Кіріспе

Ньютон физикасында еркін құлау – гравитация әсер ететін жалғыз күш болған кездегі дененің кез келген қозғалысы. Жалпы салыстырмалылық теориясы бойынша, гравитация кеңістік-уақыт қисықтығына келтірілгенде, еркін құлаудағы денеге ешқандай күш әсер етпейді. "Еркін құлау" терминінің техникалық мағынасындағы нысан міндетті түрде төмен қарай құламайды. Жоғары қарай қозғалатын нысанды әдетте құлау деп санамаймыз, бірақ егер ол тек гравитация күшіне тәуелді болса, онда ол еркін құлауда деп есептеледі. Ай Жердің айналасында еркін құлауда, бірақ оның орбиталық жылдамдығы оны Жер бетінен қашық орбитада ұстап тұрады. Біркелкі гравитациялық өрісте гравитация дененің барлық бөлігіне шамамен бірдей әсер етеді. Егер басқа күштер болмаса, мысалы, дене (орбитадағы астронавт сияқты) мен оны қоршаған заттар арасындағы нормальды күш, онда салмақсыздық сезімі туындайды. Бұл жағдай гравитациялық өріс әлсіз болғанда да орын алады (мысалы, гравитация көзінен алыс болғанда). "Еркін құлау" термині кейде қатаң мағынасынан ауытқып, кең мағынада қолданылады. Сондықтан, парашют немесе көтергіш құралсыз атмосфераға түсу де еркін құлау деп аталады. Мұндай жағдайларда аэродинамикалық қарсылық күштері толық салмақсыздыққа жетуіне кедергі келтіреді, сондықтан парашютист терминалдық жылдамдыққа жеткеннен кейін сезінетін "еркін құлау" дене салмағының ауаға сүйенгендей сезімін тудырады.

Тарих

16 ғасырға дейін Батыс әлемінде құлайтын дененің жылдамдығы оның салмағына пропорционалды болады деп есептелген, яғни 10 кг салмақты дененің бірдей ортада 1 кг салмақты дененің қарағанда он есе жылдам құлайтыны күтілген. Ежелгі грек философы Аристотель (б.з.д. 384–322 жж.) «Физика» (VII кітап) атты механика туралы ең көне кітаптарының бірінде құлап жатқан денeler туралы талқылаған (Аристотельдік физикаға қараңыз). Бірақ, 6 ғасырда Иоанн Филопон бұл пікірге қарсы шығып, байқаулар бойынша, әртүрлі салмақты екі шар шамамен бірдей жылдамдықпен құлайтынын айтқан. 12 ғасырда Иракта Әбу'л Баракат әл Бағдади құлайтын денelerдің гравитациялық үдеуіне түсіндірме берген. Шломо Пайнс айтуынша, әл Бағдадидің қозғалыс теориясы «Аристотельдің негізгі динамикалық заңына [яғни, тұрақты күш біртекті қозғалыс туғызады] ең алғашқы қарсылық көрсеткен және [осылайша] классикалық механиканың негізгі заңына [яғни, үнемі қолданылатын күш үдеу туғызады] белгілі бір дәрежеде көрегендік танытқан».

Галилео Галилей

Бір аңыз бойынша, 1589–1592 жылдары Галилей Пизаның еңкейген мұнарасынан әртүрлі массасы бар екі нысанды құлатқан. Мұндай құлаудың жылдамдығын ескерсек, Галилейдің осы тәжірибеден көп мәлімет алуы күмәнді. Оның құлап бара жатқан денелерді байқауының көп бөлігі, іс жүзінде, денелердің көлбеу жазықтықтардан сырғанап түскенін байқау болды. Бұл оқиғаны баяулатып, оған су сағаттарымен және өз пульсімен (хронометрлер әлі ойлап табылмаған) уақыт аралықтарын өлшеуге мүмкіндік берді. Ол бұл тәжірибені "бір жүз рет" қайталап, "екі өлшеудің арасындағы ауытқу бір пульс соғуының оннан бір бөлігінен аспайтын дәлдікке" жетті. 1589–1592 жылдары Галилей құлап бара жатқан денелердің қозғалысы туралы жарияланбаған қолжазба жазды.

Жалпы салыстырмалылық теориясындағы еркін құлау

Жалпы салыстырмалылық теориясында еркін түсудегі дене ешқандай күшке ұшырамайды және геодезиялық боймен қозғалатын инерциялық дене болып табылады. Кез келген кеңістік-уақыт қисықтығының көздерінен алыс, кеңістік-уақыт тегіс болатын жерде, Ньютонның еркін түсу теориясы жалпы салыстырмалылық теориясымен сәйкес келеді. Әйтпесе, екеуі де келіспейді; мысалы, орбиталардың прецессиясын, гравитациялық толқындардың салдарынан шағын денелердің орбиталық ыдырауын немесе спиральға түсуін, сондай-ақ бағыттың салыстырмалылығын (геодезиялық прецессия және инерциялық жүйеге әсер ету) тек жалпы салыстырмалылық теориясы ғана түсіндіре алады. Галилей атап өткен және кейін Ньютонның теориясында гравитациялық және инерциялық массалардың теңдігі ретінде бекітілген, ал Этвёс экспериментінің қазіргі заманғы түрлерімен жоғары дәлдікпен расталған, еркін түсудегі барлық денелердің бірдей үдеумен қозғалатыны туралы тәжірибелік байқау, теңдік принципінің негізі болып табылады, осы принциптің негізінде Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы бастау алды.