Der freie Fall - eine Bewegung mit
konstanter Beschleunigung
Die Fallbewegung eines Körpers,
die nicht durch den Luftwiderstand
behindert wird, nennt man freien Fall. Der freie Fall ist eine gleichmäßig
beschleunigte geradlinige Bewegung. Damit gelten für den freien Fall
die Gesetze der gleichmäßig beschleunigten
Bewegung. Die Beschleunigung, mit der ein frei fallender Körper
fällt, wird als Fallbeschleunigung
g bezeichnet. Da die Fallbeschleunigung vom jeweiligen Ort abhängig
ist, nennt man sie manchmal auch Ortsfaktor,
bezogen auf die Erde auch Erdbeschleunigung.
Die Fallbeschleunigung an der Erdoberfläche hat folgende Werte:
Weit oberhalb der Erdoberfläche oder auf anderen Himmelskörpern hat die Fallbeschleunigung andere Werte, z.B:
Die Hälfte ihres Wertes auf der Erdoberfläche erreicht die
Fallbeschleunigung erst in einer Höhe von 2460 km. Die Fallbeschleunigung
auf der Erdoberfläche kann in unterschiedlicher Weise bestimmt werden.
Genauere Informationen dazu sind unter dem Stichwort "Fallbeschleunigung"
zu finden
Werte für g auf der Oberfläche anderer
Himmelskörper sind:
Gesetze des freien Falles
Die Gesetze des freien Falls wurden von GALILEO
GALILEI (1564-1642) gefunden. Die Entdeckung
der Fallgesetze ist in einem gesonderten Beitrag dargestellt.
Die Fallgesetze gelten nur im Vakuum, also bei einer Bewegung ohne Luftwiderstand.
Nur im Vakuum fallen alle Körper gleich schnell (Bild 1). Die Gesetze
gelten auch näherungsweise für den Fall in Luft, wenn der Luftwiderstand
vernachlässigt werden kann. Das kann bei schweren Körpern und
kleinen Fallstrecken bzw. kleinen Fallzeiten angenommen werden.
Für den freien Fall gelten das Weg-Zeit-Gesetz
und Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz:
Durch Kombination dieser beiden Gesetze lassen sich weitere Zusammenhänge
formulieren. Stellt man das Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz nach der Zeit
t um und setzt den Term in das Weg-Zeit-Gesetz
ein, so erhält man:
Häufig ersetzt man auch den Weg s durch die Höhe h und erhält dann die Gleichungen:
Grenzen der Anwendbarkeit der Gesetze
Der Fall eines Steines aus 20 m Höhe oder der Sprung einer Person
von einem 10-m-Turm können als freier Fall betrachtet werden, da
in diesen Fällen der Luftwiderstand vernachlässigt werden kann.
Für einen am Fallschirm schwebenden Fallschirmspringer
sind die Gesetze des freien Falls nicht anwendbar, weil in diesem Fall
der Luftwiderstand nicht vernachlässigt werden kann. Auch für
Regentropfen gelten die Gesetze des freien Falls nicht. So erreichen aufgrund
des Luftwiderstandes
- ohne geöffneten Fallschirm aus großer Höhe fallende Menschen eine Geschwindigkeit von etwa 200 km/h,
- Regentropfen in unmittelbarer Nähe des Erdbodens je nach Größe eine Geschwindigkeit von bis zu 30 km/h.
Will man bei der Lösung von Aufgaben die Gesetze des freien Falls anwenden, so muss man stets prüfen, ob der Luftwiderstand beim gegebenen Sachverhalt vernachlässigbar ist.
Untersuchungen bei frei fallenden
Körpern
Fällt ein Körper frei, so wirkt auf ihn keine Gewichtskraft.
Er ist schwerelos. Es ist von erheblichem wissenschaftlichen Interesse
zu untersuchen, wie sich verschiedene Körper unter diesen Bedingungen
verhalten. Solche Untersuchungen kann man im Weltraum realisieren. Sie
sind aber auch der Erde durchführbar, wenn auch nur in kurzen Zeitintervallen.
Eine Anordnung, mit der man solche Untersuchungen durchführen kann,
ist der Fallturm in Bremen. Genauere Informationen sind unter dem Stichwort
"Fallturm"
zu finden.