La caída libre se refiere a situaciones en física donde la única fuerza que actúa sobre un objeto es la gravedad.
Los ejemplos más simples ocurren cuando los objetos caen desde una altura dada sobre la superficie de la Tierra hacia abajo, un problema unidimensional. Si el objeto se lanza hacia arriba o se arroja con fuerza hacia abajo, el ejemplo sigue siendo unidimensional, pero con un giro.
El movimiento de proyectil es una categoría clásica de problemas de caída libre. En realidad, por supuesto, estos eventos se desarrollan en el mundo tridimensional, pero para fines de introducción a la física, se tratan en papel (o en la pantalla) como bidimensionales: x Los ejemplos de caída libre, por lo tanto, a menudo tienen valores negativos para el desplazamiento y. Quizás sea contradictorio que algunos problemas de caída libre califiquen como tales. Tenga en cuenta que el único criterio es que la única fuerza que actúa sobre el objeto es la gravedad (generalmente la gravedad de la Tierra). Incluso si un objeto se lanza al cielo con una fuerza inicial colosal, en el momento en que se suelta el objeto y, posteriormente, la única fuerza que actúa sobre él es la gravedad y ahora es un proyectil. Una propiedad única e interesante de la aceleración debido a la gravedad es que es la misma para todas las masas. Esto estuvo lejos de ser evidente hasta los días de Galileo Galilei (1564-1642). Esto se debe a que, en realidad, la gravedad no es la única fuerza que actúa cuando cae un objeto, y los efectos de la resistencia del aire tienden a hacer que los objetos más ligeros se aceleren más lentamente, algo que todos hemos notado al comparar la tasa de caída de una roca y una pluma. Galileo realizó ingeniosos experimentos en la "inclinada" Torre de Pisa, demostrando al arrojar masas de diferentes pesos desde lo alto de la torre que la aceleración gravitacional es independiente de la masa. Por lo general, está buscando determinar la velocidad inicial (v 0y), la velocidad final (v y) o qué tan lejos ha caído algo (y - y 0). Aunque la aceleración gravitacional de la Tierra es una constante 9.8 m /s 2, en otros lugares (como en la luna) la aceleración constante experimentada por un objeto en caída libre tiene un valor diferente. Para caída libre en uno dimensión (por ejemplo, una manzana que cae directamente de un árbol), use las ecuaciones cinemáticas en la sección Ecuaciones cinemáticas para objetos en caída libre. Para un problema de movimiento de proyectiles en dos dimensiones, use las ecuaciones cinemáticas en la sección Sistemas de movimiento y coordenadas de proyectiles. Todo lo anterior se puede reducir para los propósitos actuales a las siguientes tres ecuaciones. Estos están diseñados para la caída libre, de modo que los subíndices "y" pueden omitirse. Suponga que la aceleración, según la convención de física, es igual a −g (con la dirección positiva por lo tanto hacia arriba). v \u003d v 0 - gt Ejemplo 1: Un extraño animal en forma de pájaro flota en el aire 10 m directamente sobre tu cabeza , retándote a golpearlo con el tomate podrido que estás sosteniendo. ¿Con qué velocidad inicial mínima v 0 tendrías que tirar el tomate hacia arriba para asegurarte de que alcanza su objetivo de graznido? Lo que sucede físicamente es que la pelota se detiene debido a la fuerza de la gravedad justo cuando alcanza la altura requerida, entonces aquí, v y \u003d v \u003d 0. Primero, enumere sus cantidades conocidas: v \u003d 0, g \u003d –9.8 m /s2, y - y 0 \u003d 10 m Por lo tanto, puede usar la tercera de las ecuaciones anteriores para resolver: 0 \u003d v 0 2 - 2 (9.8 m /s 2) (10 m); v 0 * 2 v 0 \u003d 14 m /s Esto es aproximadamente 31 millas por hora. El movimiento de proyectiles implica el movimiento de un objeto en (generalmente) dos dimensiones bajo la fuerza de la gravedad. El comportamiento del objeto en la dirección xy en la dirección y se puede describir por separado al ensamblar la imagen mayor del movimiento de la partícula. Esto significa que "g" aparece en la mayoría de las ecuaciones requeridas para resolver todos los problemas de movimiento de proyectiles, no solo aquellos que involucran caída libre. Las ecuaciones cinemáticas necesarias para resolver problemas básicos de movimiento de proyectiles, que omiten la resistencia del aire: x \u003d x 0 + v 0xt (para movimiento horizontal) v y \u003d v 0y - gt y - y 0 \u003d v 0yt - (1/2) gt 2 v y 2 \u003d v 0y 2 - 2g (y - y 0) Ejemplo 2: Un temerario decide tratar de conducir su "coche cohete" a través de la brecha entre los tejados de los edificios adyacentes. Estos están separados por 100 metros horizontales, y el techo del edificio de "despegue" es 30 m más alto que el segundo (esto casi 100 pies, o tal vez 8 a 10 "pisos", es decir, niveles). Descuidando la resistencia del aire, ¿qué tan rápido necesitará ir cuando salga de la primera azotea para asegurarse de llegar a la segunda azotea? Suponga que su velocidad vertical es cero en el instante en que despega el automóvil. Nuevamente, enumere sus cantidades conocidas: (x - x 0) \u003d 100m, (y - y 0) \u003d - 30m, v 0y \u003d 0, g \u003d –9.8 m /s 2. Aquí, aprovecha el hecho de que el movimiento horizontal y el movimiento vertical se pueden evaluar de forma independiente. ¿Cuánto tiempo tardará el automóvil en caerse (para propósitos de movimiento en Y) 30 m? La respuesta viene dada por y - y 0 \u003d v 0yt - (1/2) gt 2. Completando las cantidades conocidas y resolviendo t: −30 \u003d (0) t - (1/2) (9.8) t 2 30 \u003d 4.9t 2 t \u003d 2.47 s Ahora conecte este valor a x \u003d x 0 + v 0xt: 100 \u003d (v 0x) (2.74) v 0x \u003d 40.4 m /s (aproximadamente 90 millas por hora). Esto quizás sea posible, dependiendo del tamaño del techo, pero en general no es una buena idea fuera de las películas de héroes de acción. La resistencia del aire juega un papel importante y poco apreciado en los eventos cotidianos, incluso cuando la caída libre es solo una parte de la historia física. En 2018, un jugador de béisbol profesional llamado Giancarlo Stanton golpeó una pelota lanzada con la fuerza suficiente para alejarla del plato a una velocidad récord de 121.7 millas por hora. La ecuación para la distancia horizontal máxima que puede alcanzar un proyectil lanzado, o ecuación de rango D \u003d v 02 sin (2θ) /g Basado en esto, si Stanton había golpeado el bola en el ángulo teórico ideal de 45 grados (donde sen 2θ está en su valor máximo de 1), ¡la bola habría viajado 978 pies! En realidad, los jonrones casi nunca alcanzan los 500 pies. Parte si esto se debe a que un ángulo de lanzamiento de 45 grados para un bateador no es ideal, ya que el campo está llegando casi horizontalmente. Pero gran parte de la diferencia se debe a los efectos de amortiguación de la velocidad de la resistencia del aire. Los problemas de física de caída libre dirigidos a estudiantes menos avanzados suponen la ausencia de resistencia del aire porque este factor introduciría otra fuerza que puede ralentizar o desacelerar objetos y necesitaría ser contado matemáticamente. Esta es una tarea mejor reservada para cursos avanzados, pero de todos modos es discutible aquí. En el mundo real, la atmósfera de la Tierra proporciona cierta resistencia a un objeto en caída libre. Las partículas en el aire chocan con el objeto que cae, lo que resulta en la transformación de parte de su energía cinética en energía térmica. Dado que la energía se conserva en general, esto resulta en "menos movimiento" o una velocidad descendente que aumenta más lentamente.
para derecha e izquierda ( con el derecho siendo positivo), y y
para arriba y abajo (con arriba siendo positivo).
La contribución única de la gravedad
Solución de problemas de caída libre
Ecuaciones cinemáticas para objetos en caída libre
y \u003d y 0 + v 0t - (1/2) gt 2
v 2 \u003d v 0 2 - 2g (y - y 0)
* \u003d 196 m 2 /s 2;
Movimiento de proyectiles y sistemas de coordenadas
Sacarlo del parque ... Muy lejos
(ver Recursos), es:
Resistencia del aire: cualquier cosa menos "insignificante"
