נפילה חופשית

נפילה חופשית היא מה שקורה כשהכבידה היא הכוח היחיד הפועל על גוף. אין התנגדות אוויר, אין חיכוך, אין ציפה — רק המשיכה היציבה של כוכב לכת או כוכב. בנפילה חופשית סמוך לפני כדור הארץ, כל גוף מאיץ כלפי מטה ב-g ≈ 9.81 מטר לשנייה בריבוע, ללא תלות במסה. פטיש נופל בדיוק באותו קצב כנוצה, וכדור באולינג נופל בדיוק באותו קצב ככדור גולף. אריסטו חשב אחרת; גלילאו הוכיח שטעה.

הסיבה שהכול נופל באותו קצב היא עמוקה. כוח הכבידה על גוף פרופורציונלי למסתו (F = mg), אך התאוצה שכוח מפיק היא יחסית הפוכה למסה (a = F/m). שני איברי המסה מתבטלים בדיוק, ונשארת תאוצה התלויה רק בשדה הכבידה המקומי. זה נקרא שקילות המסה האינרציאלית והמסה הגרביטציונית, ומאוחר יותר איינשטיין הפך זאת ליסוד של תורת היחסות הכללית.

על כדור הארץ, התנגדות האוויר בדרך כלל מקלקלת את ההדגמה. נוצה סוחפת, מצנח גולש, גיליון נייר מרפרף — כל אלה משום שהאוויר הסובב דוחף חזרה. הסר את האוויר, והפיזיקה נחשפת. בשנת 1971, האסטרונאוט דייוויד סקוט הפיל פטיש ונוצה יחדיו על פני הירח במהלך משימת אפולו 15. הצילומים מרתקים עד היום: הם נוגעים באבק הירחי באותו רגע, כי על הירח חסר האוויר, נפילה חופשית היא התנועה היחידה.

במובן טכני יותר, כל גוף הנע רק תחת כבידה נמצא בנפילה חופשית, גם אם אינו נופל כלפי מטה. חללית במסלול נמצאת בנפילה חופשית — היא נופלת ברציפות לעבר כדור הארץ, אך תנועתה הצדדית מהירה מספיק כדי שכדור הארץ יתעקל תחתיה באותו קצב. אסטרונאוטים בתחנת החלל הבינלאומית נטולי משקל משום שגם הם בנפילה חופשית, נופלים סביב כדור הארץ יחד עם התחנה.