Freier Fall
↓ Definition und Grundformeln
Basiswissen
Definition: ein Freier Fall ist eine Fallbewegung nahe der Oberfläche eines Himmelskörper (z. B. Planet, Mond). Dabei wird als wirkende Kraft ausschließlich die Gravitationskraft zwischen fallendem Körper und Himmelskörper betrachtet. Da der Mond keine nennenswerte Lufthülle hat, fallen Körper dort nahezu perfekt frei.
Erklärung
◦ Ein Fallbewegung im Einflussbereich eines Himmelskörpers
◦ Es wird nur die Gravitationskraft zwischen den zwei Körpern berücksichtigt.
◦ Andere Kräfte (Luftreibung, Auftrieb, Magnetfelder etc.) werden vernachlässigt.
◦ Beim Freien Fall nimmt die Geschwindigkeit des fallenden Körpers zum Himmelskörper hin ständig zu.
◦ Der fallende Körper wird beschleunigt mit der sogenannten Fallbeschleunigung g.
◦ Ist g z. B. gleich 9,81 m/s², wird der Körper beim Fallen ...
◦ in jeder Sekunde um 9,81 m/s schneller.
Allgemeine Formeln
◦ t = √(2·s:a)
◦ s = ½·g·t²
◦ v = g·t
Faustformel für die Erde
◦ t = √(0,2·s)
◦ s = 5·t²
◦ v = 10·t
Legende
◦ √ = ein => Wurzelzeichen [z. B. √9=3]
◦ s = nach t Sekunden Fall zurückgelegte vertikale Strecke
◦ v = Vertikalgeschwindigkeit nach t Sekunden freien Fallens
◦ g = Fallbeschleunigung, auf der Erde: 9,81 m/s²
◦ t = Zeit seit Beginn des freien Falls, Falldauer
Wann gelten die zwei Formeln oben?
◦ Die zwei Formeln oben gehen von einer konstanten Beschleunigung g aus.
◦ Das gilt näherungsweise für kurze Fallstrecken (wenige Kilometer).
◦ Längere Fallstrecken wären etwa: von einer geostationären Satellitenbahn aus.
◦ Beginnt der freie Fall recht weit von der Erde entfernt, ist die dort ...
◦ wirkende Anziehungskraft niedriger als näher an der Erde.
◦ Beim freien Fall nimmt die Anziehungskraft tatsächlich ständig zu.
◦ Damit ist auch die Fallbeschleunigung g nicht konstant.
◦ Dieser Fall ist oben in den Formeln nicht berücksichtigt.
Allgemeines Rechenbeispiel
◦ Fällt man s Sekunden auf der Erde, dann fällt man gleichzeitig s Meter nach unten.
◦ Beispiel: die Fallzeit t = 10 s gibt eine Fallstrecke von s ≈ 500 m.
◦ Mehr unter => Freier Fall Faustformel
Helikoptersprung als Beispiel
◦ Am 27. Oktober 2020 sprang John Bream aus 40 m Höhe aus einem Hubschrauber.
◦ Er fiel ohne Fallschirm auf die Wasseroberfläche und wurde dort bewusstlos.
◦ Es heißt, er sei mit etwa 80 mph aufgetroffen.
◦ Mehr dazu unter => The Flying Fish
Ist der freie Fall immer senkrecht?
◦ Umgangssprachlich versteht man darunter meist eine senkrecht nach unten verlaufende Fallbewegung.
◦ Der Fall beginnt meistens damit, dass ein Gegenstand aus der Ruhe heraus losgelassen wird.
◦ In der Physik wird der Begriff freier Fall aber allgemeiner gefasst.
◦ Hier meint er jede Bewegung nahe einem Himmelskörper, bei der nur die Gravitationskraft wirkt.
◦ Am Anfang kann auch eine schon vorhandene Bewegung in irgendeine beliebige Richtung vorhanden sein.
◦ Es kann sein, dass der Fall mit einem waagrechten Wurf nach vorne oder auch schräg nach oben beginnt.
◦ Die Flugbahn ist dann keine Gerade senkrecht nach unten mehr sondern eher kreis- oder parabelförmig.
◦ Aus großen Höhen mit nicht-senkrechter Anfangsrichtung entsteht eine sogenannte Keplerbahn.
◦ Aus niedrigen Höhen entsteht mit nicht-senkrechter Anfangsrichtung eine => Wurfparabel
◦ Bei rotierenden Himmelskörper wirkt sich auch die Rotation aus. Lies mehr dazu unter => Guglielminis Turm-Experiment
Wann endet der freie Fall?
Ein freier Fall endet spätestens mit dem Aufprall auf die Oberfläche eines Himmelskörpers. Er kann auch schon früher enden, etwa wenn der Einfluss einer Atmosphäre nicht mehr zu vernachlässigen ist. Bei Raumschiffen, die aus dem Weltraum Richtung Erde fliegen spricht man zum Beispiel von einem => Wiedereintritt
Was ist das Gegenteil von einem freien Fall?
Jeder Fall, bei dem die Fallgeschwindigkeit und Richtung nicht alleine von der Schwerkraft eines Himmelskörpers bestimmt sind: Luft einer Atmosphäre, Magnetfelder oder eigene Antriebe von Raumschiffen sind Beispiele von Kräften, die einen Fall beeinflussen können. Überlicherweise stellt man dem freien Fall den durch Luft gebremsten Fall gegenüber. Lies dazu unter => Fall mit Luftwiderstand
Was ist eine Spaghettisierung?
Fällt man ungebremst und frei in ein schwarzes Loch ist bei ausreichender Nähe die Anziehungskraft unten so extrem viel größer als oben, dass man bereits beim freien Fall der Länge nach in Flugrichtung auseinandergezogen und letztendlich zerrissen wird. Lies mehr unter => Spaghettisierung
