann ich schreiben:

La te xi t 1 2

Schwerere Dinge haben eine größere Schwerkraft und schwerere Dinge haben eine geringere Beschleunigung. Es stellt sich heraus, dass diese beiden Effekte genau aufgehoben werden, um fallende Objekte unabhängig von der Masse die gleiche Beschleunigung zu erhalten.

Luftwiderstand -----

Natürlich habe ich nicht alle oben genannten Punkte vollständig angesprochen. Wenn alle Objekte die gleiche fallende Beschleunigung haben, warum ist dann das zerknüllte Papier vor der Schaumstoffplatte auf den Boden gefallen? Das Problem ist, dass ich eine Kraft - die Luftwiderstandskraft - aufgegeben habe.

Hier ist ein anderes Experiment. Lege deine Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos. Was fühlst du? Sie können spüren, wie die Luft gegen Ihre Hand drückt. Wenn das Auto schneller fährt, wird die Luftwiderstandskraft größer. Wenn Sie Ihre Hand in eine Faust anstatt einer offenen Hand machen, nimmt die Kraft ab.

Diese Luftwiderstandskraft ist wirklich nur die Summe der kleinen Stöße mit deiner Hand und der Luft. Dies hängt sowohl von der Luftgeschwindigkeit als auch von der Größe des Objekts ab.

Was passiert, wenn Sie sowohl eine Schaumstoffplatte als auch ein zerknittertes Stück Papier fallen lassen? Zunächst haben sie die gleiche Beschleunigung, da sie beide eine Geschwindigkeit von Null haben, was eine Luftwiderstandskraft von null macht. Nach kurzer Zeit könnten die Kräfte jedoch so aussehen:

Herbst 2013 Skizzen

Die Schaumplatte hat eine größere Schwerkraft, aber sie hat auch eine sehr große Luftwiderstandskraft. Die Netto- (Gesamt-) Kraft auf der Schaumplatte wird eine geringere Beschleunigung als Papier ergeben.

Aber was ist mit dem Basketball und der Bowlingkugel? Sollten sie nicht unterschiedliche Beschleunigungen haben? Technisch, ja. Lassen Sie mich die Kraftdiagramme für diese beiden Objekte neu zeichnen und den Luftwiderstand einschließen.

Herbst 2013 Skizzen

Für diese Objekte ist die Gravitationskraft im Vergleich zur Luftwiderstandskraft groß. Im Wesentlichen ist es nicht viel, um die fallende Beschleunigung dieser Objekte zu ändern. Aber wann ist es wichtig? Das ist eine schwierige Frage. Erstens wird alles bei einer sehr niedrigen Geschwindigkeit einen größtenteils vernachlässigbaren Luftwiderstand haben und bei hoher Geschwindigkeit einen beträchtlichen Luftwiderstand haben. Hier sind einige Fälle, in denen Sie den Luftwiderstand NICHT ignorieren würden:

  • Ein fallendes Stück Papier oder eine Feder.
  • Ein fallender Mensch bei hohen Geschwindigkeiten (ein Sky Diver).
  • Ein professionell geworfener Baseball (100 mph).
  • Ein Tischtennisball.
  • Kleine Felsen oder Soße.

Ich weiß, dass das die Frage nach dem Luftwiderstand nicht vollständig beantwortet, aber es gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wo Sie anfangen sollen. Aber es stellt sich heraus, dass es viele Situationen gibt, in denen ein schwereres Objekt tatsächlich auf den Boden vor einem leichteren Objekt trifft (wegen des Luftwiderstandes). Ich denke, das ist der Grund, warum Aristoteles und viele andere denken, dass das immer wahr ist.

Oh, Veritasium hat ein paar tolle Videos über fallende Objekte. Hier sind meine drei Lieblingsvideos mit Fragen, die du beachten solltest.