การตกอิสระ: ผลของแรงต้านอากาศ | ฟิสิกส์ ม.4–6
ในสุญญากาศ วัตถุทุกชนิดตกด้วยความเร่งเท่ากันคือ g = 9.8 m/s² โดยไม่ขึ้นกับมวล นี่คือสิ่งที่กาลิเลโอค้นพบ
เมื่อมีอากาศ แรงต้านทำให้ความเร่งลดลง และวัตถุเบาจะได้รับผลมากกว่าวัตถุหนัก
แรงต้านอากาศขึ้นกับความเร็ว รูปทรง ขนาด และความหนาแน่นของอากาศ
| ตัวแปร | ความหมาย | ค่า |
|---|---|---|
| ρ | ความหนาแน่นอากาศ | 1.225 kg/m³ |
| Cd | สัมประสิทธิ์ลาก | 0.3 / 1.8 |
| A | พื้นที่หน้าตัด | 0.004 m² |
| v | ความเร็ว | m/s |
เมื่อแรงต้านเท่ากับแรงโน้มถ่วง วัตถุถึงความเร็วสุดท้าย (Terminal Velocity)
| วัตถุ | m (g) | Cd | vt (m/s) |
|---|---|---|---|
| 🔩 โลหะ | 100 | 0.3 | 36.5 |
| 📄 กระดาษ | 1 | 1.8 | 1.49 |
แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเท่ากับมวลคูณด้วยความเร่ง
ในหลอดที่ยาว 1.5 m ภายใต้แรงโน้มถ่วงปกติ:
🔩 ถึงก้น ≈ 0.553 s (เหมือนกันทั้ง 2 โหมด)
📄 ถึงก้น ≈ 1.11 s (มีอากาศ) / 0.553 s (สุญญากาศ)
วัตถุทุกชนิด ไม่ว่าจะหนักหรือเบา ตกด้วยความเร่งเท่ากันเมื่อไม่มีแรงต้านอากาศ ความแตกต่างที่เราเห็นในชีวิตประจำวันเกิดจากแรงต้านอากาศ ไม่ใช่จากมวลของวัตถุ
ปี 1971 นักบินอวกาศ David Scott ทดลองทิ้งค้อนและขนนกพร้อมกันบนดวงจันทร์ ทั้งสองตกถึงพื้นพร้อมกันทุกประการ เพราะดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศ
กาลิเลโอ กาลิเลอี เสนอในปี ค.ศ. 1638 ว่าวัตถุทุกชนิดตกด้วยความเร่งเท่ากัน โดยทดลองกับลูกเหล็กต่างขนาดจากหอเอนปิซา
หลอดแก้ว 2 หลอดบรรจุแผ่นโลหะและกระดาษ เมื่อพลิกกลับในอากาศกระดาษตกช้ากว่า แต่เมื่อสูบอากาศออกทั้งสองตกถึงก้นพร้อมกัน
มวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วงมีค่าเท่ากัน นี่คือพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein และแสดงให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงไม่เลือกวัตถุ
| สภาวะ | โลหะ (t) | กระดาษ (t) | ผล |
|---|---|---|---|
| 🌬️ มีอากาศ | 0.553 s | 1.11 s | ตกต่างเวลา |
| 🚀 สุญญากาศ | 0.553 s | 0.553 s | ตกพร้อมกัน ✅ |