自由落體是指物體僅受重力作用，無初速度地自高處下落的運動，是一種初速度為零的勻加速直線運動。
亞里士多德時代，人們通常認為越重的物體在自由落體時下降速度越快。伽利略研究后認為，物體下降的速度和物體重量無關。牛頓進而發現小球在自由落體時，是受到了地球的引力作用，引力使小球恒定的加速。在牛頓經典力學中，物體的自由落體在無空氣阻力的均勻引力場、有空氣阻力的均勻引力場、平方反比定律引力場中具有不同計算方式。而廣義相對論中，通常認為引力不是物體與引力場之間的作用，而是由物質的存在而造成的時空的扭曲。
1971年，美國宇航員戴維·斯戈特（David R. Scott）在月球表面用羽毛和錘子科技的自由落體證明自由落體運動速度變化與物體重量無關。除此之外，跳傘、在太空中處于失重狀態的宇航員、關掉動力裝置的太空航行器、月球、人造衛星都屬于自由落體運動。人們還利用自由落體運動在地面模擬出微重力環境。
發展簡史
初探時代
一世紀前后，古希臘哲學家亞里士多德（約公元前 384—322 年）曾在《論天》（On the Heavens）中說，如果某個重量的物體在一定時間內運動一定的距離，則更重的物體會在較短的時間內運動同樣的距離，且重量之比等于時間之比。同時，亞里士多德認為，物體的下落速度隨物體的自然下落速率（natural rate of fall）的變化而不同。自然下落速率是物體的固有屬性，與物體的重量成正比，與下落時物體所處的媒介密度成反比。
六世紀時，約翰·菲羅波努斯 （John Philoponus）對亞里士多德的觀點提出質疑，他觀察后認為重量不同的球會以幾乎相同的速度下落。 十二世紀時，伊拉克哲學家希巴特·阿拉·阿布·巴拉卡特·巴格達迪（Hibbat Allah Abul Barakat al-Baghdadi）根據什洛莫·派恩斯（Shlomo Pines）的說法，否定了亞里士多德的觀點，他認為持續施加的力會產生加速度，并認為恒定的力產生勻加速運動，加速度是速度的變化率。隨后，法國哲學家布里丹和阿爾伯特進一步解釋，下落物體的加速度是其推力增加的結果。
實驗測定
十六世紀，意大利物理學家伽利略·伽利萊設計了一個思想實驗，他設想了一個混合物體，讓輕的物體在上，重的物體在下。按照亞里士多德的觀點，輕的物體下落慢，會產生向上的力，阻礙重的物體下落。同時重物體產生向下的力，加速輕的物體，所以混合物體的自由落體速度會介于兩個物體單獨下落的速度之間。但混合物體的重量大于任何一個物體，所以混合物體的自由落體速度會超過任何一個物體，這兩種推測的結果自相矛盾，所以伽利略確認亞里士多德的理論不可靠。
接著，伽利略設計了一個斜面實驗，并觀測到，小球在斜面上移動的距離與時間的平方成正比。不管小球重量如何，它們在同樣的時間內，增加的速度都是相同的。而后，伽利略·伽利萊將斜面設置成對稱形。進而發現在無外力干涉的情況下，小球將會以等速運動持續運行到無限遠處。于是伽利略認為自由落體運動中，物體會以恒定的加速度下落，下落速度和物體重量無關。
1590年，伽利略·伽利萊發現自由落體的物體下落速度與重量無關后，在意大利比薩斜塔做過一次公開實驗。他手持一大一小兩個鉛球站在比薩斜塔頂層，從鐘樓的拱窗伸出手去，同時雙手放開。聚集在廣場的人們觀測到兩個鉛球始終并排下落，并不分先后的掉到地面上，證明自由落體運動與物體重量無關。但伽利略·伽利萊是否真的在比薩斜塔上做過自由落體實驗存在爭議。此傳說來源于利略的一個名叫維維阿尼的學生，他在1654年所寫的《伽利略傳》中提到伽利略曾在比薩斜搭做過自由落體實驗。但伽利略、比薩大學以及同時代的其他人都沒有記載此事。伽利略的著作《兩種新科學的對話》中，也沒有提到在比薩斜塔做自由落體實驗的事情。
月球驗證
十六世紀后期，牛頓對伽利略的實驗進一步解釋，認為小球在自由落體時，是受到了引力作用，引力使小球恒定的加速。而如果小球不受到外力作用，它會保持靜止，或者以相同的速度保持直線運動。所以牛頓認為力不是物體運動的原因，而是物體運動狀態變化的原因，并由此提出慣性原理，即牛頓第一定律。
1971年，美國發射阿波羅15號第四次登月，宇航員戴維·斯戈特（David R. Scott）在月球表面做了一次自由落體實驗。他把一根羽毛和一把錘子科技從同一高度同時放下，地球上的觀眾通過電視轉播，看到了羽毛和錘子并排下落，同時落在月球表面，直觀的表明在無空氣阻力的情況下，自由落體速度與物體重量無關。
基本特點
在自由落體運動中，物體下落的瞬間是靜止的，即初速度為零。
自由落體運動只受到重力作用，不受其他外界作用力，或其他外力向量和為零。
在真空中，或者在空氣中，但空氣阻力可以忽略時，任何物體在相同高度做自由落體運動結果，下落時間相同。
相關規律
運動學基礎
在物體運動過程中，通常用來表示運動時間。而物體運動一開始的速度，叫做初速度，通常用表示。在秒末的速度，叫做末速度，用表示。在勻變速直線運動中，速度的變化與發生該變化所需要的時間之比是固定的，叫做勻變速直線運動的加速度，通常用來表示，而物體運動的距離為。它們之間存在如下關系：
重力加速度
經過對不同物體在地球上進行實驗表明，同一地點，一切物體自由落體的速度變化過程是相同的，即加速度是相同的，這個加速度叫做自由落體加速度（free-fall acceleration），也叫做重力加速度（gravitational acceleration），通常用表示。方向豎直向下，在地球的不同地方，值略有不同。在一般的計算中，通常取，有時也可近似取。
自由落體基本公式
自由落體運動適用所有的勻變速直線運動公式。設垂直地面向下為軸正方向，時，質點位于原點，則下落時間后：
自由落體運動速度為：
自由落體位移為：
自由落體速度隨位移變化為：
其中，為運動時間，為瞬時速度，為下落高度。
相關推論
自由落體運動，一段時間內的平均速度為：
自由落體運動速度的增加是均勻的，所以相等時間內物體運動的距離是逐漸增加的，而在相等時間內，物體運動的距離之差為
其中， 為平均速度，為距離之差。
不同場景下的自由落體
牛頓力學中的自由落體
無空氣阻力的均勻引力場
當物體所受重力遠大于空氣阻力時，物體在靠近行星表面的一小段距離內的豎直下落運動，可以視為無空氣阻力的自由落體運動。此時，
其中，為初始速度（），是時刻的速度（），是初始高度（），是時刻的高度（），是經過的時間（），是重力加速度。
具有空氣阻力的均勻引力場
當空氣阻力不能忽略時，在空氣中自由落體的物體需要考慮空氣阻力的影響，空氣阻力與物體下落速度的平方成正比。此時，
其中，為空氣密度，為空氣阻力系數，為物體橫截面積。
如果物體從靜止開始下落，并且空氣密度不隨高度變化，則有
其中，是時刻的速度（），為終端速度（），是初始高度（），物體高度（）。
平方反比定律引力場
在沒有其他力的情況下，空間中的兩個物體在萬有引力的作用下互相繞行，可以視為兩個物體互相自由落體。例如月球或人造衛星繞著地球旋轉，或者行星繞著太陽旋轉。引力雙體問題遵循開普勒行星運動定律中的橢圓軌道。
當兩個物體在沒有初始角動量的情況下開始彼此自由落體時，可以認為其橢圓軌道的偏心率，此時
其中，為自由落體的時間，為兩個物體中心的距離，為的初始值，為標準引力參數。當時，可以計算出自由落體的時間，可得
將上式泰勒展開，得到
其中，
廣義相對論中的自由落體
在廣義相對論中，通常認為引力并不是受力物體與引力場之間的相互作用，而是空間的某種幾何性質，是由于物質的存在而造成的時空的扭曲。地球引力使時空發生彎曲，而自由落體的物體在彎曲的時空表面沿著測地線運動，彎曲的時空推著物體朝地球的方向運動，自由落體的物體沒有受到力的作用。
應用示例
跳傘
跳傘運動可以被視為在具有空氣阻力的均勻引力場中的自由落體。在跳傘初期，運動員受到的空氣阻力較小，運動員移動速度不斷增加。一段時間后，運動員加速到終端速度，其受到的空氣阻力與重力相當，不再加速。
宇宙航行
在太空中，處于失重狀態的宇航員和關掉動力裝置的太空航行器，都屬于自由落體運動，他們僅僅受到地球重力的作用。環繞地球軌道運動的月球，以及環繞地球軌道運動的衛星，都屬于自由落體運動。他們僅僅受到地球引力的作用，向地球“墜落”，但同時由于其自身速度夠快，所以能保持在太空軌道上。這些均可以視為平方反比定律引力場中的自由落體運動。
微重力設施
在太空航行時，飛行軌道上或其他星球上的重力環境與地球表面的重力環境差異很大，而在飛行前必須在地面確認機構在空間的性能和可靠性，所以需要在地面實現對空間機構實際工作時的空間重力環境的模擬，于是產生了地面重力補償設備。最常見的重力補償設備為落塔，落塔在試驗時將試驗物體從高塔上落下，利用物體在自由落體過程中所處的低重力或微重力環境來進行試驗。
非自由落體示例
正在飛行的飛機不是自由落體，因為飛機的機翼受到了空氣提供的升力。停在地面上的物體也不是自由落體，因為物體同時受到重力和來自地面的支持力。載人飛船重返大氣層以及使用降落傘降落，都不能被視為自由落體，因為他們所受重力被空氣阻力所抵消。正在太空航行的航空器因為受到火箭提供的推力，也不能被視為自由落體。
參考資料 >
Zero Gravity Facility.NASA.2024-01-23