Warum schwebt eine Person im freien Fall, anstatt im Boden des Aufzugs zu bleiben?

Wenn wir die Situation von einem frei fallenden Aufzug aus analysieren, einem nicht trägen Bezugsrahmen, müssen wir eine (pseudo- oder fiktive) Trägheitskraft anwenden, um die bekannten Newtonschen Bewegungsgesetze anzuwenden. Hier wirkt die Pseudokraft nach oben und hebt das Gewicht der Person auf. Die Nettokraft auf die Person ist Null.

Das folgende Diagramm zeigt, wie sich die Trägheitskraft und die Gravitationskraft auf ein Objekt in einem frei fallenden Aufzug gegenseitig aufheben und dadurch zur Schwerelosigkeit führen:

^{Bildquelle: Meine eigene Arbeit :)}

Stellen wir uns nun vor, Sie befinden sich in einem Aufzug eines sehr hohen Gebäudes. Wenn die Kabel des Aufzugs intakt sind, stehen Sie auf dem Boden des Aufzugs und der Boden würde eine normale Kontaktkraft auf Sie ausüben. Wenn die Kabel durchtrennt werden, beschleunigt der Aufzug nach unten mit einer Beschleunigung, die gleich der lokalen ist$g$(vorausgesetzt, keine Reibung mit den Schienen und kein Luftwiderstand). Ihre Füße bleiben weiterhin in Kontakt mit dem Boden. Allerdings spüren Sie die Aufwärtskraft des Bodens nicht mehr an Ihren Füßen. Wenn Sie Ihre Beine anheben, bewegen Sie sich im Gegensatz zu dem, was normalerweise passiert, nicht nach unten.

Das erste Video von Albert Einstein im Fahrstuhl finde ich ziemlich treffend. Sobald der Aufzug seinen freien Fall beginnt, dreht er sich nicht zufällig. Er bleibt aufrecht und wenn er seine Beine anhebt, verliert er einfach den Kontakt zum Boden. Sein Schwerpunkt bleibt jedoch in der gleichen Position (in Bezug auf den Aufzug), wenn wir davon ausgehen, dass er nicht gegen den Boden oder die Wände des Aufzugs tritt.

Das zweite Video in der Frage stammt jedoch nicht von einem frei fallenden Aufzug. Es wurde in einem Flugzeug mit reduzierter Schwerkraft aufgenommen. Diese Flugzeuge folgen der folgenden Flugbahn, um Umgebungen mit reduzierter oder Schwerelosigkeit zu simulieren:

^{Bildquelle: Purdue University}

Der Grund, warum die Personen in dem von Ihnen verlinkten Clip oben aufsteigen, ist, dass das Flugzeug nach unten zunächst mehr beschleunigt als der lokale Wert von$g$. Eine ähnliche Situation können Sie in einem Fahrstuhl erleben, wenn ein riesiges Monster den Fahrstuhl so stark nach unten drückt, dass er mit einer Beschleunigung größer als nach unten beschleunigt$g$sagen$50~\mathrm{ms^{-2}}$. In diesem Fall bewegen Sie sich in Bezug auf den Aufzug nicht nur nach oben, sondern beschleunigen nach oben mit einer Beschleunigung gleich$a-g$Wo$a$ist die vom Monster bereitgestellte Beschleunigung. Jetzt können Sie auf dem Dach des Aufzugs stehen!

^{Wenn Sie daran interessiert sind, wie solche Flugzeuge Umgebungen mit reduzierter Schwerkraft stimulieren, habe ich in dieser Antwort eine kurze Erklärung gegeben.}

Ja, sie würden an der gleichen Stelle bleiben ... Abgesehen von der Tatsache, dass Sie vom Rahmen des Aufzugs aus jeder leichte Druck nach oben antreibt und Sie das nicht stoppen können ... Als ob Sie in einer Raumstation wären. Im zweiten Beispiel, das Sie gegeben haben, können Sie deutlich sehen, dass alle Personen nach oben drücken, was dazu führt, dass sie schweben. Wenn Sie vollkommen still bleiben würden, wären Sie immer noch auf dem Boden.

Während andere Antworten nicht falsch sind, möchte ich hinzufügen, dass der Hauptgrund, warum jemandes Füße im freien Fall nicht auf dem Boden bleiben können, darin besteht, dass aufgrund von Körperbewegungen jederzeit ein leichter Druck oder eine Beule zwischen Füßen und Boden entsteht . Die Kontaktkraft drückt die Füße nach oben. Da keine anderen Kräfte beteiligt sind, schweben die Füße weiter vom Boden weg.

Außerdem wirken die Beine wie leicht zusammengedrückte Federn : Wenn der freie Fall beginnt, drücken die Muskeln, die sich immer noch gegen die Schwerkraft anspannen, weiter auf den Boden, sodass die Reaktionskraft des Bodens die Füße weiter nach oben drückt, auch wenn sie immer schwächer wird die beine "strecken". Zu dem Zeitpunkt, an dem die Kräfte Null erreichen, weil die Beine nicht mehr „komprimiert“ sind, hat der Schwerpunkt Ihres Körpers eine gewisse Geschwindigkeit relativ zum Boden erreicht, sodass Sie davon schweben.

Beachten Sie, dass Einsteins Körper im ersten Beispiel eine Geschwindigkeit relativ zum Aufzug haben sollte, da seine Füße bereits weit vom Boden entfernt waren, was dazu führte, dass sein Kopf gegen die Decke stieß. Was wir bestätigen können, indem wir uns das zweite Video ansehen (aber das Flugzeug befindet sich offensichtlich nicht perfekt im freien Fall, sodass die relative Geschwindigkeit stark variieren kann).