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自由落下

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目次

1.風船と段ボールの落下

2.落下中穴から水はこぼれるか(無重量状態)

3.落下中ゴムの動きはどうなるか

4.自由落下と水平打ち出しが同時に落ちる模型

5.同時に落下する二個の硬貨はどちらが先に床に着くか

6.硬貨を通り抜けるビー玉

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ねらい 自由落下は物体の質量、形体に関わらず、同じ速度で同じ距離を落下する現象で、空気抵抗がないものとしての運動である。同じ形で質量が異なるボールを高い所から落下させると地面に同時に着地するのは良く知られた現象である。しかし、日常生活の感覚では、空気抵抗が常にある環境での物体の落下現象を見ているので、重く小さい物体ほど早く地面に落下すると思うことがしばしばである。

物体の大きさと形を同じにした場合の落下

ペットボトル二本用意し、一方には水を入れ、他方には砂を入れ高い所から落下させるとほぼ同時に着地する。これは物体の落下運動は物体の質量には影響されず、t秒後の速さはv=gt、その落下距離はh=gt2 で表され、質量には依存しないことを示している。

1 風船と段ボールの落下―物体の大きさと形が異なる場合―

材料 風船 段ボール
方法 1 船と段ボールを同じ高さから同時に落下させる。

2段ボールの上に風船を乗せて落下させる。

結果 1板の方が早く地面に落下する。

2同時に落下する。

説明

1 重力の大きさは、F=mgで質量に比例し、板の方が質量が大きく重力が大きくなり、空気抵抗が風船よりも小さいので早く落下する。この二物体を同時に落下させるためには風船に働く空気抵抗を板が排除するように落下させればよい。

2 物体にかかる空気抵抗がことなるために、落下時間、速度が違ってくる。空気抵抗を同じ条件にすれば物体は同時に落下する。風船を板の上に載せた場合、板が風船にかかる空気抵抗を排除するので同時に落下するのである。ペットボトルの中に重いものと軽いもの形の違うものを入れて落下させれば、物体は同時に落下する。これはペットボトルによって物体にかかる空気抵抗が排除されるからである。

段ボールの方が先に落ちる。

2 落下中穴から水はこぼれるか(無重量状態トップへ

材料 ペットボトル 水
方法 ペットボトルの底近くに穴をあける。水を入れて水が飛び出すのを確認し、上からペットボトルを落下させる。水はどうなるか。
結果 ボトルから水は飛び出さない。

説明

コップと水は同じ速さで落ちるので、水はボトルに力をおよぼさないため、水は外に出ない。

3 落下中ゴムの動きはどうなるか トップへ

材料 ペットボトル 輪ゴム 重り
方法 輪ゴムに重りを付けてボトルの中にいれ、蓋で留めぶら下がるようにし落下する。
結果 落下中ゴムが縮み重りは浮いているように見える。

説明

輪ゴム、重りとボトルが同時に落ちるため、ゴムは縮み重りは無重量状態となる。

 

無重量とは何か

急降下する飛行機の中では無重量(無重力)状態になり、体が宙に浮かぶ。飛行機が物体が落下する速度で急降下した場合には、飛行機と人が同時に落下するので、人の体が浮いた状態になるのである。この状態でも地球が物体を引きつける重力は働いているの。飛行機にある体重計は、離陸前は人は体重計を押すので力がかかり体重が表示される。しかし、飛行機が急落下中は、体重計も人と同じ速度で落下しているので、人が体重計を押す力が働かなくなり、体重がゼロとなる。

4 自由落下と水平打ち出しが同時に落ちる模型 トップへ

材料 細い木の棒 段ボール まち針 セロテープ ビー玉 ゴムボール(小)
方法 1 木の棒を長さ20~30cm程度に切り、先端に穴を開けまち針で段ボールでさし自由に動くようにする。図のように短い木に切り、セロテープなどで段ボールに張り付ける。

2 ボールを図のように置き、指で木の棒を弾くように打ち出す。

結果 青いボールは落下し、赤いボールは水平に飛び出し同時に床に落ちる。

5 同時に落下する二個の硬貨はどちらが先に床に着くか トップへ

材料 硬貨2個(重いものと軽いもの) 机
方法 机などの端に軽い硬貨を置き、重い硬貨を指ではじき軽い硬貨にぶつけ落とす。二つの効果はどちらが先につくか。
結果 同時に床に落ちる。

説明

この二つの硬貨は同時に水平に投げ出された状態である。鉛直方向には自由落下するので水平移動距離に関係なく同時に落ちる。

6 硬貨を通り抜けるビー玉 トップへ

材料 ガラスビン 硬貨 ビー玉 厚紙
方法 ガラスビンの口に硬貨を置き、丸めた紙で図のように覆い、ビー玉を上から落とす。
結果 ビー玉がガラスビンに落ちる。

説明

硬貨とガラスビンには隙間があり、硬貨はビー玉より軽いので、ビー玉が衝突するとビー玉より高く跳ね上がり、その間にビー玉はビンの中に落ちる。硬貨はその後、元の位置にもどり蓋をする。

*この実験は自由落下ではなく、跳ね返りの違いの実験であるが、手品として見せると興味を引く。

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