Перейти до основного вмісту
Каталог

Вільне падіння тіл

~20 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань

Механіка
Фізика НМТ

Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Фізика — повний курс.

Рівноприскорений рух із прискоренням g: падіння без початкової швидкості, кидок угору й униз, максимальна висота підйому, час польоту, шлях за останню секунду. Досліди Галілея й трубка Ньютона.

Вільне падіння: прискорення g

Вільне падіння — це рух тіла, на яке діє лише сила тяжіння. У таких задачах опором повітря нехтують, тому тіло рухається тільки під дією сили тяжіння Землі. Це один із найпростіших випадків рівноприскореного руху: прискорення, з яким падають усі тіла, називають прискоренням вільного падіння і позначають літерою g. Його значення біля поверхні Землі становить приблизно 9,8 м/с², а в задачах НМТ його значення дають в умові (наприклад, g = 10 м/с²). Завжди використовуй те значення, яке наведено в умові. Прискорення g завжди напрямлене вертикально вниз, до центра Землі.

Досліди Галілея

Італійський учений Галілео Галілей (1564–1642) першим систематично дослідив падіння тіл. За переказом, він скидав кулі різної маси з Пізанської вежі й виявив, що вони досягають землі майже одночасно. Точніші результати він отримав, скочуючи кулі по похилих жолобах: уповільнивши рух, він зміг виміряти залежність пройденого шляху від часу. Галілей дійшов висновку, що за відсутності опору повітря всі тіла падають з однаковим прискоренням, незалежно від маси.

Трубка Ньютона

Наочним підтвердженням цього висновку є дослід із трубкою Ньютона. Це скляна трубка, у якій містяться легке тіло (наприклад, пір’їна) і важке тіло (дробинка). Якщо в трубці є повітря, пір’їна падає значно повільніше за дробинку через опір повітря. Після відкачування повітря насосом обидва тіла падають однаково й досягають дна одночасно. Це доводить, що різниця в швидкості падіння в повітрі спричинена опором повітря, а не масою тіл.

Чому прискорення не залежить від маси?

Другий закон Ньютона дає просте пояснення. Сила тяжіння, що діє на тіло, дорівнює F = mg, де m — маса тіла. Прискорення тіла знаходять за формулою a = F/m. Підставляючи F = mg, отримуємо a = mg/m = g. Маса скорочується, тому прискорення однакове для всіх тіл — чи то пір’їна, чи то свинцева куля. Саме тому в умовах, де опір повітря відсутній або ним нехтують, усі тіла падають з однаковим прискоренням g.

Рендеринг діаграми…

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Падіння без початкової швидкості

Коли тіло падає без початкової швидкості (v₀ = 0), його рух описують рівняннями рівноприскореного руху, у яких прискорення a дорівнює g. Вісь Oy зручно напрямити вертикально вниз, тоді всі величини — додатні.

Основні формули

Висота падіння (пройдений шлях) за час t:

Швидкість у момент t:

Швидкість на висоті h (без часу):

Час падіння з висоти h:

Приклад: камінь падає з висоти 45 м

Нехай g = 10 м/с². Час падіння:

Швидкість перед ударом об землю:

Або за формулою без часу:

Шляхи за послідовні секунди

Одна з важливих властивостей вільного падіння: шляхи, пройдені за послідовні рівні проміжки часу від початку падіння, відносяться як непарні числа — 1 : 3 : 5 : 7 : … . За g = 10 м/с² тіло проходить:

  • за 1-шу секунду: h₁ = 5·1² = 5 м

  • за 2-гу секунду: h₂ = 5·2² − 5·1² = 20 − 5 = 15 м

  • за 3-тю секунду: h₃ = 5·3² − 5·2² = 45 − 20 = 25 м

Справді, 5 : 15 : 25 = 1 : 3 : 5.

Шлях за n-ту секунду можна обчислити за формулою:

Наприклад, за 4-ту секунду: h₄ = 10·(8 − 1)/2 = 35 м.

Шлях за останню секунду падіння

Якщо відомий повний час падіння t, то шлях за останню секунду дорівнює різниці між повною висотою h і висотою, пройденою за час (t − 1):

Наприклад, для падіння з висоти 80 м (g = 10 м/с²): t = √(160/10) = 4 с. За 3 с тіло проходить 5·9 = 45 м. Отже, за останню секунду: 80 − 45 = 35 м.

Як зміна висоти впливає на час і швидкість

Якщо висоту падіння збільшити вдвічі, то час падіння зросте в √2 ≈ 1,41 раза, а кінцева швидкість — теж у √2 раза. Це випливає з формул t ∼ √h і v ∼ √h. Наприклад, з висоти 20 м (g = 10 м/с²) час падіння 2 с, швидкість 20 м/с; з висоти 40 м — час ≈ 2,83 с, швидкість ≈ 28,3 м/с.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Тіло, кинуте вертикально вгору або вниз

Коли тіло кидають вертикально, воно рухається з тим самим прискоренням g, що й під час вільного падіння. Різниця лише в тому, що тепер є початкова швидкість v₀, яка може бути напрямлена вгору або вниз. Вибір напряму осі Oy визначає знаки у формулах.

Рівняння руху з віссю Oy угору

Найчастіше вісь Oy напрямляють вертикально вгору. Тоді початкова швидкість v₀ — додатна, а прискорення g — від'ємне (напрямлене вниз, проти осі). Рівняння руху:

Тут y — координата тіла відносно точки кидання. Якщо тіло кинули з висоти H, то y = H + v₀t − gt²/2.

Тіло, кинуте вертикально вниз

Якщо тіло кидають униз, вісь Oy зручно напрямити вниз. Тоді v₀ і g — додатні:

Тут h — пройдений шлях (глибина падіння).

Максимальна висота підйому і час підйому

Для тіла, кинутого вертикально вгору, максимальна висота досягається в момент, коли швидкість стає нульовою. З рівняння v = v₀ − gt отримуємо час підйому:

Підставляючи цей час у рівняння координати, знаходимо максимальну висоту:

Повний час польоту до повернення в точку кидання вдвічі більший за час підйому:

У точку кидання тіло повертається з тією самою за модулем швидкістю v₀, але напрямленою вниз.

Приклад: м'яч кинули вгору зі швидкістю 20 м/с

Нехай g = 10 м/с². Час підйому: = 20/10 = 2 с. Максимальна висота: hmax = 20²/(2·10) = 400/20 = 20 м. Повний час польоту: 2·2 = 4 с.

Прискорення у верхній точці

У верхній точці траєкторії швидкість тіла дорівнює нулю — воно на мить зупиняється, перш ніж почати падати вниз. Однак прискорення в цій точці не нульове: воно дорівнює g і напрямлене вертикально вниз. Сила тяжіння продовжує діяти на тіло, тому прискорення не зникає.

Симетрія руху вгору й униз

Рух тіла, кинутого вертикально вгору, симетричний відносно верхньої точки. Це означає:

  • на тій самій висоті швидкості під час підйому й спуску однакові за модулем

  • час підйому до будь-якої висоти дорівнює часу спуску з тієї самої висоти

  • повний час польоту до точки кидання — 2v₀/g

Тіло, кинуте вгору з висоти H

Якщо тіло кидають вертикально вгору з балкона або вежі, що перебуває на висоті H над землею, рівняння руху набуває вигляду:

Момент падіння на землю знаходять, розв'язуючи квадратне рівняння y = 0. Додатний корінь дає час польоту до землі.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Розбираємо завдання

Приклад 1. Максимальна висота підйому

М'яч кинули вертикально вгору зі швидкістю 15 м/с. Вважайте g = 10 м/с². Визначте максимальну висоту підйому м'яча (у метрах).

Розв'язання. Максимальна висота підйому тіла, кинутого вертикально вгору:

Відповідь: 11,25.

Типові помилки: забути поділити на 2 (тоді вийшло б 22,5) або взяти g = 9,8 (отримали б 11,48, що не збігається з умовою).

Приклад 2. Прискорення у верхній точці

М'яч кинули вертикально вгору. Яке прискорення має м'яч у верхній точці траєкторії?

Варіанти відповідей:

  • 0

  • g, напрямлене вгору

  • g, напрямлене вниз

  • менше за g, тому що швидкість дорівнює нулю

Розв'язання. У верхній точці швидкість тіла дорівнює нулю, але сила тяжіння продовжує діяти. Отже, прискорення дорівнює g і напрямлене вертикально вниз.

Відповідь: g, напрямлене вниз.

Чому інші варіанти неправильні:

  • 0 — помилка: учні часто думають, що якщо тіло зупинилося, то й прискорення нульове. Насправді прискорення не залежить від швидкості.

  • g, напрямлене вгору — прискорення вільного падіння завжди напрямлене вниз, до центра Землі.

  • менше за g — прискорення не змінюється під час усього польоту, воно завжди дорівнює g.

Приклад 3. Шлях за останню секунду падіння

Тіло вільно падає без початкової швидкості протягом 4 с. Вважайте g = 10 м/с². Який шлях (у метрах) проходить тіло за останню секунду падіння?

Розв'язання. Повний шлях за 4 с:

Шлях за перші 3 с:

Шлях за останню (4-ту) секунду:

Відповідь: 35.

Типова помилка: обчислити шлях за 4 секунди (80 м) і дати його як відповідь, не зрозумівши, що запитують саме за останню секунду.

Приклад 4. Тіло, кинуте вгору з висоти

З балкона, що розташований на висоті 25 м над землею, кинули камінь вертикально вгору зі швидкістю 20 м/с. Вважайте g = 10 м/с². Через скільки секунд камінь упаде на землю?

Розв'язання. Напрямимо вісь Oy угору, початок координат — на землі. Тоді початкова координата y₀ = 25 м, початкова швидкість v₀ = 20 м/с, прискорення a = −g = −10 м/с². Рівняння руху:

На землі y = 0. Розв'язуємо квадратне рівняння:

Дискримінант: D = 16 + 20 = 36, √D = 6. Корені: t = (4 ± 6)/2. Додатний корінь: t = (4 + 6)/2 = 5 с.

Відповідь: 5.

Типова помилка: обчислити лише час підйому ( = 20/10 = 2 с) і не врахувати, що камінь ще має впасти з висоти 25 м + 20 м = 45 м.

Приклад 5. Трубка Ньютона

У трубці, з якої відкачали повітря, одночасно відпускають пір'їну й дробинку. Яке твердження правильне?

  • Дробинка падає швидше, бо вона важча

  • Пір'їна падає швидше, бо вона легша

  • Вони падають з однаковим прискоренням і досягають дна одночасно

  • У вакуумі тіла не падають

Розв'язання. У вакуумі опір повітря відсутній, тому на обидва тіла діє лише сила тяжіння. Прискорення вільного падіння g не залежить від маси тіла (a = mg/m = g). Отже, пір'їна й дробинка падають з однаковим прискоренням і досягають дна одночасно.

Відповідь: Вони падають з однаковим прискоренням і досягають дна одночасно.

Чому інші варіанти неправильні:

  • маса не впливає на прискорення вільного падіння — це довів ще Галілей

  • легкість теж не прискорює падіння

  • у вакуумі тіла падають — саме там вільне падіння відбувається без спотворень

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Типові помилки й пастки

  • Вважати, що у верхній точці траєкторії прискорення дорівнює нулю. Насправді швидкість у верхній точці нульова, але прискорення залишається g і напрямлене вниз. Сила тяжіння діє постійно, тому прискорення не зникає.

  • Вважати, що без опору повітря важче тіло падає швидше. Досліди Галілея й трубка Ньютона доводять: у вакуумі всі тіла падають з однаковим прискоренням g, незалежно від маси. Різницю в повітрі створює опір повітря, а не маса.

  • Плутати шлях за n-ту секунду зі шляхом за n секунд. Шлях за n секунд — це повна висота h = gn²/2. Шлях за n-ту секунду — це різниця між шляхом за n секунд і шляхом за (n − 1) секунду: hₙ = g(2n − 1)/2. Наприклад, за 4 секунди тіло проходить 80 м, а за 4-ту секунду — лише 35 м.

  • Губити знак g, коли вісь напрямлено вгору. Якщо вісь Oy напрямлена вгору, то прискорення g напрямлене вниз, тобто проти осі. У рівняннях v = v₀ − gt і y = v₀t − gt²/2 знак «мінус» перед g обов'язковий.

  • Брати за повний час польоту тіла, кинутого вгору, лише час підйому v₀/g. Повний час польоту до точки кидання вдвічі більший: 2v₀/g. Тіло має піднятися до максимальної висоти, а потім упасти назад — обидва етапи тривають однаковий час.

  • Не враховувати початкову швидкість тіла, кинутого вниз, у формулі h = gt²/2. Якщо тіло кинули вниз зі швидкістю v₀, то h = v₀t + gt²/2. Формула h = gt²/2 працює лише для падіння без початкової швидкості.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Як це перевіряють на НМТ

У довідкових матеріалах НМТ-2026 немає окремих формул вільного падіння. Натомість там подано загальні рівняння рівноприскореного руху:

У задачах на вільне падіння ти підставляєш у ці формули a = g, а знак визначаєш напрямом осі. Також у довідці немає таблиці фізичних сталих, тому значення g дають в умові задачі (наприклад, 10 м/с² або 9,8 м/с²) — використовуй саме його.

Програма НМТ

Тема «Рух тіла під дією сили тяжіння» (тема 1.2 програми) передбачає, що ти вмієш:

  • розв'язувати задачі на рух під дією постійної сили тяжіння (вільне падіння)

  • пояснювати досліди Галілея, які доводять незалежність прискорення вільного падіння від маси

Формати завдань

На НМТ завдання з вільного падіння можуть мати дві форми:

  • Якісні запитання — вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання № 1–14, 1 бал). Наприклад: «Яке прискорення має тіло у верхній точці траєкторії?» або «Що доводить дослід із трубкою Ньютона?».

  • Розрахункові задачі — коротка відповідь (завдання № 17–22, 0 або 2 бали). Потрібно обчислити час падіння, висоту, швидкість. Відповідь записують числом, наприклад 11,25.

Стратегія

Перед розв'язуванням уважно прочитай умову: яке значення g дано, чи є початкова швидкість, куди вона напрямлена. Визнач напрям осі й розстав знаки. Якщо задача на коротку відповідь, перевір, чи правильно округлив результат і чи записав його у потрібних одиницях.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Питання й відповіді

Чому пір'їна в повітрі падає повільніше, якщо прискорення не залежить від маси?

У повітрі на тіло діє не тільки сила тяжіння, а й сила опору повітря. Для пір'їни сила опору повітря значно більша відносно її ваги, ніж для дробинки. Тому результуюче прискорення пір'їни менше. У вакуумі, де опору повітря немає, обидва тіла падають з однаковим прискоренням g.

Чому у верхній точці тіло зупиняється, але прискорення не нульове?

Прискорення визначається силою, що діє на тіло, а не його швидкістю. Сила тяжіння діє на тіло постійно, незалежно від того, рухається воно вгору, вниз чи зупинилося. Тому прискорення у верхній точці дорівнює g і напрямлене вниз. Швидкість у цей момент нульова, але це лише миттєва зупинка перед зміною напряму руху.

Чи однаковий час підйому й спуску тіла, кинутого вгору?

Так, час підйому до максимальної висоти дорівнює часу спуску з цієї висоти назад до точки кидання. Це випливає із симетрії руху: на однакових висотах модулі швидкості однакові, а прискорення g постійне. Повний час польоту до точки кидання дорівнює 2v₀/g.

Яке значення g брати в задачі — 9,8 чи 10 м/с²?

Завжди бери те значення, яке дано в умові задачі. Якщо в умові сказано «g = 10 м/с²», використовуй 10. Якщо «g = 9,8 м/с²» — використовуй 9,8. Коли значення не вказане, звичайно мають на увазі 10 м/с², але на НМТ g завжди дають в умові.

Як знайти шлях за останню секунду падіння?

Спочатку обчисли повний час падіння t з висоти h за формулою t = √(2h/g). Потім знайди шлях, пройдений за час (t − 1): h₁ = g(t − 1)²/2. Шлях за останню секунду — це різниця: h − h₁. Наприклад, для h = 80 м, g = 10 м/с²: t = 4 с, h₁ = 5·9 = 45 м, шлях за останню секунду = 80 − 45 = 35 м.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Коротко: головне

  • Вільне падіння — рівноприскорений рух з прискоренням g, напрямленим вертикально вниз.

  • Основні формули для падіння без початкової швидкості: h = gt²/2, v = gt, v = √(2gh), t = √(2h/g).

  • Тіло, кинуте вертикально вгору: максимальна висота hmax = v₀²/(2g), час підйому = v₀/g, повний час польоту до точки кидання 2v₀/g.

  • У верхній точці траєкторії швидкість v = 0, а прискорення a = g, напрямлене вниз.

  • У вакуумі всі тіла падають з однаковим прискоренням g незалежно від маси (досліди Галілея, трубка Ньютона).

  • Шляхи за послідовні секунди від початку падіння відносяться як 1 : 3 : 5 : 7 : … .

  • Шлях за n-ту секунду: hₙ = g(2n − 1)/2. Шлях за останню секунду: h − g(t − 1)²/2.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Самоперевірка

Перевірте себе на цьому юніті

Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.

1. Тіло вільно падає без початкової швидкості. Вважайте g = 10 м/с². Який шлях проходить тіло за четверту секунду падіння?

2. У трубці Ньютона, з якої відкачали повітря, одночасно відпускають пір'їну та сталеву кульку. Яке твердження правильне?

3. М'яч кинули вертикально вгору. Яке прискорення має м'яч у верхній точці траєкторії?

4. Тіло кинули вертикально вгору зі швидкістю 10 м/с. Вважайте g = 10 м/с². Якої максимальної висоти (у метрах) досягне тіло?

5. У досліді Галілея, за переказом, з Пізанської вежі скидали кулі різної маси. Який висновок зробив учений?

Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.

Приєднатися, щоб пройти тест