Στα βήματα του Γαλιλαίου: 1. Η πτώση των σωμάτων

Ε. ΧανιωτάκηςΦυσικός, MSc

Τα σώματα πέφτουν.. Είναι κάτι το οποίο ξέρουμε από την

εποχή που οι άνθρωποι ζούσαν στις σπηλιές.

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί συμβαίνει αυτό;;Η απάντηση έρχεται σχεδόν αυτόματα σε όλους μας και είναι: « Η ΒΑΡΥΤΗΤΑ»

Ας μελετήσουμε όμως λίγο πιο βαθιά το φαινόμενο.

Όλοι ξέρουμε οτι αν αφήσουμε μια μπάλα και ένα φύλλο να πέσουν από το ίδιο ύψος, η μπάλα θα πέσει πρώτη στο έδαφος. Άρα μπορούμε εύκολα να συμπεράνουμε οτι ένα βαρύ σώμα πέφτει πιο γρήγορα από ένα ελαφρύ – όπως επιβεβαιώνε κι ο Αριστοτέλης! Ο Γαλιλαίος όμως είχε άλλη άποψη...

Τι είναι η ελεύθερη πτώση; Είναι η κίνηση κατα την οποία ένα σώμα πέφτει

από κάποιο ύψος εξ’ αιτίας μόνο του βάρους* του.

Είναι άραγε αυτή η κίνηση που παρατηρούμε καθημερινά όταν βλέπουμε σώματα να πέφτουν;

Στο σημερινό μάθημα θα εξερευνήσουμε την πτώση των σωμάτων και θα δούμε κατα πόσο είναι «ελεύθερη» μαθαίνοντας έμπρακτα την επιστημονική μέθοδο που εισήγαγε ο Γαλιλαίος.*Βάρος: Η δύναμη με την οποία η γη έλκει ένα σώμα

Τι μας λέει η εμπειρία μας;

Δοκιμάστε να ρίξετε αντικείμενα διαφορετικής μάζας* από το ίδιο ύψος ταυτόχρονα.Τι παρατηρείτε;

* Μάζα: Η ποσότητα της ύλης από την οποία αποτελείται ένα σώμα

Πειραματική διαδικασία

Επιλογή Παραμέτρων για διερεύνηση.

Αν θέλουμε να εξερευνήσουμε πειραματικά το φαινόμενο της πτώσης των σωμάτων, πρέπει να λάβουμε πολλές παραμέτρους υπ’ όψιν μας:Μπορείτε να σκεφτείτε μερικές από αυτές;

(Σκεφτείτε: Θέλουμε ποσότητες που σχετίζονται άμεσα με το πρόβλημά μας και είναι μετρήσιμες)

Μερικές ιδέες (είναι όλες αυτές σχετικές με τοπρόβλημά μας;;;)

- Ώρα που ξυπνήσατε το πρωί- Μάζα του σώματος- Φαγητό που θα φάτε το μεσημέρι- Ο αέρας- Καιρικές συνθήκες- Μέγεθος του σώματος- Θερμοκρασία- Στάθμη των πάγων στην ανταρκτική- Υλικό κατασκευής του σώματος

Σχετικές παράμετροι: Μάζα των σωμάτων, μέγεθος των σωμάτων, ύπαρξη αέρα.

Ας σκεφτούμε ένα πείραμα για να μετρήσουμε τι συμβαίνει όταν πέφτειένα σώμα:

- Π.χ : Παίρνουμε δύο διαφορετικά σώματα και τα αφήνουμε να πέσουναπό το ίδιο ύψος, ταυτόχρονα. Θα δούμε ποιο θα φθάσει πρώτο στο έδαφος.(Πρέπει να είμαστε πολύ ακριβείς!)

Σχεδιασμός Πειράματος

*** Θυμηθείτε: για να εξετάσουμε την επίδραση μιας παραμέτρου σε ένα πείραμα, κρατάμε όλες τις συνθήκες σταθερές και αλλάζουμε αυτήν την παράμετρο.

* Ας διαλέξουμε λοιπόν, δύο σώματα με την ίδια ακριβώς μάζα, αλλά διαφορετικό μέγεθος. Τι θα συμβεί;;; (Διαλέξτε έξυπνα τα σώματα από υλικά που έχετε στην τσάντα σας)

* Ας διαλέξουμε τώρα δύο σώματα με ακριβώς το ίδιο μέγεθος, αλλά διαφορετική μάζα. Τι θα συμβεί;

Στο πρώτο σκέλος θα διερευνήσουμε το ρόλο που παίζει το μέγεθοςκαι η μάζα των σωμάτων.

1ο βήμα: Διαλέγω δύο ίδια αντικειμενα: 2 φύλλα χαρτί!

Αν τα αφήσω ταυτόχροναθα πέσουν................

2ο βήμα: Τσαλακώνω το ένα χαρτί

Πλέον τα σώματα έχουν ............... μάζα και............... μέγεθοςΕπαναλαμβάνω το πείραμα.Τι παρατηρείτε;

Εκτέλεση πειράματος (μελέτη μάζας και μεγέθους σώματος)

3ο βήμα: Τοποθετώ ένα σιδερένιο μπαλάκι στο ατσαλάκωτο χαρτί και το τσαλακώνω.

Μετράω το μέγεθος των δύο σωμάτων.Πλέον τα σώματα έχουν ......... μάζα και ........ μέγεθοςΕπαναλαμβάνω το πείραμα.

Τι παρατηρείτε; Αν έριχνα τα σώματα από μεγαλύτερο ύψος τι θαέβλεπα;

Ας δούμε τι έκαναν μερικοί «τρελοί» με έναν γερανό! (2:35- 4:02)https://www.youtube.com/watch?v=AYz_K3mwq6A

Όταν ρίχνω δύο σώματα ίδιου μεγέθους αλλά διαφορετικής μάζας από μεγάλο ύψος, ποιο φθάνει πρώτο στο έδαφος;

Μελέτη της αντίστασης του αέρα

Είδαμε οτι για δύο σώματα με ίδια μάζα αλλά διαφορετικό μέγεθος, τοπιο μικρό θα φθάσει πρώτο στη γη σε ένα πείραμα πτώσης από μεγάλο ύψος.

Αντίστοιχα, για δύο σώματα με ίδιο μέγεθος αλλά διαφορετική μάζα, το βαρύτερο θα πέσει πρώτο στη γή σε ένα πείραμα πτώσης από μεγάλο ύψος.

Ωστόσο, είναι η κίνηση που παρατηρούμε ελεύθερη πτώση; Επιδρά μόνο το βάρος στο σώμα μας, ή παίζει ρόλο και κάτι άλλο – όπως ο αέρας;

Για να μελετήσουμε την επίδραση της αντίστασης του αέρα, θα πρέπεινα εκτελέσουμε το ίδιο πείραμα με παρουσία και με απουσία αέρα.

Τι περιμένετε να συμβεί στις δύο περιπτώσεις;

Στο πείραμα που θα παρακολουθήσουμε, θα δούμε μερικά φτερά και μια μπάλατου μποουλινγκ να πέφτουν ταυτόχρονα από μεγάλο ύψος σε έναν θάλαμοκενού της NASA. Θα παρακολουθήσουμε το πείραμα να εκτελείται με παρουσία και απουσία αέρα και θα συγκρίνουμε τα αποτελέσματα. https://www.youtube.com/watch?v=E43-CfukEgs

Χωρίς Αέρα

Με αέρα

Η μπάλα φθάνει πρώτη στο έδαφος

Η μπάλα και τα φτερά φθάνουν ταυτόχρονα στο έδαφος!!

Ας δούμε το ίδιο πείραμα στην επιφάνεια της σελήνης οπου δεν υπάρχειαέρας (1971)! https://www.youtube.com/watch?v=KDp1tiUsZw8

Συμπεράσματα

Όταν ένα σώμα πέφτει σε κενό αέρος, δεν παίζει ρόλο ούτε το σχήμα ούτε η μάζα του!!Στην Ελεύθερη Πτώση, το μόνο που έχει σημασία είναι το ύψος από τοοποίο πέφτουν τα σώματα.

-- Αν δύο διαφορετικά σώματα πέσουν ταυτόχρονα ελεύθερα από το ίδιο ύψος, θα φθάσουν την ίδια στιγμή στο έδαφος!

-- Αν τα σώματα πέσουν παρουσία αέρα, τότε η μάζα και το μέγεθόςτους παίζουν και αυτά ρόλο και το αποτέλεσμα των πειραμάτων μας εξαρτάται από αυτά!

Στα ίδια συμπεράσματα είχε καταλήξει ο Γαλιλαίος χωρίς να χρειαστεί να κάνει τα πειράματά του χωρίς παρουσία αέρα. Σύμφωνα με το θρύλο έριξε δύοβαριές σφαίρες διαφορετικής μάζας από τον Πύργο της Πίζα και μέτρησε τονχρόνο που έκαναν να φθάσουν στο έδαφος. Οι χρόνοι ήταν σχεδόν ίδιοι!

Με βάση τη θεωρία του Αριστοτέλη, όσο πιο βαρύ είναι ένα σώμα τόσο πιο γρήγορα πέφτει στη γη.Άρα ένα σώμα μάζας 2 κιλών θα πέσει 2 φορές πιο γρήγορα στη γή από ένα σώμα μάζας 1 κιλού αν ξεκινήσουν απ το ίδιο ύψος.Τι γνώμη έχετε; Είχε δίκιο ο Αριστοτέλης;

Ερώτηση:

Με βάση την πειραματική μέθοδο του Γαλιλαίου, - Ερευνούμε ένα φαινόμενο ώσπου να βρούμε μια απάντησηη οποία θα μπορεί να εφαρμοστεί σε όλες τις περιπτώσεις.

Με βάση την παλαιά λογική,- Ερευνούμε ένα φαινόμενο ώσπου να κατανοήσουμε πως λειτουργείο κόσμος στον οποίο ζούμε. Αν η θεωρία μας ταιριάζει με τις παρατηρήσειςτου κόσμου αυτού, το έργο μας έχει λήξει.

Ποια απ’ τις δύο μεθόδους σας ταιριάζει και γιατί;

Σύνοψη Στο σημερινό μάθημα μελετήσαμε πειραματικά την πτώση των

σωμάτων ακολουθώντας την επιστημονική μέθοδο του Γαλιλαίου.

Επιλέξαμε τις παραμέτρους που ήταν σχετικές με την μελέτη μας: Την μάζα των σωμάτων, το μέγεθός τους, την παρουσία αέρα.

Εκτελέσαμε το πείραμα χρονομέτρησης της πτώσης δύο σωμάτων ταυτόχρονα απ’ το ίδιο ύψος, αλλάζοντας μια παράμετρο τη φορά.

Διαπιστώσαμε οτι απουσία αέρα τα σώματα πέφτουν ελεύθερα (δηλαδή υπο την επίδραση μόνο του βάρους τους!). Μόνο το ύψος από το οποίο πέφτουν ευθύνεται για τον χρόνο άφιξής τους στο έδαφος.

Όταν «βάλουμε αέρα» στο πείραμά μας, τότε έχει σημασία η μάζα και το μέγεθος του σώματος.