נפילה חופשית

• מכניקה
• תנועה
• 5 דקות קריאה

איך נופלים גופים, למה כולם נופלים באותה תאוצה, ולמה צנחן מפסיק להאיץ אחרי כמה שניות — עם נוסחאות, תרגיל פתור וסרטון.

התשובה בקצרה

נפילה חופשית היא תנועה של גוף שהכוח היחיד שפועל עליו הוא כוח הכבידה. בנפילה כזו:

1. כל הגופים נופלים באותה תאוצה, כ־10 מטר לשנייה בריבוע, בלי קשר למסה.
2. המהירות גדלה כל הזמן — ב־10 מטר לשנייה בכל שנייה.
3. הדרך גדלה מהר יותר ויותר, כי המהירות עולה.

למי זה מיועד: נפילה חופשית נלמדת בכיתה ט’ ובפרק הקינמטיקה בתיכון. כדאי להכיר קודם תאוצה.

מה זו נפילה חופשית

כשמשחררים גוף מגובה, כוח המשיכה מושך אותו למטה, והוא מאיץ. אם מתעלמים מהתנגדות האוויר, זו נפילה חופשית — וכל הגופים נופלים בה באותה תאוצה בדיוק.

גלילאו היה המפורסם מבין המדענים שטענו זאת, כנגד מה שהיה מקובל אז. ההסבר מגיע מהחוק השני של ניוטון: על גוף כבד פועל כוח משיכה גדול יותר, אבל יש לו גם מסה גדולה יותר, והתאוצה יוצאת זהה.

תרגיל פתור

הנתונים: אבן משוחררת ממנוחה מגובה 45 מטר. מתעלמים מהתנגדות האוויר.
השאלה: כמה זמן היא נופלת, ובאיזו מהירות היא פוגעת בקרקע?

1. מבודדים את הזמן מנוסחת הדרך: 45 = ½ · 10 · t² → t² = 9 → t = 3
2. מציבים את הזמן בנוסחת המהירות: v = 10 · 3 = 30

התשובה: הנפילה נמשכת 3 שניות, והאבן פוגעת בקרקע במהירות של 30 מטר לשנייה — כ־108 קילומטר לשעה. t = 3 s , v = 30 ms

התנגדות האוויר ומהירות סופית

בעולם האמיתי יש אוויר, והוא דוחף את הגוף הנופל כלפי מעלה. ככל שהמהירות גדלה, ההתנגדות גדלה. בשלב מסוים היא משתווה לכוח המשיכה, הכוח השקול מתאפס, והגוף מפסיק להאיץ. המהירות שבה זה קורה נקראת מהירות סופית.

צנחן מגיע למהירות סופית אחרי כמה שניות, וממשיך לרדת במהירות קבועה. כשהוא פותח מצנח, שטח הפנים גדל, ההתנגדות קופצת, והמהירות הסופית החדשה קטנה בהרבה. נוצה מגיעה למהירות סופית כמעט מיד — ולכן נדמה שהיא נופלת “לאט”.

איפה רואים את זה בחיים

• צניחה חופשית

  הצנחן מאיץ בהתחלה, ואז מגיע למהירות קבועה. פתיחת המצנח מקטינה אותה בבת אחת.

• טיפות גשם

  הן קטנות, ומגיעות למהירות סופית נמוכה מהר מאוד. לכן גשם לא מסוכן, למרות הגובה.

• טלפון שנופל

  מגובה של מטר, הנפילה נמשכת פחות מחצי שנייה — ובכל זאת המהירות בפגיעה כבר מספיקה לשבור מסך.

שאלות נפוצות

למה כל הגופים נופלים באותה תאוצה?

כי כוח המשיכה גדל עם המסה בדיוק באותו יחס שבו גדלה ההתנגדות של הגוף לשינוי תנועה. כשמחלקים כוח במסה, המסה מצטמצמת — ונשארת אותה תאוצה לכל הגופים.

מה ההבדל בין נפילה חופשית לתנועה אנכית?

נפילה חופשית היא מקרה פרטי: הגוף משוחרר ממנוחה ורק נופל. תנועה אנכית כוללת גם גוף שנזרק כלפי מעלה או מטה במהירות התחלתית.

גוף שנזרק כלפי מעלה נמצא בנפילה חופשית?

מבחינת הפיזיקה, כן — מרגע שהוא עוזב את היד, הכוח היחיד שפועל עליו הוא כוח הכבידה, וגם בעלייה התאוצה מכוונת כלפי מטה. לכן משתמשים באותן נוסחאות.

תרגילי נפילה מבלבלים אתכם?

בקורס המכניקה כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש פתרון וידאו מלא. משלמים פעם אחת, והקורס נשאר אצלכם.

לקורס המכניקה

או מתחילים בחינם: חוברת התרגילים במכניקה, להורדה