Czy przedmioty spadają z tą samą prędkością?

Czy piórko i młotek spadają z tą samą prędkością? Mit o grawitacji i oporze powietrza.

Powszechnie znany eksperyment przeprowadzony przez astronautę Davida Scotta na Księżycu, gdzie młotek i piórko spadły z jednakową prędkością, drastycznie ilustruje fundamentalne prawo fizyki: w próżni wszystkie przedmioty, niezależnie od masy, spadają z tym samym przyspieszeniem. To intuicyjnie zaskakujące stwierdzenie rodzi jednak wiele pytań i często jest źle interpretowane. Dlaczego więc na Ziemi cięższe przedmioty zdają się spadać szybciej?

Kluczem do zrozumienia tego zjawiska jest opór powietrza. Siła grawitacji, działająca proporcjonalnie do masy obiektu, dąży do przyciągania go do Ziemi z jednakowym przyspieszeniem (około 9,8 m/s² – przyspieszenie ziemskie). Jednakże, gdy obiekt porusza się przez atmosferę, napotyka opór powietrza – siłę przeciwną do kierunku ruchu, zależną od kształtu, powierzchni i prędkości obiektu.

Dla ciężkich, zwartych obiektów, takich jak kamień, opór powietrza stanowi niewielką część siły grawitacji. W efekcie, ich ruch jest zdominowany przez grawitację, a różnice w czasie spadania są nieznaczne i często niezauważalne. Natomiast lekkie i o dużej powierzchni przedmioty, jak piórko, doświadczają znacznie większego oporu powietrza w stosunku do swojej masy. Opór ten znacząco spowalnia ich spadek, tworząc wrażenie, że spadają wolniej niż cięższe obiekty.

Zastanówmy się nad tym na przykładzie dwóch kul o tej samej objętości, ale różnej masie: jedna z ołowiu, druga z pianki. Obie doświadczają tej samej siły oporu powietrza, ale siła grawitacji działająca na kulę ołowianą jest znacznie większa. W rezultacie, kula ołowiana pokona opór powietrza znacznie szybciej niż kula z pianki.

Aby w pełni zaobserwować równość przyspieszenia grawitacyjnego dla różnych obiektów, musimy wyeliminować wpływ oporu powietrza – czyli stworzyć próżnię. W takich warunkach, zarówno piórko, jak i młotek, spadną z tą samą prędkością, osiągając równocześnie dno. Eksperyment na Księżycu, pozbawionym znaczącej atmosfery, to doskonała demonstracja tej zasady.

Podsumowując, powszechne przekonanie o różnej prędkości spadania obiektów o różnej masie jest błędne, wynikające z nieuwzględnienia znaczenia oporu powietrza. W idealnych warunkach próżni, grawitacja działa jednakowo na wszystkie obiekty, powodując ich równomierny spadek. Zrozumienie tego zjawiska wymaga rozważenia zarówno siły grawitacji, jak i siły oporu powietrza, które współgrają ze sobą, wpływając na obserwowaną prędkość spadania obiektów na Ziemi.