Chapter 4 · Free fall, circular motion, satellitesTextbook pages 83–85

Weightlessness, Circular Motion & Satellites ഭാരമില്ലായ്മയും വർത്തുളചലനവും

Does an object lose its weight when it falls? Why does a stone on a string go round and round – and where does it go when you let go? And how do satellites, and Chandrayaan-3, use gravity instead of fighting it? Three virtual labs and a launch simulator on this page.

📖 What you need (pages 1, 4 and 10 of this guide)

1. Free fall – the spring balance that reads zero നിർബാധ പതനം

Activity. ഒരു സ്പ്രിങ് ബാലൻസിൽ 20 g തൂക്കക്കട്ടി കൊളുത്തിയിട്ട് സ്പ്രിങ് ബാലൻസ് കൈയിൽ പിടിച്ചുകൊണ്ട് പെട്ടെന്ന് താഴ്ത്തുക. ഈ സമയത്തു റീഡിങ്ങിലുണ്ടായ മാറ്റം എന്തായിരിക്കും? (കൂടുന്നു / കുറയുന്നു) ഇനി ഇവയെ സ്വതന്ത്രമായി പതിക്കാൻ അനുവദിച്ചാൽ റീഡിങ് പൂജ്യമാകുന്നത് കാണാമല്ലോ. Hang a 20 g mass on a spring balance, hold the balance in your hand and lower it suddenly. What happens to the reading at that moment – does it increase (കൂടുന്നു) or decrease (കുറയുന്നു)? Now let the two fall freely together: you will see the reading become zero.
⚠ Do the real experiment with an adult, over a bed or a thick cushion – a dropped spring balance can break, and a falling mass can hurt your toes. Never stand under a falling object.
🎬 The activity, step by step
⭐ Free fall – നിർബാധ പതനം (textbook page 83)

ഒരു വസ്തുവിനെ ഉയരത്തിൽ നിന്ന് സ്വതന്ത്രമായി താഴേക്ക് വീഴാൻ അനുവദിച്ചാൽ അത് ഭൂമിയുടെ ആകർഷണബലത്താൽ മാത്രം ഭൂമിയിലേക്ക് പതിക്കും. ഇത്തരം ചലനമാണ് നിർബാധ പതനം.

When an object is allowed to fall freely from a height, it falls to the Earth under the Earth's gravitational force alone. Such a motion is called free fall.

നിർബാധം പതിക്കുന്ന വസ്തുക്കൾക്ക് ത്വരണം ഉണ്ട് എന്ന് അറിയാമല്ലോ. ത്വരണത്തിന് ആവശ്യമായ ബലം നൽകുന്നത് ഗുരുത്വാകർഷണമാണ്. ഗുരുത്വാകർഷണം നൽകുന്ന ബലം മുഴുവൻ ത്വരണം ഉണ്ടാക്കാൻ ഉപയോഗിച്ചാൽ പിന്നെ വസ്തുവിന് ഭാരം ഉണ്ടാകില്ലെന്ന് പരീക്ഷണത്തിൽ കൂടി വ്യക്തമായല്ലോ. Freely falling objects have an acceleration, and the force needed for it is supplied by gravity. When the whole of the gravitational force is used up in producing acceleration, the object shows no weight – the experiment makes this clear. This is weightlessness (ഭാരമില്ലായ്മ).
⚠️ Gravity has not switched off!

In free fall the Earth still pulls the 20 g mass with mg = 0.02 × 9.8 = 0.196 N – that pull is exactly what makes it accelerate. What becomes zero is the force between the object and its support (the spring, the floor, your feet). Scientists call the spring-balance reading the apparent weight.

Virtual lab 1 – a spring balance in a lift

A lift is a box that can accelerate downwards. Hang the 20 g mass from the ceiling of the lift on a spring balance and change the lift's downward acceleration a. Press 📋 Record to enter each reading in the observation table.

🛗 Lift lab – reading = m(g − a)
Lift's downward acceleration a (m/s²)Gravity on the mass mg (N)Spring-balance reading m(g − a) (N)Reading in grams-weight
🔎 Inference
🧮 Go further – where does m(g − a) come from?

Two forces act on the mass: gravity mg (down) and the spring's pull T (up). The net force makes it accelerate downwards with a: mg − T = ma, so T = m(g − a). The spring balance shows T. If a = 0, T = mg (normal weight); if a = g, T = 0.

2. When do we feel weightless?

ഭാരമില്ലായ്മ അനുഭവപ്പെടുന്ന സന്ദർഭങ്ങൾ ഏവ? • സ്പേസ് സ്റ്റേഷനുകളിൽ ഭൂമിയെ ചുറ്റുന്നയാൾക്ക് In which situations do we experience weightlessness? • For a person going round the Earth in a space station … – add more.
🛰️

In a space station

Astronauts in the International Space Station – and India's Gaganyaan crew in future – float because the station and everything in it are falling freely around the Earth together.

🏊

A diver after leaving the board

From the moment the feet leave the board until the water, the diver is in free fall and feels no weight.

🪂

A skydiver at the start

In the first seconds after jumping, before the air pushes back strongly, the skydiver falls freely – the “stomach in the throat” feeling.

🛗

A lift whose cable breaks

Lift, people and spring balance all fall with acceleration g, so the floor no longer presses on the feet. (Real lifts have safety brakes.)

🎡

The drop on a festival ride

At the top of a fast giant wheel or a drop-tower ride at a temple festival or theme park, for a moment you seem to lift off the seat.

✈️

“Zero-g” flights

Special aircraft fly up-and-over curves so that the plane falls freely for about 20 s – astronauts train inside.

⚠️ A very common mistake

“There is no gravity in the space station.” False! At about 400 km up, g = 9.8 × (6400/6800)² ≈ 8.7 m/s² – about 89 % of its value on the ground. The astronauts float because they are falling all the time, not because gravity is missing.

Science diary. നിർബാധം പതിക്കുന്ന വസ്തുക്കൾക്ക് ഭാരമില്ലായ്മ അനുഭവപ്പെടാൻ കാരണമെന്ത്? സയൻസ് ഡയറിയിൽ രേഖപ്പെടുത്തുക. Why do freely falling objects experience weightlessness? Record in your science diary.

Compare the acceleration of the object with the acceleration of its support (the spring balance, or the floor). Is anything pushing or pulling on the object besides gravity?

Answer: In free fall the object and its support (spring balance, floor, seat) fall together with the same acceleration g. So the support does not need to hold the object up: the spring is not stretched and the floor does not press on the feet. The whole of the gravitational force is used to produce the acceleration, and nothing is left to show up as weight. So the object feels weightless – even though gravity is still acting on it.

3. Circular motion വർത്തുളചലനം

നിർബാധം പതിക്കുന്ന കല്ലിന്റെ ചലനം നേർരേഖയിലാണല്ലോ? എന്നാൽ കൃത്രിമ ഉപഗ്രഹങ്ങളുടെ ചലനം ഏത് തരത്തിലാണ്? ഇത്തരത്തിലുള്ള ചലനങ്ങൾക്ക് ഉദാഹരണങ്ങൾ എഴുതൂ. • കല്ല് കയറിൽ കെട്ടി കറക്കുന്നത് A freely falling stone moves in a straight line. But what kind of motion do artificial satellites have? Write examples of such motion. • A stone tied to a rope and whirled …

The Moon going round the Earth · a giant wheel or merry-go-round (യന്ത്ര ഊഞ്ഞാൽ) at a temple festival · the tip of a fan blade · the tip of a clock's second hand · a cyclist on a circular track · clothes in a washing-machine drum · planets round the Sun · electrons round the nucleus.

ചരടിൽ കെട്ടിയ ഒരു കല്ല് ചിത്രത്തിൽ (ചിത്രം 4.15) കാണുന്നതുപോലെ കറക്കിയാൽ കല്ലിന്റെ ചലനം വൃത്തപാതയിലല്ലേ? ഇത് വർത്തുള ചലനമാണ്. ഈ കല്ല് വൃത്തപാതയിൽ തുല്യ സമയ ഇടവേളകളിൽ തുല്യ ദൂരം സഞ്ചരിച്ചാൽ അത് സമവർത്തുളചലനമാണ്. When a stone tied to a string is whirled (Fig 4.15), it moves along a circular path. This is circular motion (വർത്തുളചലനം). If the stone covers equal distances in equal intervals of time on the circle, it is uniform circular motion (സമവർത്തുളചലനം).
🎬 Uniform speed – but is the velocity uniform?
  1. ഈ വസ്തുവിന് സമവേഗം ആണെങ്കിലും സമപ്രവേഗം ആയിരിക്കുമോ? എന്തുകൊണ്ട്? The object has uniform speed (സമവേഗം) – but does it have uniform velocity (സമപ്രവേഗം)? Why?
  2. ഈ വസ്തുവിൽ ഏതെങ്കിലും ബലം അനുഭവപ്പെടുന്നുണ്ടോ? Does any force act on the object?
  3. ചരട് കൈയിൽ നിന്ന് വിട്ടാൽ കല്ല് ഏത് ദിശയിൽ ആയിരിക്കും ചലിക്കുക? തൊടുവരയിൽ കൂടിയായിരിക്കുമല്ലോ (ചിത്രം 4.16). If the string is let go, in which direction will the stone move? Along the tangent (തൊടുവര), of course (Fig 4.16).
(1) No. The speed stays the same, but the direction of motion changes every instant. Velocity includes direction, so the velocity keeps changing – the stone is accelerating.
(2) Yes – the string pulls the stone towards the centre all the time. Our hand supplies this pull.
(3) Along the tangent to the circle at the point of release, in a straight line (first law – no force now to bend its path).
🪢 Virtual lab 2 – whirl a stone, then let go

Green arrow = velocity (along the tangent). Red arrow = force of the string (towards the centre). Double the speed and watch the red arrow grow four times.

⭐ Centripetal acceleration and centripetal force (textbook page 84)

പ്രവേഗമാറ്റത്തിന്റെ നിരക്കാണല്ലോ ത്വരണം. വർത്തുളപാതയിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന വസ്തുവിന്റെ ത്വരണമാണ് അഭികേന്ദ്രത്വരണം (centripetal acceleration). ഈ ത്വരണത്തിന് ആവശ്യമായ ബലമാണ് അഭികേന്ദ്രബലം (centripetal force). നമ്മുടെ കൈയല്ലേ ഇത് നൽകിയത്?

Acceleration is the rate of change of velocity. The acceleration of an object moving along a circular path – directed towards the centre – is the centripetal acceleration (അഭികേന്ദ്രത്വരണം). The force needed for this acceleration is the centripetal force (അഭികേന്ദ്രബലം). For the stone, our hand supplies it through the string.

അഭികേന്ദ്രബലമില്ലെങ്കിൽ വർത്തുളചലനമുണ്ടാകുമോ? Can there be circular motion without a centripetal force?
No. Without a force towards the centre nothing turns the velocity, so the object moves off in a straight line along the tangent – exactly what the stone did when you let go.
ആറ്റത്തിലെ ന്യൂക്ലിയസിനു ചുറ്റും ഇലക്ട്രോണുകൾ കറങ്ങുന്നതും സൂര്യന് ചുറ്റും ഗ്രഹങ്ങൾ കറങ്ങുന്നതും ഭൂമിക്ക് ചുറ്റും ഉപഗ്രഹങ്ങൾ കറങ്ങുന്നതും അഭികേന്ദ്രബലത്തിന് വിധേയമായിട്ടാണ്. Electrons going round the nucleus of an atom, planets going round the Sun and satellites going round the Earth all move under a centripetal force. Who supplies it?
Circular motionCentripetal force supplied by
Stone on a stringpull of the string (from your hand)
Electrons round the nucleuselectric attraction of the nucleus
Planets round the Sunthe Sun's gravity
Moon and artificial satellites round the Earththe Earth's gravity
Riders on a giant wheelthe seats and frame of the wheel (together with gravity)
A bus turning a bendfriction between the tyres and the road

4. Vehicles on a bend

അഭികേന്ദ്രബലത്തിന്റെ അപര്യാപ്തത മൂലമാണ് വളവു തിരിയുന്ന വാഹനങ്ങൾ വളവിന്റെ പുറത്തേക്ക് മറിയാനുള്ള പ്രവണത കാണിക്കുന്നത്. വാഹനത്തിന്റെ മാസും വേഗവും വളവിന്റെ വക്രതയും വാഹനം മറിയാനുള്ള പ്രവണതയെ സ്വാധീനിക്കുന്നു. Vehicles taking a turn tend to slide or topple towards the outside of the bend because there is not enough centripetal force. The mass of the vehicle, its speed and the sharpness (curvature) of the bend all affect this tendency.
📦 While taking a turn – വളവ് തിരിയുമ്പോൾ

ഒരു വസ്തുവിന്റെ സഞ്ചാരപാത പൂർണ്ണവൃത്തമല്ലെങ്കിലും ഒരു ചാപം (arc) മാത്രമാണെങ്കിലും അതിനെ വൃത്തപാതയായി കണക്കാക്കണം. അതിനാലാണ് വളവുകൾ തിരിയുന്ന സന്ദർഭങ്ങളിൽ വാഹനങ്ങൾ വൃത്തപാതയിലാണെന്ന് പറയുന്നത്.

Even if the path is not a full circle but only an arc, it should be treated as part of a circular path. That is why vehicles turning a bend are said to be moving on a circular path.

🚌 Virtual lab 3 – a KSRTC bus on a ghat hairpin
🛣️ Thamarassery churam

The ghat road from Kozhikode to Wayanad climbs through nine hairpin bends. KSRTC drivers slow right down at each one – especially in the monsoon, when a wet road grips the tyres only about half as well. Try it in the lab: at 30 km/h a 20 m hairpin is safe on a dry road, but the bus slides out on a wet one.

🧮 Go further – the formula

The centripetal force needed is F = mv²/r (m = mass, v = speed, r = radius of the bend). Double the speed → four times the force; half the radius (a sharper bend) → twice the force; a heavier vehicle needs more force. A heavier bus also presses harder on the road, so its tyres can grip harder too – which is why the safe speed on a bend is about the same for a car and a loaded bus, while a wet road or a sharper bend lowers it for everyone.

🌐 Explore online needs internet · opens in a new tab

5. Satellites – gravity as the centripetal force

അഭികേന്ദ്രബലത്തിന് വിധേയമായി സഞ്ചരിക്കുന്ന വസ്തുക്കളുടെ സഞ്ചാരപാത വർത്തുളമോ വക്രമോ ആയിരിക്കുമല്ലോ. അങ്ങനെയെങ്കിൽ ഭൂമിക്ക് ചുറ്റും കറങ്ങുന്ന കൃത്രിമ ഉപഗ്രഹങ്ങൾക്ക് അഭികേന്ദ്രബലം ലഭിക്കുന്നത് എവിടെ നിന്നാണ്? ഭൂമിയുടെ ഗുരുത്വാകർഷണബലം തന്നെയല്ലേ അഭികേന്ദ്രബലമായി മാറിയത്? Objects moving under a centripetal force follow circular or curved paths. Then where do artificial satellites going round the Earth get their centripetal force? Isn't it the Earth's gravitational force itself that acts as the centripetal force?
Yes. There is no string to the satellite. The Earth's gravitational force, always pointing towards the Earth's centre, acts as the centripetal force and keeps bending the satellite's path into a circle (or an ellipse). The satellite is falling towards the Earth all the time – but it moves sideways so fast that it keeps missing it.
🎬 Falling around the Earth
💥 Virtual lab 4 – Newton's cannon
Launch speed (km/s)What happened
press 💥 Fire – each launch is recorded here

The cannon sits 200 km up (above the air, so there is no drag). The mountain is drawn far taller than scale. The path is worked out step by step from the Earth's gravity alone.

🔎 Inference

Below about 7.8 km/s (from 200 km; ≈ 7.9 km/s just above the surface) the ball falls back. At about that speed it goes all the way round – an orbit: gravity is used entirely as the centripetal force. Faster still and the orbit becomes a stretched ellipse; at about 11 km/s it escapes for good.

6. Chandrayaan-3 and the soft landing

ഭാരതത്തിന്റെ ശാസ്ത്രരംഗത്തെ പുതുയുഗപ്പിറവിക്ക് കാരണമായ ചന്ദ്രയാൻ -3 ഇതേ ഗുരുത്വാകർഷണബലം മറികടന്നല്ലേ ചന്ദ്രനിൽ എത്തിയത്? ഭൂമിയുടെ ഗുരുത്വാകർഷണബലത്തെ അതിജീവിച്ച് ഉപഗ്രഹങ്ങൾ ബഹിരാകാശത്തേക്ക് പോകണമെങ്കിൽ വളരെയധികം ഊർജം ആവശ്യമില്ലേ? അതുകൊണ്ടാണ് ഉപഗ്രഹ വിക്ഷേപണത്തിന് വലിയ റോക്കറ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഇത് ചെലവ് വർധിപ്പിക്കുന്നു. ചന്ദ്രയാൻ വിക്ഷേപണത്തിനുപയോഗിച്ച സാങ്കേതികമേന്മ കൊണ്ട് മറ്റു രാജ്യങ്ങളുടെ ചാന്ദ്രമിഷനുകളെ അപേക്ഷിച്ച് ശേഷി കുറഞ്ഞ റോക്കറ്റുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ചന്ദ്രയാനെ ചന്ദ്രനിൽ എത്തിക്കാൻ സാധിച്ചു. ചന്ദ്രനിൽ എത്തുന്ന ലാന്ററിന്റെ വേഗം ചന്ദ്രന്റെ ഗുരുത്വാകർഷണബലം മൂലം വർധിക്കും. ഇങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന വേഗവർധനവിനെ ക്രമമായി കുറച്ചാണ് സോഫ്റ്റ്ലാൻഡിങ് നടത്തിയത്. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ മികവിനെയാണ് പാഠാരംഭത്തിൽ കുട്ടികൾ വാഴ്ത്തിയത്. Chandrayaan-3, which opened a new era for Indian science, reached the Moon by overcoming this same gravitational force. For a spacecraft to escape the Earth's gravity a great deal of energy is needed – which is why big rockets are used for launches, and that raises the cost. Thanks to the clever technique used for its launch, Chandrayaan could be sent to the Moon with a less powerful rocket than other countries' Moon missions. As the lander approaches the Moon, its speed increases because of the Moon's gravity. The soft landing (സോഫ്റ്റ് ലാൻഡിങ്) was done by reducing this gain in speed gradually. This is the technology the children praised at the start of the chapter.
🎬 Chandrayaan-3: from Sriharikota to the Moon's south pole
🌙 Virtual lab 5 – land Vikram softly
Thrust (× Moon weight)Touch-down speed (m/s)Result
press ⬇ Start the descent – each landing is recorded here

The lander starts 150 m above the surface, already moving down at 10 m/s, and the Moon's gravity (1.62 m/s²) keeps speeding it up. The legs survive a touch-down at up to about 3 m/s. Thrust 1 only cancels the weight – the speed stays 10 m/s. Find the thrust that brakes it gently.

🇮🇳 Proud moment

Chandrayaan-3 was launched on 14 July 2023 by the LVM3 rocket from the Satish Dhawan Space Centre, Sriharikota. The Vikram lander touched down near the Moon's south pole on 23 August 2023 – India became the first country to land near the lunar south pole. The Pragyan rover then rolled out to study the soil. 23 August is now celebrated as National Space Day.

🌐 Explore online needs internet · opens in a new tab

Check yourself

Next: Let us assess, Q1–Q7 – solutions ▶