Siempre hay dos casos de cosas que caen al suelo. Una es cuando se tira algo al suelo, por ejemplo, tirando una pelota. Mientras que el otro caso es cuando algo se cae al suelo, por ejemplo, dejar caer la pelota o dejar caer accidentalmente el teléfono de las manos (se romperá seguro). Estos dos casos son evidencia del efecto de la gravedad descubierto por Sir Isaac Newton.
¿Qué es Caída Libre?
La Caída Libre se define como el movimiento de un objeto bajo únicamente la influencia de la Gravedad (Fuerza Gravitacional que ofrece el planeta Tierra). Imagine que un objeto se deja caer al suelo (la superficie de la Tierra), y ningún otro factor, pero la aceleración proporcionada por la gravedad actúa sobre el objeto, tal caso se conoce como caída libre.
Características del objeto en caída libre
- Cuando el objeto está en caída libre, la velocidad inicial (u) siempre es cero, ya que no hay fuerza que actúe sobre el objeto justo cuando se deja caer. Por lo tanto, u = 0.
- En caída libre, ninguna otra fuerza que la aceleración debida a la gravedad actúa sobre el objeto, lo que significa que incluso la fricción del aire o la resistencia del aire también se supone que es cero.
- Los objetos comienzan a experimentar una aceleración constante que es igual a la aceleración debida a la gravedad (g= 9,8 m/seg 2 ).
Aceleración debida a la gravedad
Es la aceleración que ofrece el centro de la Tierra. El valor de la aceleración de la gravedad es una constante Universal y el valor es igual a 9,8 m/seg 2 . Cuando un cuerpo solo experimenta aceleración debido a la gravedad, eso significa que está aumentando constantemente su velocidad con 9.8 m/seg cada segundo comenzando con una velocidad cero.
Fuerza durante la caída libre
La fuerza durante la caída libre no es más que la fuerza de gravedad que actúa entre el objeto y la Tierra. Al resolver la fuerza que actúa entre el objeto y la tierra, se desprecia la altura a la que se deja caer el objeto, ya que no tiene valor en comparación con el radio de la tierra (R = 6378 km).
Fuerza de Gravitación ⇢ 
Ya que, h<<R
Por lo tanto, se puede ignorar la altura a la que se deja caer el objeto.
La fuerza se define como, F=ma
Aquí, a=g (aceleración debida a la gravedad).
Dónde,
G = constante gravitatoria [6,67×10 -11 m 3 kg -1 s -2
m = masa del objeto
R = Radio de la Tierra (6378 km)
Representación gravitatoria de la caída libre
Hay principalmente dos gráficos que se pueden observar de un objeto en caída libre. Uno es el gráfico Posición-Tiempo y el otro es el gráfico Velocidad-Tiempo. El gráfico de posición-tiempo mostrará una curva descendente ya que ese objeto está experimentando una aceleración, el inicio del gráfico no tendrá curvas ya que la velocidad inicial es cero. Se observa que la gráfica velocidad-tiempo tiene una pendiente negativa ya que la aceleración tiene una dirección hacia abajo (negativa).
Gráfico Posición-Tiempo para Caída Libre
Gráfico de velocidad-tiempo para caída libre
Mecánica Newtoniana (Ecuación de movimiento bajo condiciones de Caída Libre)
Cuando un cuerpo está en movimiento, ya sea en 1 dimensión, 2 dimensiones, proyectil, caída libre, etc. Si se mueve con aceleración constante, la ecuación de movimiento de Sir Isaac Newton se aplica al objeto. Hay tres fórmulas o tres ecuaciones de movimiento y la ecuación de caída libre se deriva de esas 3 ecuaciones básicas. Estos son,
Primera ecuación de movimiento ⇢ v = u+ en
Segunda ecuación de movimiento ⇢ S = ut + 1/2(a 2 )
Tercera ecuación de movimiento ⇢ v = u 2 + 2as
Condición bajo caída libre,
- Velocidad inicial (u) = 0
- Aceleración = aceleración debida a la gravedad (g)
Por lo tanto, la ecuación obtenida es,
- v = g
- h = 1/2( gt2 )
- v = 2gh
Problemas de muestra
Pregunta 1: dos objetos se dejan caer juntos, el otro objeto es 10 veces más pesado que el primero, mientras que el primer objeto cae en 10 segundos, el otro tarda 12 segundos en caer. ¿Cuál de los dos obtendrá más velocidad en caída libre?
Solución:
Fórmula de la velocidad en caída libre,
v = g
Por lo tanto, la velocidad es independiente de la masa o el peso.
V1 = 9,8 × 10 = 98 m/s
V2 = 9,8 × 12 = 117,6 m/s
Por lo tanto, el segundo objeto tendrá más velocidad.
Pregunta 2: ¿Cuáles son las tres condiciones requeridas para la caída libre de un objeto?
Responder:
Condiciones para la caída libre de un objeto,
- No hay otra perturbación que no sea la fuerza de la gravedad debida a la tierra.
- La velocidad inicial debe ser cero.
- El objeto caerá bajo una aceleración constante debido a la gravedad.
Pregunta 3: ¿Cuál es la altura a la que se deja caer una pelota si tarda 9 segundos en llegar al suelo? ¿La masa de la pelota es un factor importante para obtener la altura?
Solución:
La fórmula para la altura de la pelota,
h = 1/2( gt2 )
Dado que la fórmula no incluye la masa, por lo tanto, el valor de la masa de la pelota no es importante para encontrar el valor de la altura de la pelota.
h = 1/2 (9,8 × 81)
h = 396,9 metros
Pregunta 4: ¿Cuál era la altura de un objeto cuando la velocidad obtenida por el objeto es de 10 m/seg?
Solución:
La fórmula de la ecuación de movimiento utilizada aquí,
v= 2gh
10 = 2 × 9,8 × h
h= 0,51 metros
Pregunta 5: ¿Cuáles son ejemplos reales de caída libre?
Responder:
Ejemplo de la vida real de un cuerpo en caída libre,
- Una nave espacial sin propulsión (en el espacio, no se experimenta resistencia del aire)
- Un objeto que cae desde la parte superior de un tubo de caída (no tiene aire).