自由落下

空間を移動する物体は重力・摩擦・抵抗など様々な力を受けうる。そのうち重力のみを物体が受けているとき、その運動は自由落下と呼ばれる^[1]。大雑把に言えば、自由落下は「真空中での落下」に相当する。人工衛星や月、地球などの天体の運動がこれにあたる。

自由落下の特性を近似的に示した実験（伝説）としてガリレオによるピサの斜塔実験が有名である（⇒ #特性）^[2]。同じ高さから鉄球とリンゴを同時に自由落下させると地面に同時に到着する^[2]。

地表付近の十分に狭い空間内にある物体は、その位置に関係無く一定の重力を受けると考えることができる。このような物体の自由落下運動は、鉛直方向下向きに一定の重力加速度 g で加速する運動と考えることができる。

鉛直方向上向きに${\displaystyle z}$軸をとり、運動を開始する位置を ${\displaystyle z=0}$ とする。物体を ${\displaystyle zx}$ 平面内で投射角 ${\displaystyle \theta }$、初速 ${\displaystyle v_{0}}$ で投げ上げた場合、速度及び位置は、真空中若しくは空気の抵抗を無視した場合、

• 速度

${\displaystyle v_{x}=v_{0}\cos \theta }$

${\displaystyle v_{z}=-gt+v_{0}\sin \theta }$

• 位置

${\displaystyle x=v_{0}t\cos \theta }$

${\displaystyle z=-{\frac {1}{2}}gt^{2}+v_{0}\sin \theta \cdot t}$

となる。^[4]この物体の軌跡は放物線となる。

物体を初速度ゼロで静かに落下させた場合の等加速度直線運動は、この特殊な場合と言える。逆に、放物運動を水平方向の等速直線運動と自由落下（鉛直方向の等加速度直線運動）の合成とする説明もなされる。これらの自由落下に関する事柄は「落体の法則」と呼ばれることがある。一様な重力が働く状況下において初速ゼロで運動を開始した物体の等加速度直線運動のことを特に自由落下と呼び、初速度をもって運動する斜方投射などと区別することがある^{[独自研究?][1]}。

月がなぜ地表に落ちてこないのか、という疑問に対して、月は地球に向かって落下しつづけているのだという回答を与えたのはアイザック・ニュートンである。このような天体の運動も、重力（万有引力）の影響しか受けていない運動なので自由落下である。もちろんこれは地球にも言えることであり、「地球は常に太陽に向かって落下しつづけている」ということになる。また、重力は片方がもう片方を一方的に引き寄せる力ではなく、相互に引き合う力である。従って地球もまた月に向かって落下している、ということになる。ただ、月よりも地球の質量が大きいために、地球が月を引き寄せる要素のほうが相対的に大きい。

通常、天体や人工衛星の運動を記述するには軌道要素を用いる。

上で述べた通り、地球もまた自由落下する物体である。従って地球上にいる人間も無重力状態にある。ただし地球の重力を除いてであるが。よって地球上の人間は地球の重力を感じる事はあっても、地球以外の天体の重力を感じる事は無い、という事になる。そして、実際には理想的な自由落下ではないので、正確に言えば微小重力状態であるのも同様である。微小重力の影響が無視できない端的な現象として、月の重力による潮汐が挙げられる。