Der freie Fall

Vernachlässigt man Einflüsse wie den Luftwiderstand, so handelt es sich bei dem freien Fall um eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung. Diese gleichmäßig beschleunigte Bewegung entsteht durch die Gewichtskraft, die auf jeden Körper wirkt. Wie in den einführenden Kapiteln erwähnt, wird ein Körper, auf den eine konstante Kraft wirkt, gleichmäßig beschleunigt. Die Kraft, die auf den Körper wirkt, ist nach dem Newton´schen Gesetz F = m·a

Der freie Fall

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist der freie Fall eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung, daher gelten für den freien Fall die Gesetze der gleichmäßig beschleunigten Bewegung. Im Prinzip gelten die physikalischen Gesetzt für den freien Fall im Prinzip nur im Vakuum, also bei einer Bewegung ohne Luftwiderstand. Näherungsweise können die Gesetze für den freien Fall angewendet werden, wenn der Luftwiderstand vernachlässigt werden kann. Dies gilt in der Regel:

• bei schweren Körpern
• bei kleinen Fallstrecken
• bei kleinen Fallzeiten

Formeln für den freien Fall

Warum fallen Gegenstände unterschiedlich schnell bzw. haben unterschiedliche Fallbeschleunigungen?

Wie eingangs erwähnt, gelten die Gesetze für den freien Fall im Prinzip nur im Vakuum, also bei einer Bewegung ohne Luftwiderstand. In der Realität fallen beispielsweise eine Metallkugel und ein Blatt Papier aber unterschiedlich schnell zu Boden (nicht vergessen werden sollte:  im Vakuum fallen alle Körper gleich schnell). Dies liegt daran, dass Luftwiderstand sich auf große, leichte Körper stärker auswirkt, als auf kleine schwere Körper.
Dies wurde auch in einem inzwischen berühmten Experiment nachgewiesen, so konnte der Astronauten David Scott auf dem Mond (Luft-Reibungswiderstand ist praktisch gleich Null) zeigen, dass ein Hammer und die Feder gleichzeitig auf der Mondoberfläche landeten. Deshalb eine wichtige Zusammenfassung:

• Auf einem bestimmten Punkt ist die Fallbeschleunigung für alle Körper im Vakuum gleich.
• Daraus folgt, dass die Beschleunigung nicht von der Masse der fallenden Körper abhängt
• In der Realität fallen verschiedene Gegenstände unterschiedlich schnell, dies liegt aber daran, dass die Luft dem Körper eine Reibungskraft entgegensetzt, wodurch die resultierende Kraft kleiner ist: resultierende Kraft = m·g – Reibungskraft.
• Die Erdbeschleunigung g ist keine universelle Konstante, und weist an verschiedenen Punkten auf der Erdoberfläche unterschiedliche Werte auf. Die Differenz zwischen min. und max. Wert betragen aber nur ca. 0,05 m²/s, so dass die Erdbeschleunigung g auf der Erdoberfläche als annähernd konstant angenommen werden kann. Auf anderen Planetenoberflächen liegt aber eine ganz anderer Wert für die Erdbeschleunigung vor.

Warum fallen dann zwei Körper mit verschiedenen Massen im Vakuum gleich schnell zu Boden?

Dies ist zwar ein anderes Kapitel, aber es soll hier kurz darauf eingegangen werden. Dazu sollte bekannt sein, dass auf jeden bewegten Körper eine Kraft (Massenträgheit G = m·g) wirkt, wobei diese Trägheitskräfte proportional zur Masse des Körpers sind. Zusätzlich sollte noch bekannt sein (aus dem 2. Newtons´schen) Gesetz, dass gilt: je mehr Masse ein Körper besitzt, desto größer muss die Kraft sein, um es auf einen bestimmten Wert zu beschleunigen Nun kann man erkennen, dass wenn die beiden “Axiome” in Relation gesetzt werden, dass die Beschleunigung von unterschiedlichen schweren Körpern im Vakuum immer gleich ist.
Als Ergebnis erhält man das sog. “Äquivalenzprinzip”, welches auch erklärt, dass unterschiedlich schwere Körper gleich schnell fallen. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass in gleichem Maße wie die Schwere eines Körpers zunimmt auch dessen Trägheit zunimmt.

Einbeziehung des Luftwiderstandes (für Fortgeschrittene)

Wie bereits öfters erwähnt, fallen im Vakuum alle Körper gleich schnell, im Nicht-Vakuum fallen Körper aufgrund unterschiedlichen Luftwiderstands unterschiedlich schnell. Dies kann man natürlich berechnen, in dem man einfach eine “neue Erdbeschleunigung g´” berechnet. Diese Formel lautet:

Mit Hilfe dieser Formel kann man auch erklären, warum bei einem Fall durch ein Nicht-Vakuum die (Fall) Beschleunigung zusätzlich zur Erdbeschleunigung noch vom Quadrat der Geschwindigkeit abhängig ist.

weiterführende Informationen auf Lernort-Mint.de

•  1.Newton´sches Gesetz

•  2.Newton´sches Gesetz

• Gleichmäßig beschleunigte Bewegung

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Der freie Fall – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter einem „Freien Fall“?

Ein freier Fall ist eine Bewegungsform, bei der ein Körper ausschließlich der Erdanziehungskraft unterliegt und alle anderen Kräfte vernachlässigt werden.

2. Welche Geschwindigkeit erhält ein Objekt im freien Fall pro Sekunde durch die Beschleunigung?

Eine Beschleunigung von 9,81 m/s² wirkt auf einen Körper im freien Fall zu, das heißt die Geschwindigkeit erhöht sich pro Sekunde um diesen Betrag.

3. Was passiert mit einem Körper im freien Fall im Vakuum?

Im Vakuum fallen alle Körper gleich schnell, unabhängig von ihrer Masse, da es keine Luftwiderstände gibt.

4. Wie berechnet man die Fallzeit im freien Fall?

Die Fallzeit berechnet sich mit der Formel t = √(2h/g), wobei h die Fallhöhe und g die Erdbeschleunigung ist.

5. Wie lautet die Formel zur Berechnung des freien Falls?

Die Formel zur Berechnung des freien Falls lautet s = 0.5 * g * t², wobei s die Strecke, g die Erdbeschleunigung und t die Zeit ist.

6. Was ist der Unterschied zwischen freiem Fall und Wurf nach oben?

Beim Wurf nach oben wirken zwei Kräfte auf den Körper – die Anfangskraft nach oben und die Erdbeschleunigung nach unten. Beim freien Fall wirkt nur die Erdbeschleunigung.

7. Warum sind die Gewichtskraft und die Masse eines Körpers im freien Fall irrelevant?

Im freien Fall sind die Gewichtskraft und die Masse eines Körpers irrelevant, weil ohne externe Kräfte wie Luftwiderstand alle Körper gleich schnell fallen, unabhängig von ihrer Masse.

8. Ist die Geschwindigkeit im freien Fall konstant?

Im freien Fall ist die Geschwindigkeit nicht konstant. Sie nimmt aufgrund der Erdbeschleunigung mit der Zeit zu.

9. Was wird bei der Berechnung des freien Falls oft vernachlässigt?

Bei der Berechnung des freien Falls wird oft der Luftwiderstand vernachlässigt, um die Berechnung zu vereinfachen.

10. Was versteht man unter der „Terminalgeschwindigkeit“ im Kontext des freien Falls?

Die Terminalgeschwindigkeit ist die maximale, konstante Geschwindigkeit, die ein fallender Körper unter dem Einfluss des Luftwiderstands erreicht.