Почему пизанская башня не падает с физической точки зрения: Почему Пизанская башня наклонилась, но не падает

почему наклонена, но не падает?

Пизанская башня – наверное, один из наиболее ярких символов Италии. Промах, допущенный при строительстве, не только не привел к ее разрушению, но и принес всемирную известность, заманивая людей из всех стран мира. Более того, он помог ей выстоять во время землетрясений.

Архитектурный комплекс

Пизанская башня расположилась в славном итальянском городе Пиза. Ее высота – 56,7 м. Это не самостоятельная достопримечательность, а часть архитектурного комплекса. Он красив, но башня с изъяном притягивает больше всего туристов. В комплекс входят:
•кладбище Компо-Санто;
•площадь Чудес;
•баптистерий;
•Пизанский собор. 

Пизанская башня была создана как колокольня для собора Санта-Мария Ассунта на Площади Чудес. В качестве материала выбрали белый мрамор. Башня насчитывает 294 ступени. Здание выглядит воздушным благодаря ажурным аркам, сделанным в готическом стиле. Ни одной фотографии не передать реальную красоту здания. Первый этаж украшен арками с 15 полуколоннами. Завораживают шесть одинаковых этажей, состоящих из 30 колонн. Звонницу украшают изображения мистических животных. 

Восьмивековое падение

Вот уже больше восьми веков Пизанская башня наклоняется все больше… Но не падает. Центральная ось сооружения уже сместилась на 5 метров, но башня выдержала даже землетрясение. Как все начиналось?

Авторство, как правило, приписывается Бонанно Пизано, но документального подтверждения этого нет. Но, кто бы ни был создателем, наклон он не задумывал. Впервые проблему заметили после того, как построили первые этажи. Тогда высота башни была лишь 11 метров, а наклон – 4 сантиметра. Работы замерли на целый век. За это время башня наклонилась на 50 сантиметров.

В 1272 году под руководством Джованни ди Симоне возобновились попытки достроить башню, но попытки поддержать основание башни провалились. К концу 13 века в башне насчитывалось 6 этажей, но постройку снова прекратили, на этот раз из-за войны. Наклон уже был равен 90 сантиметрам. В 1350 году возобновляется строительство. Тогда завершили восьмой этаж со звонницей. Отклонение уже достигло 143 сантиметра.

Последующие 600 лет башня медленно, но верно падала: примерно на миллиметр в год.

Почему она не прямая?

Версий, почему Пизанская башня наклонилась, великое множество. Среди них:
•не самые порядочные строители стянули часть материалов, предназначенных для фундамента;
•горожане, стремясь облагородить территорию, частично убрали грунт, служивший опорой, в итоге сместился фундамент;
•так изначально было задумано создателем башни;
•архитектор в своих расчетах неправильно продумал нюанс, связанный со структурой грунта и нагрузкой на него;
•согласно самой интересной, но совершенно неправдоподобной истории, творение было создано своим мастером совершенно прямым. Но, когда архитектор, закончив работу, пришел за оплатой, получил отказ. Он огорчился и сказал строению следовать за ним. Башня подчинилась и наклонилась вслед за ним.

Но дело в грунте, оказавшемся слишком мягком с одной стороны. Фундамент был заложен на высоте 3 метра, а это слишком высоко при мягкой почве.

Спасение башни

Хоть башня и смогла уже простоять столько веков, власти волновались, как бы она не упала на голову очередному охотнику за снимками. В 1993 году башня была закрыта и до 2001 года длилась ее реконструкция.

Прежде всего, укрепили основание башни. Для этого использовали жидкий цемент, сделавший его водонепроницаемым. Для стабилизации здания к бетонным балкам, расположенным с севера, были прикреплены свинцовые грузы. Башня была окружена стальными тросами. Но главная часть работы касалась почвы. Часть дефектного грунта была вымыта, его заменили на шнековый бур.

В итоге наклон выровнялся на целых 45 сантиметров!

Сегодня башня снова принимает туристов. Можно не только сфотографироваться снаружи, но и пройти внутрь. Но есть ограничение: внутри может быть максимум 45 человек.

Почему Пизанскую башню не обрушили землетрясения?

Как мы видим, Пизанская башня должна быть одной из наиболее шатких строений. Но как она пережила не одно, а 4 землетрясения? 

Разгадала загадку группа ученых во главе с профессором архитектуры Камилло Нути. Они пришли к выводу, что секрет в «динамическом взаимодействии башни и грунта». Как ни странно, именно ее фирменный наклон помог ей выстоять. Помогла и высота, и жесткость конструкции, которые, сочетаясь с мягкостью фундамента, изменяют вибрации. В результате колебания гасятся. Ученые установили, что во время сейсмической активности происходит движение башни по оси, вокруг наклона. Получается, если бы она стояла на другом грунте и была прямой, неизвестно, как она пережила бы землетрясения.

Кстати, Пизанская колокольня – не единственная в мире падающая башня. Несколько таких башен можно найти в России, например, на Урале в городе Невьянска. Угол наклона этой башни, построенной в XVIII веке, немногим больше 3 градусов.

Упадет ли на самом деле Пизанская башня

Одной из самых запоминающихся достопримечательностей в мире является Пизанская башня. Ее невозможно спутать с каким-либо другим строением по одной простой причине — она расположена под очень сильным наклоном к земле — так, что кажется, будто она падает. Или же это вовсе не обман зрения и башня действительно грозит рухнуть в скором времени? Попробуем разобраться с этой загадкой.

Содержание

1. История создания Пизанской башни
2. Почему она падает
3. Может ли упасть Пизанская башня

История создания Пизанской башни

Достопримечательность находится в итальянском городе Пиза — откуда и происходит ее название. Она включена в архитектурный ансамбль собора Санта Мария Ассунта, который в 1986 году вошел в список наследия ЮНЕСКО. Высота строения составляет 56,7 м и имеет форму цилиндра с диаметром основания 15,54 м.

В настоящее время башня наклонена к земле под углом 3,54 градуса. Этот показатель, согласно наблюдениям ученых, увеличился с момента ее постройки. До конца прошлого столетия он составлял 5,5 градуса, но за счет проведения реставрационных работ в 1990-2001 годах значительно уменьшился. Следовательно, конструкция изначально не задумывалась как наклонная. И действительно, из исторических документов становится очевидно, что при возведении достопримечательности была допущена банальная ошибка.

Архитектурный проект башни в XII веке был разработан Боннано Пизано. Создавать ее начали в 1173 году, но процесс солидно затянулся — почти на 200 лет. По разным источникам, работы завершились в 1350 либо в 1360-72 годах, когда был достроен последний 8-й этаж с колокольней. К этому времени здание уже заметно заваливалось набок, а кроме того изогнулось посередине и приняло форму банана. Публика стала с восторгом ожидать, что оно вот-вот упадет, но надежды на это не оправдались.

Почему она падает

Тот факт, что Пизанская башня возводится с нарушениями, выявился ближе к середине стройки — через 5 лет, когда добрались до 3 этажа и поняли, что просчитались — почва под фундаментом оказалась слишком мягкой. Но останавливаться было уже поздно, поэтому дело довели до конца, но в итоге башня начала заваливаться набок. Строители шли на всевозможные ухищрения, например, сделали на верхних этажах более высокие потолки, однако из-за этого просела центральная часть.

Может ли упасть Пизанская башня

Со времени возведения достопримечательности прошло уже более 800 лет, но она по-прежнему не упала. В какой-то степени это можно назвать чудом, хотя на самом деле причина кроется в физических законах — строение на самом деле «падало» под действием земного притяжения, но только очень медленно — со скоростью 1 мм в год. Таким образом ему удалось удачно дотянуть до начала XXI столетия, когда власти Италии приняли решение о необходимости реставрации одной из визитных карточек страны.

Естественно, выпрямлять башню никто не собирался — это значило бы лишиться уникальной достопримечательности, не имеющей аналогов в мире. Поэтому задача была другая — стабилизировать строение, чтобы оно не рассыпалось случайно. Для этого наклон уменьшили до 3,54 градуса путем укрепления почвы и фундамента. Работы в данном направлении теперь проводятся регулярно, раз в несколько лет. Также меняются поврежденные эрозией несущие колонны и перегородки.

Интересно, что свою лепту в поддержку Пизанской башни — в самом прямом смысле вносят и многочисленные туристы. Фото с падающим строением — когда человек как будто рукой придерживает заваливающееся здание — стоит 18 евро. Эти деньги идут в строительный фонд, так же, как и средства от билетов на посещение внутренних помещений башни, продажи сувениров и т. п.

Упадет ли когда-нибудь Пизанская башня?

Пизанская башня так долго наклонялась — почти 840 лет — что естественно предположить, что она навсегда бросит вызов гравитации. Но знаменитому зданию грозит обрушение практически с момента закладки первого кирпича.

Она начала наклоняться вскоре после начала строительства в 1173 году. Строители достигли только третьего из запланированных восьми этажей башни, когда ее основание начало неравномерно оседать на мягком грунте, состоящем из грязи, песка и глины. В результате сооружение накренилось немного на север. Рабочие попытались компенсировать это, сделав колонны и арки третьего этажа на опускающейся северной стороне немного выше. Затем они перешли к четвертому этажу, но остались без работы, когда политические волнения остановили строительство.

Объявление

Башня стояла незавершенной почти 100 лет, но ее не передвигали. Почва под фундаментом продолжала оседать неравномерно, и к тому времени, когда работы возобновились в 1272 году, башня наклонилась на юг — в том направлении, в котором она наклонена и сегодня. Инженеры попытались внести еще одну корректировку, на этот раз в пятом этаже, но в 1278 году их работа снова была прервана, когда было завершено всего семь этажей.

К сожалению, здание продолжало оседать, иногда с угрожающей скоростью. Скорость наклона была максимальной в начале 14 века, хотя это не помешало городским властям или проектировщикам башни продолжить строительство. Наконец, между 1360 и 1370 годами рабочие завершили проект, снова попытавшись исправить наклон, наклонив восьмой этаж с колокольней на север.

К тому времени, когда Галилео Галилей сбросил с вершины башни пушечное и мушкетное ядра в конце 16 века, она отклонилась от вертикали примерно на 3 градуса. Однако тщательное наблюдение началось только в 1911 году. Эти измерения выявили поразительную реальность: вершина башни двигалась со скоростью около 1,2 миллиметра (0,05 дюйма) в год.

В 1935 году инженеры забеспокоились, что избыток воды под фундаментом ослабит памятник и ускорит его разрушение. Чтобы герметизировать основание башни, рабочие просверлили в фундаменте сеть угловых отверстий, а затем заполнили их цементным раствором. Они только усугубили проблему. Башня стала наклоняться еще круче. Они также заставили будущие команды консерваторов быть более осторожными, хотя несколько инженеров и каменщиков изучили башню, предложили решения и попытались стабилизировать памятник с помощью различных типов распорок и арматуры.

Ни одна из этих мер не увенчалась успехом, и постепенно, с годами, конструкция достигла наклона в 5,5 градусов. Затем, в 1989 году, колокольня аналогичной конструкции в Павии, на севере Италии, внезапно рухнула.

Реклама

Опираясь на новый план для Пизы

Чиновники настолько забеспокоились, что Пизанскую башню постигнет участь, аналогичная рухнувшей башне в Павии, что закрыли памятник для публики. Год спустя они собрали международную команду, чтобы посмотреть, можно ли вернуть башню с края пропасти.

Джон Берланд, специалист по механике грунтов из Имперского колледжа Лондона, был ключевым членом команды. Он задавался вопросом, может ли извлечение грунта из-под северного основания башни поднять башню обратно к вертикали. Чтобы ответить на этот вопрос, он и другие члены команды запустили компьютерные модели и симуляции, чтобы увидеть, сработает ли такой план. Проанализировав данные, они решили, что решение действительно осуществимо.

Реклама

Вооружившись планом, рабочие отправились на площадку и обернули стальными лентами первый уровень, чтобы камень не раскололся. Затем они разместили 750 метрических тонн (827 тонн) свинцовых гирь на северной стороне башни. Затем они залили новое бетонное кольцо вокруг основания башни, к которому подсоединили серию тросов, закрепленных глубоко под поверхностью. Наконец, с помощью сверла 200 миллиметров (7,9дюймов) в диаметре, они располагались под углом под фундаментом. Каждый раз, когда они снимали сеялку, они убирали небольшую часть почвы — всего 15–20 литров (4–5 галлонов). По мере удаления почвы земля над ней оседала. Это действие в сочетании с давлением тросов тянуло башню в направлении, противоположном ее наклону. Они повторили это в 41 месте в течение нескольких лет, постоянно измеряя свой прогресс.

К 2001 году команда уменьшила наклон башни на 44 сантиметра (17 дюймов), чего было достаточно, чтобы чиновники были уверены, что смогут снова открыть памятник для публики. Даже после того, как бурение было остановлено, башня продолжала выпрямляться, пока в мае 2008 года датчики больше не регистрировали никакого движения. К тому времени башня потеряла еще 4 сантиметра (2 дюйма) в своем наклоне и, казалось, не подвергалась непосредственной опасности.

Действия Берланда и его команды теоретически могут навсегда стабилизировать конструкцию. Настоящая угроза теперь исходит от самой кладки, особенно материала нижних этажей, куда была направлена ​​большая часть сил, вызванных многовековым наклоном. Если хоть одна часть этой кладки рухнет, башня может рухнуть. И даже незначительное землетрясение в регионе может иметь разрушительные последствия.

Несмотря на эти потенциальные проблемы, инженеры ожидают, что знаменитое сооружение останется стабильным еще как минимум 200 лет. К тому времени может потребоваться еще одно вмешательство, но технологии, доступные для улучшения, могут быть намного более совершенными и сохранить башню еще на 800 лет.

Реклама

Пизанская башня Часто задаваемые вопросы

Что заставило Пизанскую башню наклониться?

Архитекторы заметили небольшой наклон в 1170-х годах после завершения первых трех этажей. Наклон происходит из-за неровного основания на мягком грунте.

Пизанская башня рухнет?

Специалисты по архитектуре и гражданскому строительству считают, что Пизанская башня, хотя и может выглядеть так, будто вот-вот упадет, будет стоять вечно.

Почему Пизанская башня не падает?

Пизанская башня не упадет благодаря так называемому динамическому взаимодействию почвы и конструкции, которое описывает взаимосвязь между мягкостью почвы и высотой и жесткостью башни.

Можно ли пройти внутрь Пизанской башни?

Да, с 2021 года посетители могут зайти внутрь Пизанской башни на 30 минут после покупки билета примерно за 18 евро.

Почему не чинят Пизанскую башню?

Наклон был скорректирован на полградуса после того, как между 1990 и 2001 годами были завершены фундаментные работы, что позволило стабилизировать его как минимум еще на 200 лет. Наклон башни сделал ее культовой, и ее полное исправление может причинить еще больше вреда.

Много дополнительной информации

Статьи по теме

Другие полезные ссылки

• New York Times Путеводитель по Пизе
• Путеводители Fodor’s: Пиза

Источники

• Альфред, Рэнди. «Пизанская башня открывается с нового ракурса». Проводной. Этот день в технологиях. 15 декабря 2010 г. (22 февраля 2011 г.) http://www.wired.com/thisdayintech/2010/12/1215leaning-tower-pisa-reopens/
• Ханниган, Крис. «Наклонные здания». Гугл Достопримечательности. 4 февраля 2010 г. (22 февраля 2011 г.) http://googlesightseeing.com/2010/02/leaning-buildings/
• Хайнигер, Паоло. «Падающая Пизанская башня.» Научный американец. Декабрь 1995 г.
• Кунциг, Роберт. «Антигравитация в Пизе». Откройте для себя журнал. 8 августа 2001 г. (22 февраля 2011 г.) http://discovermagazine.com/2000/aug/featpisa/?searchterm=leaning%20tower%20of%20pisa
• «Пизанская башня». Британская энциклопедия онлайн. Британская энциклопедия, 2011 г. (22 февраля 2011 г.)
• Мозман, Эндрю. «Претенденты претендуют на титул Пизы». 29 августа 2008 г. (22 февраля 2011 г.) . «Полный наклон». Центральный блог NGM. 19 августа 2009 г. (22 февраля 2011 г.) http://blogs.ngm.com/blog_central/2009/08/full-tilt-.html NOVA.
• «Падение Пизанской башни». НОВА Онлайн. 5, 19 октября99. (22 февраля 2011 г.) http://www.pbs.org/wgbh/nova/pisa/
• Смарт, Аластер. «Разгадка 800-летней тайны Пизанской башни». Телеграф. 28 июля 2010 г. (22 февраля 2011 г.) HTML

​

Процитируйте это!

Пожалуйста, скопируйте/вставьте следующий текст, чтобы правильно процитировать эту статью HowStuffWorks.com:

William Harris
«Упадет ли когда-нибудь Пизанская башня?»
16 марта 2011 г.
HowStuffWorks.com.
24 июня 2023 г.

Citation

Falling Physics

Intro

Если кто-то сбросит с одной высоты два предмета, один тяжелый, а другой легкий, какой из них упадет на землю первым? Если вы похожи на большинство людей, вы можете инстинктивно выбрать более тяжелый предмет. А почему бы и нет? Ведь камни падают быстрее перьев. Помимо веса, на скорость падения объекта влияют и другие факторы. Этот эксперимент поможет учащимся изучить такие факторы, как гравитация и воздух. Студенты будут использовать свои глаза и уши, чтобы выяснить, как масса влияет на скорость, с которой что-то падает.

Для получения дополнительной информации и идей о том, как реализовать задание в классе, посмотрите видео.

Ключевые термины

Масса: Мера количества вещества (или материи), которым обладает объект. Не путать с весом или объемом. Масса говорит только о том, сколько существует фактического материала, а не о том, насколько велик объект или как сильно что-то его тянет.

Вес: Масса (количество вещества) умножается на силу притяжения планеты (гравитация). Это означает, что ваш вес на Луне будет составлять 1/6 от земного (гравитация на Луне в 0,166 раза больше, чем на Земле). Однако ваша масса останется прежней.

Сила: Толчок или притяжение объекта ощущается из-за взаимодействия с другими объектами. Если взаимодействие прекращается, то силы нет. Формально это определяется как произведение массы на ускорение. Например, гравитация — это сила, которая представляет собой притяжение Земли ко всем объектам.

Скорость: Мера того, насколько быстро что-то движется в определенном направлении. Не путать со скоростью, которая показывает, насколько быстро что-то движется. «Машина ехала со скоростью 65 миль в час на юг по I-9.5″ — это мера скорости. «Американские горки двигались со скоростью 65 миль в час, когда Билли заболел» — это мера скорости.

Ускорение: Скорость изменения скорости. Когда что-то ускоряется, меняется скорость или направление движения. Положительное изменение ускорения означает, что объект движется быстрее, а скорость автомобиля увеличивается с 30 до 40 миль в час. Отрицательное изменение означает, что объект движется медленнее, скорость автомобиля увеличивается с 40 до 30 миль в час. Наконец, изменение направления скорости объекта без изменения скорости, например, если автомобиль движется на север и поворачивает на восток, продолжая движение, то автомобиль ускорился, потому что направление скорости автомобиля изменилось. Помните, что скорость — это вектор с направлением и величиной, поэтому изменения любого (или обоих) этих факторов вызовут ускорение.

Сопротивление воздуха: Сила, с которой воздух действует на что-то, что движется сквозь него. Когда объект с большей поверхностью падает в воздухе, он испытывает большее сопротивление воздуха. Сопротивление воздуха не зависит от массы тела.

КЛЮЧЕВОЙ ВОПРОС:

Как масса влияет на скорость падения объекта?

Перед выполнением задания учащиеся должны знать:

Гравитация Земли заставляет предметы падать, притягивая их к земле

• Есть разница между весом и массой.
• Есть разница между скоростью, скоростью и ускорением.
• Что сила равна массе, умноженной на ускорение.
• Когда что-то падает в воздухе, оно испытывает сопротивление воздуха.

ПОСЛЕ занятия учащиеся должны знать:

• Как масса влияет на скорость падения предметов.
• Почему молоток и перо будут падать с одинаковой скоростью на Луну, но не на Землю.

Наука о падающих предметах

Если бы кто-нибудь показал вам две сферы одинакового размера, но с разной массой, скажем, 1 г и 10 кг, и спросил, какая из них упадет на землю первой после падения с Пизанской башни, что ты говоришь? Если вы похожи на большинство людей, вы бы сказали, что 10-килограммовая сфера упадет на землю первой. Так говорил и Аристотель, и 1000 лет ему все верили. Но проведение эксперимента показало бы вам, помимо великолепного вида на Пизу, что на самом деле обе сферы упали на землю одновременно.

Именно это и сделал Галилей, показав миру, что объекты разной массы падают с одинаковой скоростью. (Это также хороший пример того, почему важно проводить эксперименты самостоятельно, а не просто верить кому-то на слово.) Чтобы начать понимать, почему Галилей был прав, нам нужно понять разницу между несколькими физическими словами, которые часто путают. вместе и перепутаны: масса, вес, скорость, скорость, ускорение и сила.

Начнем с массы и веса. Масса — это количество вещества, которым обладает объект. Масса и вес — не одно и то же: масса объекта останется неизменной, где бы он ни находился во Вселенной, а вес — нет. Если бы у меня было какое-то количество вещей, скажем, яблоко, и я взял его с Земли на Луну, у меня все равно было бы столько же вещей: одно яблоко (при условии, что я не проголодался в поездке). Куда бы я ни положил это одно яблоко, у меня всегда будет одно и то же количество яблок, если только я его не съем. Это значит, что здесь или на Луне у моего яблока одинаковая масса. Масса имеет единицу измерения килограмм.

Итак, вес — это произведение массы на силу гравитации, или насколько сильно планета притягивает объект к себе. Возвращаясь к нашему яблоку, это яблоко было бы намного легче поднять и положить в рот на Луне, чем на Земле, верно? Земля притягивает яблоко сильнее, чем Луна, потому что притяжение Земли (гравитация) сильнее, чем притяжение Луны. Хотя у меня такое же количество материала, та же масса, вес моего яблока на Земле больше, чем на Луне. Вес — это масса, умноженная на ускорение, это ускорение возникает из-за силы тяжести, которая притягивает объекты к земле. Единицей измерения веса являются ньютоны, то есть единицы массы (килограммы), умноженные на единицы ускорения. Но как мы иногда получаем единицы массы, когда спрашиваем о весе вещей? Это потому, что весы мы используем для измерения веса фактора ускорения притяжения Земли к объекту. Этот фактор является константой на Земле, а это означает, что он всегда один и тот же, если вы находитесь на Земле. Если бы я был на Луне и мое яблоко весило бы 0,25 ньютона, мне нужно было бы знать значение ускорения свободного падения на Луне, чтобы найти его массу.

Теперь о скорости, скорости, ускорении и силе. Скорость и скорость — разные вещи, но разница очень мала. Скорость дает больше информации, чем скорость, потому что она говорит нам, насколько быстро что-то движется в определенном направлении. Скорость — это то, насколько быстро что-то движется, но ничего не говорит о направлении этого движения. Ускорение говорит о том, насколько скорость изменяется в определенном направлении. Если что-то имеет постоянную скорость, скажем, движется на юг со скоростью 65 миль в час, ускорение отсутствует.

Как теперь можно что-то ускорить? Чтобы ускориться, объект должен чувствовать силу, то есть притяжение или толчок. Если вы ударите по футбольному мячу с некоторой силой, мяч изменит свою скорость, а это значит, что он ускорится. Сила — это масса, умноженная на ускорение. Это означает, что сила — это количество материала, умноженное на то, насколько сильно его толкают или тянут. Чем больше сила (чем сильнее удар), тем больше меняется ускорение футбольного мяча, так как его масса не меняется.

Когда что-то падает, оно падает под действием силы тяжести. Поскольку этот объект чувствует силу, он ускоряется, а это означает, что его скорость становится все больше и больше по мере падения. Сила, с которой Земля притягивает что-то в форме гравитации, является разновидностью ускорения. Земля притягивает все в одинаковой степени. Точно так же все ускоряется по направлению к Земле. Сила, которую ощущают объекты, может быть разной, потому что они имеют разную массу, но ускорение на Земле, которое они испытывают, точно такое же. Вес — это сила, действующая на массу из-за гравитации, потому что это количество вещества, умноженное на ускорение, с которым оно притягивается к Земле, любой планете или спутникам. Поскольку Земля придает всему одинаковое ускорение, объекты с разной массой все равно ударятся о землю в одно и то же время, если их сбросить с одной и той же высоты.

В первый раз, когда вы это скажете, никто вам не поверит, потому что каждый уронил шарик и перо одновременно, и они упали на пол в разное время. Это происходит не из-за различий в ускорении, которое постоянно на Земле, а из-за того, что воздух давит на объект в направлении, противоположном направлению притяжения Земли. Эта сила вызвана сопротивлением воздуха.

Чем менее массивен объект, тем больше сила сопротивления воздуха замедляет объект при падении. Если бы два объекта были сброшены на Луну, где нет воздуха, они бы падали с одинаковой скоростью, независимо от того, насколько сильно они различаются по массе. Форма объекта может влиять на то, насколько на него влияет сопротивление воздуха. Например, если вы уроните лист бумаги горизонтально, большая часть его поверхности будет подвергаться воздействию сопротивления воздуха. Но если бросить бумагу вертикально, тонкой стороной, то меньше будет поверхность, подверженная сопротивлению воздуха. Это означает, что в этом положении бумага будет чувствовать меньший толчок от воздуха и такое же притяжение от Земли. Два листа бумаги одинаковой массы, брошенные с одинаковой высоты, но один из которых находится в горизонтальном, а другой в вертикальном положении, не упадут на пол одновременно.

Астронавт Нил Армстронг провел на Луне эксперимент, чтобы убедить всех в правоте Галилея, что два объекта разной массы и формы — в данном случае перо и молоток — при отсутствии сопротивления воздуха ударятся о землю одновременно время.

В эксперименте 2, который вы будете выполнять, два предмета разной массы, испытывающие примерно одинаковое сопротивление воздуха, будут брошены и, надеюсь, убедит ваших детей в том, что масса не имеет никакого отношения к тому, как предметы падают.

Эксперимент 1

Материалы

• 2 листа бумаги одинакового размера
• Стул или стол (или оба)
• Линейка или метрическая лента (дополнительно)
• Балансировочная балка (дополнительно)
• Камера для записи эксперимента (опционально)
• Хронометр или что-то для измерения времени (по желанию)

В пособии для учащихся мы попросили учащихся разработать собственный эксперимент, чтобы проверить, одновременно ли два объекта одинаковой массы, но разной формы ударяются о землю. Идея состоит в том, чтобы побудить их к творчеству, понять, как планировать эксперименты, и думать как ученые и инженеры. Им дается набор материалов, которые они могут использовать для своих экспериментов. Это им подсказывает, но им должно быть позволено использовать другие материалы в своем дизайне. Как учитель, вы можете задавать наводящие вопросы, чтобы заставить их задуматься о различных аспектах экспериментов. Ниже приведены полные инструкции для одного возможного дизайна.

Цель эксперимента состоит в том, чтобы учащиеся поняли, что масса не является фактором, влияющим на то, как предметы падают, чтобы они заметили, что форма имеет значение и почему она так важна. Смятие бумаги или изменение направления падения бумаги может поддержать эти идеи. Им нужно выяснить, какие переменные они должны контролировать, например, одновременное падение бумаги или наличие сильного воздушного потока, а также согласованность повторных экспериментов.

Мы просим студентов следовать научному методу планирования эксперимента.

Научный метод состоит из пяти основных шагов плюс один шаг обратной связи:

• Сделайте наблюдение.
• Задать вопрос.
• Сформулируйте гипотезу или проверяемое объяснение.
• Сделать прогноз на основе гипотезы.
• Проверить предсказание.

Установка

• Возьмите два листа бумаги и скомкайте один в шар.
• Если у вас есть балансиры, найдите массу каждого листа бумаги. Запишите эти значения в свои заметки
• Измерьте высоту, с которой вы будете ронять листы бумаги. Убедитесь, что они одинаковой высоты. Запишите значение роста в свои заметки
• Подготовьте таймер и камеру к записи
• Выдвиньте гипотезу: как вы думаете, какой лист бумаги упадет на землю первым? Легче или тяжелее?
• Бросьте листы бумаги одновременно

Учащиеся должны подумать о том, как массы двух листов бумаги были одинаковыми, но смятый кусок упал на землю первым. Почему?

Эксперимент 2

В этом эксперименте учащимся предлагается придумать способ проверить, падают ли два объекта разной массы, но одинаковой формы на землю одновременно. Им был предоставлен набор материалов, отличный от эксперимента 1. В этом случае есть другие переменные, которые нужно контролировать, например, как одинаковые или разные формы влияют на результат, и разница в массе между двумя объектами. Если масса удвоена, но форма такая же, будут ли предметы падать на пол одновременно? Как и в случае с экспериментом 1, мы дали вам возможную установку для эксперимента. Но опять же, студенты должны иметь свободу создавать свои собственные проекты.

Материалы

• 2 шара одинакового размера, но разной массы 2 алюминиевые формы для тарталеток
• Стул или стол (или оба)
• Линейка или метрическая лента (дополнительно)
• Балансировочная балка (дополнительно)
• Хронометр или что-то для измерения времени (по желанию)
• Камера для записи эксперимента (опционально)

В наборе разные наборы мячей, повторите эксперимент со всеми возможными комбинациями деревянных и резиновых мячей. Обязательно пометьте мячи и измерьте их, чтобы сделать хорошее сравнение.

Если вы работаете дома и у вас нет нужных материалов, вы всегда можете заменить шарики пластилином или пластилином (рецепт домашнего пластилина см. в рекомендуемых ресурсах). Если у вас нет ни пластилина, ни пластилина, то найдите в доме два предмета одинаковой формы, но разного веса. Например, две одинаковые бутылки с водой, одна полная, а другая с меньшим количеством воды или без воды. Цель этого эксперимента — проверить, падают ли объекты с разной массой, но одинаковой формы одновременно. Вместо алюминиевых форм для тарта вы можете использовать алюминиевую фольгу или любой другой тип бумаги/фольги, который издает звук при ударе о него падающими предметами.

Как и в случае с заданием 1, мы просим учащихся следовать научному методу планирования эксперимента.

Установка

• Поставьте две формы для тарталеток на пол дном вверх на расстоянии около фута друг от друга.
• Выберите два шара одинакового размера
• Если у вас есть балансиры, найдите массу двух шаров и запишите эти значения в свои заметки
• Подготовьте таймер и камеру к записи эксперимента
• Придумайте гипотезу: как вы думаете, какой мяч упадет быстрее? Легче или тяжелее?
• Бросайте шары одновременно
• Сколько раз вы слышали удары по тарелкам каждый раз, когда бросали шарики

Учащиеся должны обратить внимание на то, сколько ударов они слышали каждый раз, когда бросали мячи. Зависит ли это от того, насколько различны массы шаров? Какой мяч быстрее коснется пола?

Научные стандарты следующего поколения:

5-PS2-1. Поддержите аргумент, что гравитационная сила, действующая со стороны Земли на объекты, направлена ​​вниз.

МС-ESS1-2. Разработайте и используйте модель для описания роли гравитации в движениях внутри галактик и Солнечной системы.

Соответствующая деятельность расширения zADKcq4_aRzqIS?usp=совместное использование

Предлагаемые ресурсы

Видео для детей младшего возраста

Гравитация и свободное падение

Опасно! Falling Objects

Simulations & Videos:

Был ли прав Галилей?: Исследуйте влияние гравитации на объекты различной массы во время свободного падения. Предсказать, как будут выглядеть графики положение-время и скорость-время. Сравните графики для легких и тяжелых предметов.

Модель свободного падения: Эта симуляция позволяет учащимся исследовать движение объекта в свободном падении.