Uzasadnienie: 

Podczas spadku swobodnego na ciało w próżni działa jedynie siła ciężkości skierowana prosto w środek Ziemi. Wartość siły ciężkości opisuje wzór:

$F_c=mg$

gdzie:

$F_c$ - wartość siły ciężkości,

$m$ - masa ciała,

$g$ - wartość przyspieszenia ziemskiego.

Zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona wartość przyspieszenia opisuje wzór:

$a=\frac{F_w}{m}$

gdzie:

$a$ - wartość przyspieszenia ziemskiego,

$F_w$ - wartość siły wypadkowej działającej na ciało,

$m$ - masa ciała.

Podczas spadku swobodnego w próżni na ciało działa jedynie siła ciężkości, zatem zapiszemy:

$F_w=F_c$

Wówczas, wartość przyspieszenia ciała podczas spadku swobodnego w próżnie wynosi:

$a=\frac{F_c}{m}$

$a=\frac{mg}{m}$

$a=g$

Widzimy więc, że wartość przyspieszenia ciała podczas spadku swobodnego nie zależy od jego masy - wartość ta jest stała i równa wartości przyspieszenia ziemskiego. Zatem wszystkie ciała przedstawione w zadaniu - niezależnie od masy - będą w próżni spadać przez taki sam czas jeżeli puści je się z tej samej wysokości.

jednak podczas spadku swobodnego w powietrzu na ciało działają dwie siły:

▶ siła ciężkości skierowana w dół: ${\vec{F}}_c$

▶ siła oporów ruchu (powietrza) skierowana w górę (przeciwnie do ruchu ciała): $\vec{T}$

Wówczas na ciało działa siła wypadkowa, której wartość opisuje wzór:

$F_w=F_c-T$

Wartość przyspieszenia z jakim ciało spada opisuje wzór:

$a=\frac{F_c-T}{m}$

$a=\frac{mg-T}{m}$

$a=\frac{mg}{m}-\frac{T}{m}$

$a=g-\frac{T}{m}$

Widzimy, że wartość przyspieszenia ciała w powietrzu jest mniejsza od wartości przyspieszenia ziemskiego i jest zależna od masy ciała. Warto zaznaczyć, że siła oporów powietrza jest zależna od powierzchni ciała. Wówczas wyciągamy wniosek, że im większe pole powierzchni ciała tym większy opór powietrza i tym mniejsza wartość przyspieszenia. A im mniejsza wartość przyspieszenia tym większy czas spadania.

Z przedstawionych przedmiotów zauważmy, że kula ma najbardziej opływową powierzchnię. Zatem będzie ona spadać najszybciej. Porównując powierzchnię klocka i piórka dojdziemy do wniosku, że powierzchnia piórka jest większa, zatem będzie na piórko działać większa siła oporu.

 Odpowiedź: 

$\mathbf{a})$

W próżni brak jest oporów ruchu (brak powietrza), dlatego wszystkie ciała spadną w tym samym czasie, ponieważ nie napotkają na swojej drodze oporu powietrza.

 

$\mathbf{b})$

W powietrzu kolejność z jaką ciała spadną na Ziemie to II, I, III, ponieważ kula ma najbardziej opływową powierzchnię i gdy spada bardzo niewielka część jej pola powierzchni wysunięta jest do przodu (w stronę kierunku spadku). Powierzchnia klocka jest nieregularna, ale mniejsza niż powierzchnia pióra. Dlatego piórko spadnie ostatnie.