Теперь посмотрим, кáк удаётся изучать падение тел при такой большой скорости, какая наблюдается на земной поверхности.
Предположим, что пуля падает с высокой стены вдоль разделённой на сантиметры рейки. Было бы трудно проследить с часами в руках, сколько делений в каждую секунду она пролетает, так как падает очень быстро.
Поэтому для изучения свободного падения тел были придуманы другие способы.
Учёные замедляют свободное падение, но так, чтобы движение тела оставалось вполне сходным со свободным падением. Например, вместо сталкивания со стены можно скатывать шар по гладкому жёлобу.
Шар катится свободно и его движение вполне сходно со свободным падением. Но зато оно происходит медленнее. За ним легко уследить глазами. Поэтому, наблюдая катящийся шар, можно легче изучать свободное падение.
Для этого нужно проследить, какой путь проходит шар, скатывающийся по очень пологому жёлобу в течение первой, второй, третьей и последующих секунд.
Из этих скоростей легко определить, насколько ускоряется скатывание шара под действием силы тяжести.
Зная же, как меняется скорость скатывания шара, можно вычислить по наклону жёлоба и ускорение свободно падающего тела.
Такие опыты были впервые осуществлены Галилеем. Он установил наклонную плоскость, длина которой превосходила в 12 раз высоту.
Шар скатывался на такой плоскости достаточно медленно, чтобы не принимать во внимание сопротивление воздуха. Наблюдая медленное скатывание шара по этой наклонной плоскости, Галилей мог определить длину пути, пройденного шаром в каждую секунду. Зная же наклон плоскости, он мог вычислить расстояния, проходимые в каждую секунду и свободно падающим телом.
Но если бы учёные исследовали падающие тела только с помощью наклонного жёлоба, им не удалось бы узнать, что сила тяжести на Земле меняется в зависимости от места наблюдения. Это открытие было сделано с помощью маятника.
Прежде чем говорить об исследованиях с помощью маятника, нужно познакомиться с его свойствами. Простой маятник — это тяжёлый шарик на тонкой нити, раскачивающийся из одной стороны в другую. Чтобы пользоваться им, нужно узнать, от чего зависит продолжительность одного колебания маятника, или, как говорят, величина его периода.
Подвесив небольшой груз на нитке, легко можно видеть, как влияет на период колебаний маятника его длина.
Укоротив нить маятника, например, в четыре раза, легко по часам определить, что маятник стал колебаться вдвое быстрее, то-есть период его колебания стал в два раза короче. Если же удлинить маятник, скажем, в девять раз, то период его колебаний увеличится в три раза.
Но на период колебаний маятника большое влияние оказывает и сила тяжести. Причину этого влияния понять нетрудно. Предположим, что маятник висит неподвижно. Отведите его в сторону, и он немного приподнимется. Если теперь отпустить его, то груз маятника начнёт падать.
Правда, он не падает по вертикали, а движется под действием тяжести ускоренно по дуге круга. Его движение сходно с движением скатывающегося по наклонному жёлобу шара. Когда груз маятника достигнет низшей точки своего пути, падение прекращается. Но по инерции он продолжает движение по дуге круга вверх. Теперь сила тяжести замедляет его движение на столько, на сколько ускоряла его на первой половине пути.
Значит, скорость колебаний маятника зависит, кроме его длины, ещё и от ускорения падения. Но ведь лёгкие и тяжёлые тела падают с одинаковой скоростью. Поэтому понятно, что свинцовый груз и лёгкая пробка, подвешенные на нитях равной длины, колеблются с одинаковой скоростью, то-есть период колебаний этих маятников не зависит от их веса.
Однако если подняться с маятником на высокую гору, то там сила тяжести ослабевает и уменьшается ускорение свободного падения. Понятно, что и маятник на высокой горе будет колебаться немного медленней.
Вот почему маятник может служить при изучении изменения силы тяжести: если она увеличится, маятник начинает колебаться быстрее; при уменьшении её он колеблется медленнее.
Это свойство маятника сделало его очень важным прибором при изучении изменения силы тяжести на земной поверхности.
