Φυσική Α' Λυκείου

Ελεύθερη Πτώση

1. Θεωρία

Τι είναι η Ελεύθερη Πτώση;

Ελεύθερη πτώση είναι η κίνηση ενός σώματος που:

  • Αφήνεται να πέσει από κάποιο ύψος (χωρίς αρχική ταχύτητα, υ₀ = 0)
  • Κινείται μόνο υπό την επίδραση της βαρύτητας
  • Αμελούμε την αντίσταση του αέρα
  • Είναι ειδική περίπτωση ΕΟΜΚ με α = g

Επιτάχυνση της Βαρύτητας (g)

Η επιτάχυνση της βαρύτητας είναι η επιτάχυνση που αποκτά κάθε σώμα λόγω της έλξης της Γης.

\(g \approx 10 \; \text{m/s}^2 \; (\text{ή } 9{,}8 \; \text{m/s}^2)\)
Σταθερή τιμή κοντά στην επιφάνεια της Γης - ίδια για όλα τα σώματα!
Πολύ Σημαντικό

Η επιτάχυνση g είναι ίδια για όλα τα σώματα, ανεξάρτητα από τη μάζα τους! Ένα φτερό και ένας βράχος πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση (αν αγνοήσουμε τον αέρα).

Χαρακτηριστικά Ελεύθερης Πτώσης

  • Αρχική ταχύτητα: υ₀ = 0 (το σώμα αφήνεται, δεν εκτοξεύεται)
  • Επιτάχυνση: α = g = 10 m/s² (σταθερή, προς τα κάτω)
  • Κίνηση: Επιταχυνόμενη (η ταχύτητα αυξάνεται)
  • Τροχιά: Κατακόρυφη ευθεία γραμμή

2. Βασικοί Τύποι

Οι τύποι της ελεύθερης πτώσης προκύπτουν από τους τύπους της ΕΟΜΚ με τις αντικαταστάσεις:

  • α → g (επιτάχυνση = επιτάχυνση βαρύτητας)
  • υ₀ = 0 (αρχική ταχύτητα μηδέν)
  • x → h (η θέση μετράται ως ύψος)

1. Ταχύτητα σε χρόνο t

\(\upsilon = g \cdot t\)
Η ταχύτητα αυξάνεται κατά g κάθε δευτερόλεπτο

2. Ύψος πτώσης σε χρόνο t

\(h = \tfrac{1}{2} g \cdot t^2\)
Το ύψος που έχει διανύσει το σώμα από την αρχή της πτώσης

3. Ταχύτητα συναρτήσει του ύψους

\(\upsilon^2 = 2 \cdot g \cdot h\)
Χρήσιμος όταν δεν δίνεται ή δεν ζητείται ο χρόνος

4. Χρόνος πτώσης από ύψος H

\(t = \sqrt{\frac{2H}{g}}\)
Πόσος χρόνος χρειάζεται για να πέσει από ύψος H

3. Διαγράμματα

Διάγραμμα ταχύτητας-χρόνου (υ-t)

  • Ευθεία γραμμή που ξεκινά από την αρχή (0,0)
  • Κλίση = g (η επιτάχυνση της βαρύτητας)
  • Η ταχύτητα αυξάνεται γραμμικά με τον χρόνο

Διάγραμμα ύψους-χρόνου (h-t)

  • Παραβολή που ξεκινά από την αρχή
  • Κυρτή προς τα πάνω (το ύψος αυξάνεται όλο και πιο γρήγορα)
  • h = ½gt² είναι παραβολική συνάρτηση

Διάγραμμα επιτάχυνσης-χρόνου (a-t)

  • Οριζόντια ευθεία στο ύψος g = 10 m/s²
  • Η επιτάχυνση είναι σταθερή σε όλη τη διάρκεια της πτώσης

4. Λυμένα Παραδείγματα

Παράδειγμα 1: Ταχύτητα πρόσκρουσης
Ένα σώμα αφήνεται να πέσει ελεύθερα από ύψος 20 m. Με ποια ταχύτητα φτάνει στο έδαφος; (g = 10 m/s²)
Λύση
Δεδομένα: h = 20 m, υ₀ = 0, g = 10 m/s²
Ζητούμενο: υ = ;
Λύση: Από τον τύπο υ² = 2·g·h
υ² = 2 · 10 · 20 = 400
υ = √400 = 20 m/s
Απάντηση: Η ταχύτητα πρόσκρουσης είναι 20 m/s
Παράδειγμα 2: Χρόνος πτώσης
Από ύψος 45 m αφήνεται ένα σώμα να πέσει ελεύθερα. Σε πόσο χρόνο θα φτάσει στο έδαφος;
Λύση
Δεδομένα: H = 45 m, g = 10 m/s²
Ζητούμενο: t = ;
Λύση: Από h = ½·g·t²
45 = ½ · 10 · t²
45 = 5 · t²
t² = 9
t = 3 s
Απάντηση: Ο χρόνος πτώσης είναι 3 s
Παράδειγμα 3: Υπολογισμός ύψους
Ένα σώμα πέφτει ελεύθερα και φτάνει στο έδαφος με ταχύτητα 30 m/s. Από ποιο ύψος έπεσε;
Λύση
Δεδομένα: υ = 30 m/s, υ₀ = 0, g = 10 m/s²
Ζητούμενο: h = ;
Λύση: Από υ² = 2·g·h
30² = 2 · 10 · h
900 = 20 · h
h = 45 m
Απάντηση: Το σώμα έπεσε από ύψος 45 m
Παράδειγμα 4: Ταχύτητα σε χρόνο t
Ένα σώμα αφήνεται να πέσει ελεύθερα. Ποια είναι η ταχύτητά του μετά από 4 s; Πόσο ύψος έχει διανύσει;
Λύση
Δεδομένα: t = 4 s, υ₀ = 0, g = 10 m/s²
α) Ταχύτητα: υ = g·t = 10 · 4 = 40 m/s
β) Ύψος: h = ½·g·t² = ½ · 10 · 16 = 80 m
Απάντηση: υ = 40 m/s, h = 80 m

5. Ασκήσεις για Εξάσκηση

Άσκηση 1

Ένα σώμα αφήνεται να πέσει ελεύθερα από ύψος 80 m.

α) Σε πόσο χρόνο θα φτάσει στο έδαφος;

β) Με ποια ταχύτητα θα προσκρούσει;

Λύση

Απαντήσεις: α) t = 4 s, β) υ = 40 m/s

Άσκηση 2

Ένα σώμα πέφτει ελεύθερα και μετά από 2 s έχει ταχύτητα 20 m/s.

α) Ποια είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας;

β) Πόσο ύψος έχει διανύσει στα 2 s;

γ) Ποια θα είναι η ταχύτητά του μετά από 5 s από την αρχή;

Λύση

Απαντήσεις: α) g = 10 m/s², β) h = 20 m, γ) υ = 50 m/s

Άσκηση 3

Δύο σώματα Α και Β αφήνονται να πέσουν ελεύθερα. Το Α αφήνεται από ύψος 20 m και το Β από ύψος 45 m.

α) Ποιο φτάνει πρώτο στο έδαφος και πόσο νωρίτερα;

β) Ποιες είναι οι ταχύτητες πρόσκρουσης;

Λύση

Απαντήσεις: α) Το Α, 1 s νωρίτερα (tₐ = 2 s, t_β = 3 s), β) υₐ = 20 m/s, υ_β = 30 m/s

Άσκηση 4

Ένας αθλητής αγωνίζεται σε bungee jumping και πέφτει ελεύθερα τα πρώτα 5 s.

α) Πόσο ύψος διανύει στα 5 s;

β) Με ποια ταχύτητα κινείται στο τέλος της ελεύθερης πτώσης;

Λύση

Απαντήσεις: α) h = 125 m, β) υ = 50 m/s (= 180 km/h)

Σύνοψη - Τι να Θυμάμαι

Ο σύνδεσμος αντιγράφηκε!