自由落下:質量で落下の速さは変わるか?
1 · 予測
軽い球、中くらいの球、重い球を同じ高さから同時に落とす。どれが最初に地面に着くか?
- 重い球の方が速く落ち、先に着地する。
- 三つとも同じ割合で落下し、一緒に着地する。
- 軽い球の方が速く落ち、先に着地する。
2 · 準備
- free-fall プリセットを開く。同じ高さに大きさの異なる三つの球が並んでいるはずである。
- 高さプローブを中くらいの球に取り付け、三つの球が同じ y 位置から始まることを確認する。
- シミュレーションを実行し、ストップウォッチ/フレームカウンターで各球の落下時間を測定する。
3 · データ収集
| 質量 (kg) | 経過時間 (s) | 落下速度 (m/s) | 運動量 (kg·m/s) |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 1.00 | ||
| 3.00 | 1.00 | ||
| 6.00 | 1.00 |
三つの球すべてについて、落下速度(縦軸)を経過時間(横軸)に対して同じグラフにプロットする。
4 · 分析
- 同じ経過時間での軽い球、中くらいの球、重い球の落下速度を比較する。何に気付くか?
- データを使って各球の加速度(Δspeed / Δtime)を計算する。g = 9.8 m/s² と比べてどうか?
5 · 発展
- 実際の空気中で羽とボウリング球を落とすと、一緒には着地しない。この理想化シミュレーションにない、違いを生む力は何か?
- 月面で宇宙飛行士がハンマーと羽を落とすと、一緒に着地した。実物を使ったこの実演を見るには、地球より月の方が適している理由を説明する。
この実験の物理
運動量
ある時刻の落下速度は三つの球で同じでも、運動量は質量に比例するため異なる。重い球は速く落ちなくても衝突時により大きな損傷を与える可能性がある。