Caída libre - Definición.

El estudio del comportamiento de los objetos físicos en caída libre es un tema interesante. Su historia, sus leyes fundamentales, sus ecuaciones principales constituyen un aporte valioso en la Física por la característica de movimiento ideal y de notable practicidad que se manifiesta continuamente en el espacio y el tiempo.
El término caída libre es una expresión aplicado tanto a los cuerpos que ascienden como a los que descienden. La caída libre es un movimiento de aceleración constante. 

Un poco de historia

El filósofo griego Aristóteles (348-322 a C) afirmó en sus escritos que los cuerpos caen a una velocidad proporcional a su peso.

Aristóteles formuló su teoría de los objetos en caída libre, suponiendo que todos se componen de cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Los que están constituidos primordialmente por tierra y agua tratan de alcanzar su lugar natural de reposo: la Tierra; Los objetos que se componen de aire tratan de subir a su estado natural de reposo: el cielo. Aristóteles era un filósofo muy respetado; de ahí que hubiera pocos dispuestos a poner en duda sus teorías y conclusiones. Por tal razón, se avanzó poco en muchos siglos en el conocimiento de los cuerpos en caída.

Fue Galileo Galilei (1564-1642) quien finalmente abrió el camino al desarrollo de la verdadera ciencia, realizando importantes avances en Astronomía, óptica y mecánica . El principal científico del siglo XVI acudió al experimento para descubrir la verdad y proclamar públicamente que la autoridad de Aristóteles al respecto debía ponerse en tela de juicio. Diseñó ingeniosos métodos para cronometrar con exactitud la forma en que caen objetos semejantes de distinto peso y pudo establecer que el peso de un objeto no influye en su aceleración, con la condición de que sean despreciables los efectos de la resistencia del aire .(Experimento)

Galileo dejó caer objetos de diferentes pesos desde lo alto de la Torre inclinada de Pisa y comparó sus caídas. En una ocasión, Galileo supuestamente reunió una gran multitud para que atestiguara la caída de un objeto ligero y uno pesado desde lo alto de la torre. Se dice que muchos observadores de esta demostración, quienes vieron a los objetos tocar el suelo juntos, se burlaron del joven Galileo y continuaron afianzados a sus enseñanzas aristotélicas.

Fue Galileo quien introdujo por primera vez la idea de la aceleración. La desarrolló al descubrir el movimiento de los cuerpos que caen y probó su resultado haciendo ver primero que el movimiento de una pelota o esfera rodando por un plano inclinado era similar al de una pelota en caída libre.

Galileo demostró que si la aceleración a lo largo del plano inclinado es constante, la aceleración debida a la gravedad debe ser constante y verificó su suposición de que las esferas al descender por planos inclinados se incrementaban uniformemente con el tiempo. Encontró que las esferas adquirían la misma cantidad de rapidez en cada intervalo sucesivo de tiempo; esto es, las esferas rodaban con aceleración uniforme o constante. La velocidad en cualquier tiempo es simplemente igual a la aceleración multiplicada por el tiempo. Galileo encontró mayores aceleraciones para planos inclinados más empinados. La esfera adquiere su máxima aceleración cuando el plano se levanta a la posición vertical; esto es, la aceleración de Caída libre.

Definición de caída libre

El aprendizaje de las cualidades del movimiento de objetos físicos debe empezar con el estudio de la caída libre. El ejemplo más común de movimiento con aceleración constante es el de un cuerpo que cae en dirección a la Tierra. Al dejar caer un cuerpo desde una gran altura se tendrá que al comienzo el movimiento es uniformemente acelerado, siendo la velocidad muy pequeña y como consecuencia lo será también la resistencia del aire (R).

A medida que la velocidad aumenta, el valor de la resistencia del aire también aumenta y la aceleración del movimiento va disminuyendo gradualmente hasta llegar a un momento en que la resistencia y el peso del cuerpo ( ) tiene el mismo valor, ( ). A partir de entonces no hay aceleración y el cuerpo sigue cayendo con velocidad constante. Esa velocidad final constante se denomina Velocidad límite o terminal del cuerpo.

¿Qué es la Caída Libre?
Es el movimiento rectilíneo en dirección vertical con aceleración constante realizado por un cuerpo cuando se deja caer en el vacío.

La caída libre resalta dos características importantes:
1)  Los objetos en caída libre no encuentran resistencia del aire.
2) Todos los objetos en la superficie de la Tierra aceleran hacia abajo a un valor de aproximadamente 10 m/seg2 (Para ser más exacto 9.8 m/seg2 ).

En el vacío, todos los cuerpos caen con igual velocidad. Esto se puede demostrar experimentalmente utilizando el tubo de Newton. Se trata de un tubo de vidrio cerrado por sus extremos, uno de los cuales lleva una llave de paso a través de la cual se le puede extraer el aire.

Se toma el tubo, en el cual hay contenidos una pluma y una moneda. Invirtiendo el tubo se ven caer estos cuerpos uno detrás de otro, cuando el tubo contiene aire; pero al abrir la llave y extraer el aire, se repite el experimento y los cuerpos caen todos a una misma velocidad. Caen simultáneamente.

Un objeto al caer libremente está bajo la influencia única de la gravedad. Se conoce como aceleración de la gravedad . Y se define como la variación de velocidad que experimentan los cuerpos en su caída libre. El valor de la aceleración que experimenta cualquier masa sometida a una fuerza constante depende de la intensidad de esa fuerza y ésta, en el caso de la caída de los cuerpos, no es más que la atracción de la Tierra. La aceleración de la gravedad tiene un símbolo especial para denotarla el símbolo  ().

Para un cuerpo en caída libre se toma sobre la Tierra como sistema referencial de manera tal que el eje vertical o eje “Y” se tome positivo hacia arriba, esto implica que la aceleración debido a la gravedad () sea un vector apuntando verticalmente hacia abajo () y de magnitud 9,8 m/seg2. La altura h será simplemente coordenada y). 

Si se supone nula la resistencia del aire, se encuentra que todos los cuerpos independientemente de su tamaño, peso o composición, caen con la misma aceleración en el mismo punto de la superficie de la Tierra, y si la distancia recorrida no es demasiada grande, la aceleración se conserva constante en toda la caída. La gravedad varía con la latitud y la altura. Su valor máximo corresponde en los polos y el valor mínimo en el Ecuador terrestre.

 

La aceleración de gravedad es la misma para todos los objetos y es independiente de las masas de éstos.

La magnitud de la aceleración de gravedad se puede determinar experimentalmente a partir del análisis de una fotografía estroboscópica o de iluminaciones sucesivas de la caída libre de un objeto, conocida su escala de espacio y tiempo. Los objetos que caen se hacen visibles en intervalos iguales de tiempo por medio de una fotografía intermitente.

La fotografía se toma con la ayuda de una lámpara estroboscópica. El intervalo entre las iluminaciones se controla a voluntad.

El obturador de la cámara se deja abierto durante el movimiento y cuando se produce cada iluminación, la posición del objeto en ese instante se registra sobre la película fotográfica. Las iluminaciones igualmente espaciadas subdividen al movimiento en intervalos de tiempo iguales. Comparando los desplazamientos sucesivos del objeto se puede hallar la variación de la velocidad en el correspondiente intervalo de tiempo.

La magnitud de la aceleración constante en la caída libre se puede comprobar con el ejemplo de la fotografía estroboscópica de una bola de billar que cae libremente. Al oscurecer el lugar donde se realiza el experimento el objeto fue iluminado con una luz estroboscópica, a intervalos de 1/30 seg.

Comparando los desplazamientos sucesivos de la bola de billar se puede hallar la variación de la velocidad en el correspondiente intervalo de tiempo. Tabla Distancia -Tiempo

En tiempos iguales se recorre más distancia. La separación de las imágenes durante la caída demuestra que la velocidad va aumentando continuamente. El espacio recorrido es proporcional al tiempo. Eso significa que la bola de billar cae con movimiento acelerado. Tabla Velocidad –Tiempo

Con la anterior tabla se construye la gráfica Velocidad-Tiempo.
Es una recta. El cociente  pendiente de la recta es constante. Esta constante mide la aceleración.
La velocidad es proporcional al espacio recorrido. La velocidad es proporcional al tiempo.

Así sucesivamente se obtienen valores que se muestran en la tabla Aceleración-Tiempo. La variación de velocidad es constante en cada intervalo de tiempo. Evaluando la pendiente entre los valores de velocidad y tiempo se obtiene el valor de la aceleración como lo muestra la siguiente tabla. Se observa que el movimiento es de aceleración constante, que significa que la gravedad es constante.

Aceleración: Cambio de Velocidad/Tiempo. Se demuestra que el objeto acelera a la misma razón constante cuando cae.

La aceleración es la razón en la cual un objeto cambia su velocidad. La aceleración de la bola de billar en caída libre es alrededor de - 9,8 m/seg2.

 

 

 

 

 

 

 

 

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