Vrije val
Van Wikipedia
Vrije val is de toestand waarin op een lichaam geen enkele kracht wordt uitgeoefend, behalve de zwaartekracht. De versnelling van het lichaam is in dat geval gelijk aan de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht, want er is geen andere kracht die die beweging tegenwerkt. Bij een vrije val, valt alles even snel.
Gooit men een steen van een toren, dan bevindt die steen zich in vrije val vanaf het moment dat hij wordt losgelaten, mits de luchtweerstand wordt verwaarloosd. Deze toestand duurt totdat de steen de grond raakt.
Legt men een steen op tafel (of op een andere ondergrond), dan werken er twee krachten op de steen. In de eerste plaats de zwaartekracht, die de steen naar beneden trekt. De tafel buigt daardoor een beetje door en wil terugveren. Daardoor ontstaat de normaalkracht, die de steen omhoogduwt. Er ontstaat nu een evenwichtssituatie, waardoor de normaalkracht even groot is als de zwaartekracht, maar tegengesteld gericht. De resultante van die twee krachten is nul en de steen blijft op zijn plaats. Is de tafel niet sterk genoeg om voldoende normaalkracht te produceren, dan zakt de steen door de tafel heen.
Wat is er zo bijzonder een de zwaartekracht? De zwaartekracht heeft de bijzondere eigenschap dat hij trekt aan ieder molecuul, ieder atoom, ieder kerndeeltje van de steen. Andere krachten hebben een bepaald aangrijpingspunt. Een normaalkracht drukt alleen tegen de onderkant van de steen, en de onderkant van die steen moet zelf die kracht aan de rest van de steen doorgeven. Daardoor wordt de steen een beetje in elkaar gedrukt. Het omgekeerde geldt als er aan een steen getrokken wordt: de moleculen van de steen worden van elkaar getrokken.
De zwaartekracht is hierop een uitzondering, doordat de zwaartekracht aan ieder molecuul van de steen trekt, worden de moleculen van de steen niet tegen elkaar gedrukt of van elkaar getrokken en de krcht wordt door de steen niet gevoeld. (Dit geldt overegens alleen in een homogeen zwaartekrachtsveld).
Een toestand van vrije val kan op aarde niet lang duren. Een lichaam in vrije val zal onvermijdelijk op de grond vallen. Men kan gedurende hoogstens enkele minuten vrije val - dus gewichtsloosheid - opwekken door een vliegtuig in een paraboolbaan te brengen, dat wil zeggen at het vliegtuig in dezelfde baan vliegt als een lichaam dat in vrije val is. Dat geldt niet voor een ruimtevaartuig. Een ruimtevaartuig bevindt zich in vrije val vanaf het moment dat de raketmotor wordt uitgeschakeld (Brennschluß). Komt het ruimteschip in een baan om de aarde, dan is het constant in een vrije val, zonder dat de afstand tot de aarde vermindert. De ruimtevaarders in het ruimteschip zijn dan gewichtloos, doordat ze geen enkele kracht voelen.
Onder parachutisten wordt de term "vrije val" gebruikt voor de periode tussen het springen uit een vliegtuig en het soms relatief lange tijd later openen van de parachute. Dit is een andere definitie van het woord "vrij": vrij van het gebruik van de parachute, en ook vrij om capriolen te maken. Een geheel vrije val is het niet, want naarmate de parachutist snelheid krijgt, wordt de luchtweerstand groter - zo groot dat er van vrije val in natuurkundige zin geen sprake meer is, ook als de parachute nog niet geopend is.
[bewerk] Tabel van valparameters
Onderstaande tabel toont met welke snelheid een voorwerp op aarde valt, en hoe lang de val duurt. Hierbij wordt uitgegaan van een zwaartekrachtversnelling van 10 m/s2. Een voorwerp dat van 5 centimeter hoogte valt, komt reeds met 1 m/s beneden. De gebruikte formules zijn:
- g: zwaartekrachtversnelling, op aarde 9,81 m/s2, afgerond tot 10.
- h: hoogte in meters.
- v: snelheid
- m: massa van het lichaam (die hebben we niet nodig)
- Potentiële energie bij het begin van de val: mgh, ofwel gh per kilogram.
- Kinetische energie bij het einde van de val: 0,5 mv2, ofwel v2 per kilogram.
- Deze twee energieën zijn aan elkaar gelijk.
- Hieruit kan de snelheid bij het neerkomen berekend worden: v= wortel(2gh)
- De duur van de val is 2h/v.
| hoogte | energie | snelheid bij neerkomen |
valtijd | hoogte | energie | snelheid bij neerkomen |
valtijd | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| m | J/kg | m/s | s | m | J/kg | m/s | s | |
| 0,05 | 0,5 | 1 | 0,1 | 10 | 100 | 14,1 | 1,41 | |
| 0,5 | 5 | 3,16 | 0,316 | 20 | 200 | 20 | 2 | |
| 1 | 10 | 4,47 | 0,447 | 30 | 300 | 24,5 | 2,45 | |
| 2 | 20 | 6,32 | 0,632 | 40 | 400 | 28,3 | 2,83 | |
| 3 | 30 | 7,74 | 0,774 | 50 | 500 | 31,6 | 3,16 | |
| 4 | 40 | 8,94 | 0,894 | 60 | 600 | 34,6 | 3,46 | |
| 5 | 50 | 10 | 1 | 70 | 700 | 37,4 | 3,74 | |
| 6 | 60 | 10,95 | 1,095 | 80 | 800 | 40 | 4 | |
| 7 | 70 | 11,8 | 1,18 | 90 | 900 | 42,4 | 4,24 | |
| 8 | 80 | 12,6 | 1,26 | 100 | 1000 | 44,7 | 4,47 | |
| 9 | 90 | 13,4 | 1,34 |
[bewerk] Homogeen zwaartekrachtsveld
In het bovenstaande was sprake van een homogeen zwaartekrachtsveld. Dat betekent dat de zwaartekracht overal even sterk is en dezelfde richting heeft. In een klein gebied is dat meestal bij benadering het geval, maar in een groot gebied niet meer. In een niet-homogeen zwaartekrachtsveld bestaat vrije val nog steeds, maar de gravitatiekracht is wel degelijk voelbaar. Bijvoorbeeld: de aarde is in vrije val om de maan, maar doordat de aarde zo groot is, is het zwaartkrchtsveld niet meer homogeen te noemen. Het gevolg is dat de aarde uit elkaar wordt getrokken, wat merkbaar is aan de getijden. In extreme gevallen kan het gebeuren dat een lichaam (bijvoorbeeld een komeet, of de maan van een planeet) door de zwaartekracht in stukken wordt getrokken.
