📘 CodingMarble Learn

Ускорение свободного падения и его изменение с высотой и глубиной

Ускорение тела, свободно падающего возле Земли, равно g = GM/R² ≈ 9.8 м/с². Оно не зависит от массы падающего тела. На высоте h значение g уменьшается: g_h = g R²/(R + h)², а при малых h примерно g(1 − 2h/R). На глубине d значение g тоже уменьшается: g_d = g(1 − d/R). В центре Земли g = 0. Значит, g наибольшее на поверхности.

🎬 История по шагам

  1. Красный шар лежит на поверхности Земли. Красная стрелка показывает g, то есть притяжение на каждый килограмм. Здесь g = GM/R², около 9.8 м/с².
  2. Теперь шар поднимается вверх. Стрелка становится короче. На вдвое большем расстоянии от центра g всего в четыре раза меньше. Фиолетовый график растёт по мере подъёма.
  3. Теперь шар спускается в туннель. Стрелка снова укорачивается, но на этот раз график — прямая линия.
  4. Шар достиг центра. Стрелки нет: g = 0. Весь график: внутри Земли прямая линия, снаружи кривая 1/r². Вершина находится на поверхности.
  5. Разберём пример. Шар на высоте h = R/2. Нажимай на кнопку и находи g строчка за строчкой.
  6. Твоя очередь. Двигай шар от центра до далёкого космоса. Смотри значение g внизу.

Совет: тяни 3D-сцену, чтобы повернуть её. Двумя пальцами можно приблизить.

🤔 Частые сомнения — разобраны

Почему тяжёлый камень не падает быстрее лёгкого?

Тяжёлый камень притягивается сильнее, но и массу ему нужно разгонять больше. Сила ÷ масса получается одинаковой: g = GM/R². Пёрышко замедляет воздух.

Когда использовать g(1 − 2h/R), а когда полную формулу?

Короткую формулу бери, только когда h совсем мала по сравнению с R (несколько десятков км). Для h вроде R/2 или R используй g R²/(R + h)², как в разобранном примере.

Спускаясь, я приближаюсь к центру. Почему g уменьшается?

Земля над тобой тянет вверх и в стороны, и это взаимно гасится. Притягивает только часть под тобой, а она всё время уменьшается. Посмотри на прямой участок графика на шаге 3.

Где g наибольшее?

На поверхности. Поднимешься или спустишься — g уменьшится. Посмотри на вершину фиолетового графика на шаге 4.

Космонавты парят, потому что в космосе нет гравитации?

Нет. На высоте 400 км g всё ещё около 8.7 м/с². Они парят, потому что они и станция вместе падают вокруг Земли.

g и его связь с G

Ускорение свободного падения (g) — это ускорение тела, которое свободно падает под действием притяжения Земли. Возьмём тело массой m на поверхности. Сила притяжения Земли равна GMm/R². По второму закону Ньютона эта сила равна mg. Значит,

mg = GMm/R² → g = GM/R²

Масса m сокращается, поэтому камень и пёрышко падают с одинаковым g (если нет воздуха). При M = 6 × 10²⁴ кг и R = 6.4 × 10⁶ м получаем g ≈ 9.8 м/с².

Вес = mg (это сила, в ньютонах). Масса (в кг) — это количество вещества, и везде она одинакова. Вес меняется, когда меняется g.

Изменение g с высотой

На высоте h над поверхностью расстояние до центра равно (R + h). Поэтому

g_h = GM/(R + h)² = g R²/(R + h)²

Для малых высот (h ≪ R)

  1. g_h = g (1 + h/R)⁻²
  2. Правило бинома: (1 + x)⁻² ≈ 1 − 2x, когда x мало.
  3. g_h ≈ g (1 − 2h/R)

Значит, g уменьшается на долю 2h/R. При h = 32 км получаем 2h/R = 1%, то есть g уменьшается на 1%.

Если h не мала (например, h = R или h = R/2), используй точную формулу.

Изменение g с глубиной

Спустимся в шахту на глубину d. Теперь расстояние до центра равно (R − d).

  1. Внешний слой толщиной d притягивает тебя одинаково со всех сторон, поэтому он даёт нулевую результирующую силу.
  2. Притягивает только внутренний шар радиусом (R − d). Его масса (при одинаковой плотности ρ) равна M' = M (R − d)³/R³.
  3. g_d = GM'/(R − d)² = GM (R − d)/R³
  4. g_d = g (1 − d/R)

Для однородной Земли это точная формула. Это прямая линия: g равномерно уменьшается по мере спуска.

В центре

При d = R получаем g = 0. В центре Земля тянет тебя одинаково во все стороны. Ты бы почувствовал невесомость (но тебя сжимало бы огромное давление!).

Полная картина: g в зависимости от расстояния r

Значит, g уменьшается и при подъёме, и при спуске. При одном и том же малом смещении x подъём (2x/R) уменьшает g вдвое сильнее, чем спуск (x/R).

Другие малые изменения (для интереса)

Земля чуть сплюснута у полюсов и вращается. Поэтому g около 9.83 м/с² на полюсах и около 9.78 м/с² на экваторе.

Попробуй сам: измерь g маятником

Привяжи маленькую тяжёлую гайку к нити длиной 1 м. Пусть она слегка качается (малый угол). Засеки на секундомере телефона время 20 качаний и раздели на 20, чтобы получить период T. Тогда g = 4π²L/T². При L = 1 м должно получиться T ≈ 2.0 с, а g близко к 9.8 м/с². В 3D сдвинь шар на 1.0 R и проверь, что на табло показано 9.8.

Главные формулы и определения

Разобранные примеры

1. Найди g на поверхности. M = 6 × 10²⁴ кг, R = 6.4 × 10⁶ м, G = 6.67 × 10⁻¹¹.

g = GM/R² = 4.0 × 10¹⁴ / 4.096 × 10¹³ ≈ 9.77 м/с² ≈ 9.8 м/с².

2. Найди g на высоте h = R/2.

g_h = g R²/(1.5R)² = g/2.25 = 9.8/2.25 ≈ 4.36 м/с².

3. Найди g на высоте 64 км (R = 6400 км).

h ≪ R, поэтому g_h ≈ g(1 − 2h/R) = 9.8 (1 − 128/6400) = 9.8 × 0.98 ≈ 9.60 м/с².

4. Найди g на глубине 1600 км.

g_d = g(1 − d/R) = 9.8 (1 − 1600/6400) = 9.8 × 0.75 = 7.35 м/с².

5. Человек весит 600 Н на поверхности. Каков его вес на высоте, равной R?

g_h = g R²/(2R)² = g/4. Вес = 600/4 = 150 Н.

6. На какой высоте g становится на 1% меньше, чем на поверхности? (R = 6400 км)

2h/R = 0.01 → h = 0.005 R = 32 км.

7. Найди глубину, на которой g равно g на высоте 10 км (малая h).

g(1 − d/R) = g(1 − 2h/R) → d = 2h = 20 км.

8. Масса планеты в 2 раза больше земной, а радиус в 2 раза больше земного. Найди g на ней.

g' = G(2M)/(2R)² = (2/4) g = g/2 = 4.9 м/с².

Частые ошибки

Тренировочный тест

1. Чему равно g в центре Земли:
2. Связь между g и G такая:
3. На высоте h = R значение g становится:
4. На глубине d = R/2 значение g становится:
5. g максимально:

Практика: отвечай сам

Введи или выбери ответ и нажми «Проверить». Если застрял, возьми подсказку; полное решение появится после ответа.

Частые вопросы

Какая связь между g и G?

g = GM/R², где M и R — масса и радиус Земли.

Какова формула изменения g с высотой?

g_h = g R²/(R + h)²; при малых h g_h ≈ g(1 − 2h/R).

Какова формула изменения g с глубиной?

g_d = g(1 − d/R). В центре (d = R) g = 0.

Где это изучают

CBSE (India)Class 11Gravitation

Сначала изучи

Дальше изучай