Alle dinge fallen gleich schnell

Die Fallgesetze wurden um 1600 von dem italienischen Naturwissenschaftler GALILEO GALILEI (1564-1642) gefunden. Er erforschte den freien Fall mit Hilfe einer schiefen Ebene und gelangte zu der Erkenntnis, dass die Bewegung im freien Fall unabhängig von Material und Größe des Körpers ist.

Ohne Luftwiderstand fallen alle Körper gleich schnell

Die Alltagserfahrung, dass eine Feder oder ein Stück Papier langsamer fällt als ein Stein oder andere kleine und schwere Objekte, macht es zunächst nicht so einfach, zu akzeptieren, dass alle Körper gleich schnell fallen, solange der Luftwiderstand vernachlässigbar ist.

Aus der Alltagserfahrung könnte man schließen: Schwere Körper fallen schneller als leichte Körper.

Dass die Fallbeschleunigung jedoch nicht von der Masse abhängen kann, verdeutlicht bereits folgendes Gedankenexperiment:

Lässt man einen Stein mit einer Masse von einem Kilogramm fallen, so fällt dieser mit einer bestimmten Beschleunigung nach unten.

Ein zweiter gleichartiger Stein wird sich genauso verhalten wie der erste.

Lässt man nun beide Steine gleichzeitig und nebeneinander fallen, so werden sich beide genauso verhalten wie zuvor, und sie würden zu jedem Zeitpunkt nebeneinander her fallen.

Daran würde sich auch nichts ändern, wenn man beide mit einem dünnen Faden verbindet oder aber sie zusammenklebt. Doch dann hätte man praktisch einen Stein mit der doppelten Masse. Ein Stein mit der doppelten Masse fällt also genauso schnell!

Eine Feder fällt genauso schnell wie ein Stein

Ohne Luftwiderstand müsste sogar eine Feder genauso schnell fallen wie ein Stein.

Dass dies tatsächlich der Fall ist, lässt sich mit einer Vakuumröhre zeigen – Feder und Bleikugel bzw. Stein fallen gleich schnell!

Ein besonders beeindruckendes Experiment wurde in der weltweit größten Vakuumkammer im Glenn Research Center der NASA durchgeführt und gefilmt. Hier siehst Du, dass Federn im Vakuum genauso schnell fallen wie eine Bowlingkugel:

Fall mit Luftwiderstand

Ist der Luftwiderstand nicht vernachlässigbar, dann ist die Beschleunigung nicht konstant, sondern wird immer kleiner, bis sie schließlich 0 ist und die Geschwindigkeit konstant bleibt. Der fallende Körper erreicht eine Endgeschwindigkeit, die von der Art des Körpers abhängt, und bewegt sich von da ein gleichförmig weiter.

Bei einem Fallschirmspringer beträgt diese Endgeschwindigkeit bei geschlossenem Schirm je nach Körperhaltung ca. 200km/h, bei einem Regentropfen je nach Tropfengröße bis zu etwa 30km/h.

Wir rechnen immer ohne Luftwiderstand

Die Berechnungen eines Falls mit Luftwiderstand ist deutlich komplizierter, denn der Luftwiderstand ist nicht konstant, sondern neben der Art des fallenden Körpers von der Fallgeschwindigkeit abhängig.

Bei allen Aufgaben gehen wir daher davon aus, dass der Luftwiderstand vernachlässigt werden kann. Dies ist mit guter Näherung zulässig, solange die Fallhöhe und damit die erreichte Geschwindigkeit nicht zu groß ist und es sich um einen kompakten nicht zu leichten Körper handelt.

Aufgaben zum freien Fall lassen sich somit auf die gleiche Art lösen wie alle Aufgaben zur gleichmäßig beschleunigten Bewegung. Die Beschleunigung entspricht dabei stets der Fallbeschleunigung g (auf der Erde:

Die Fallbewegung eines Körpers, die nicht durch den Luftwiderstand behindert wird, nennt man freien Fall.
Der freie Fall ist eine gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung. Damit gelten für den freien Fall die Gesetze der gleichmäßig beschleunigten Bewegung.

Die Beschleunigung, mit der ein frei fallender Körper fällt, wird als Fallbeschleunigung g bezeichnet. Da die Fallbeschleunigung vom jeweiligen Ort abhängig ist, nennt man sie manchmal auch Ortsfaktor. Die Fallbeschleunigung an der Erdoberfläche hat folgende Werte: am Äquator:         9,787 ms2am Pol:                9 , 832 ms2mittlerer Wert:      9,807 ms2≈9,81ms2Häufig wird mit dem Näherungswert  g=10ms2 gerechnet.

Gesetze des freien Falles

Die Gesetze für den freien Fall gelten nur im Vakuum, also bei einer Bewegung ohne Luftwiderstand. Nur im Vakuum fallen alle Körper gleich schnell. Die Gesetze gelten auch näherungsweise für den Fall in Luft, wenn der Luftwiderstand vernachlässigt werden kann. Das kann bei schweren Körpern und kleinen Fallstrecken bzw. kleinen Fallzeiten angenommen werden.
Für den freien Fall gelten das Weg-Zeit-Gesetz, das Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz und das Geschwindigkeit-Weg-Gesetz:

Weg-Zeit-Gesetz:                        s=g2t2Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz:    v=g⋅tGeschwindigkeit-Weg-Gesetz:  v=2g⋅s

Die Gesetze des freien Falls wurden von GALILEO GALILEI (1564-1642) gefunden.

Grenzen der Anwendbarkeit der Gesetze

Der Fall eines Steines aus 20 m Höhe oder der Sprung einer Person von einem 10-m-Turm können als freier Fall betrachtet werden, da in diesen Fällen der Luftwiderstand vernachlässigt werden kann. Für einen am Fallschirm schwebenden Fallschirmspringer sind die Gesetze des freien Falls nicht anwendbar, weil in diesem Fall der Luftwiderstand nicht vernachlässigt werden kann. Auch für Regentropfen gelten die Gesetze des freien Falls nicht. So erreichen aufgrund des Luftwiderstandes

• ohne geöffneten Fallschirm aus großer Höhe fallende Menschen eine Geschwindigkeit von etwa 200 km/h,
• Regentropfen in unmittelbarer Nähe des Erdbodens je nach Größe eine Geschwindigkeit von bis zu 30 km/h.

Warum fällt alles gleich schnell?

Werden fallende Gegenstände immer schneller?

Was beeinflusst die Fallgeschwindigkeit?

Was fällt schneller Stein oder Feder?