Volver a la portadaFísica · 3.er año de Educación Media General · Cambiar asignatura
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3er año · Física
Contenidos complementarios de Física de 3.er año · Fricción, calentamiento global y aberraciones ópticas

Movimiento de caída libre

En el Parque Los Caobos de Caracas, Valentina deja caer a la vez una piedra pequeña y una hoja de papel arrugada. ¿Cuál llega primero al suelo? ¿Y si la piedra fuera diez veces más pesada? Al final de esta página tendrás la respuesta, y sabrás calcular cuánto tarda en caer una naranja o hasta dónde sube una pelota lanzada hacia arriba.

Qué es la caída libre

Un objeto está en caída libre cuando sobre él actúa solo su peso: se desprecia el aire y cualquier otra fuerza. No importa si se suelta, se lanza hacia arriba o hacia abajo: mientras solo lo jala la gravedad, está en caída libre.

Es un caso particular del M.R.U.V. (movimiento rectilíneo uniformemente variado): la aceleración es constante. Cerca de la superficie de la Tierra vale:

¿Por qué no depende de la masa? Un cuerpo más pesado es jalado con más fuerza ($P = m \cdot g$), pero también tiene más inercia: cuesta más acelerarlo. Los dos efectos se compensan y la aceleración es la misma ($a = P/m = g$).

Entonces, ¿por qué una hoja de papel cae más lento que una piedra? Por el aire: lo frena más cuando la superficie es grande y plana. Si arrugas la hoja, el frenado disminuye y cae casi igual que la piedra. En el vacío, una pluma y una piedra caen juntas.

Dos objetos de masas distintas soltados a la vez recorren la misma distancia en cada intervalo de tiempo masa pequeña masa grande 1 s 2 s 3 s

Fíjate en que la separación entre posiciones sucesivas crece: la velocidad aumenta, y lo hace igual para ambos.

Practica★☆☆Sin empezar
Explica qué significa que un objeto esté en caída libre. Indica cuál es su aceleración y si esta depende de la masa del objeto cuando se desprecia el aire.

Explica qué significa que un objeto esté en caída libre. Indica cuál es su aceleración y si esta depende de la masa del objeto cuando se desprecia el aire.

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Ecuaciones de la caída libre

Como es un M.R.U.V., usamos sus ecuaciones cambiando $a$ por $g$. Elegimos el sentido hacia abajo como positivo para un objeto que cae, y así $g = +9{,}8\ \text{m/s}^2$:

$$v = v_0 + g\cdot t \qquad\qquad h = v_0\cdot t + \tfrac{1}{2}\, g\cdot t^2$$

Aquí $h$ es la distancia recorrida hacia abajo y $v_0$ la velocidad inicial. Si el objeto se suelta desde el reposo, $v_0 = 0$ y queda:

$$v = g\cdot t \qquad\qquad h = \tfrac{1}{2}\, g\cdot t^2 \qquad\qquad v^2 = 2\cdot g\cdot h$$

La tercera relación no usa el tiempo: sirve cuando conoces la altura y quieres la velocidad.

Tiempo (s) $v = 9{,}8\,t$ (m/s) $h = 4{,}9\,t^2$ (m)
1 9,8 4,9
2 19,6 19,6
3 29,4 44,1

La velocidad crece de forma pareja (cada segundo suma 9,8 m/s), pero la distancia crece con el cuadrado del tiempo.

Practica★☆☆Sin empezar
Una piedra se suelta desde el reposo desde lo alto de un puente. Calcula su velocidad al cabo de 3 s de caída, usando $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$.

Una piedra se suelta desde el reposo desde lo alto de un puente. Calcula su velocidad al cabo de 3 s de caída, usando $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$.

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Practica★★☆Sin empezar
Una naranja cae desde la rama de un árbol de 5 m de altura, partiendo del reposo. Calcula el tiempo que tarda en llegar al suelo y la velocidad con que lo golpea. Usa…

Una naranja cae desde la rama de un árbol de 5 m de altura, partiendo del reposo. Calcula el tiempo que tarda en llegar al suelo y la velocidad con que lo golpea. Usa $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$.

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Practica★★☆Sin empezar
Se deja caer un objeto desde un edificio y tarda 2,5 s en llegar al suelo. Calcula la altura del edificio. Luego indica qué pasaría con el tiempo de caída si el objeto…

Se deja caer un objeto desde un edificio y tarda 2,5 s en llegar al suelo. Calcula la altura del edificio. Luego indica qué pasaría con el tiempo de caída si el objeto tuviera el doble de masa, despreciando el aire.

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Lanzar hacia abajo

Si en vez de soltar el objeto lo lanzas hacia abajo, parte con $v_0 \ne 0$. Las ecuaciones son las generales, con $v_0$ positiva (hacia abajo):

$$v = v_0 + g\cdot t \qquad\qquad h = v_0\cdot t + \tfrac{1}{2}\, g\cdot t^2$$

Llegará antes que otro soltado desde la misma altura, porque ya empieza con velocidad.

Practica★★★Sin empezar
Luis lanza una piedra verticalmente hacia abajo desde un puente con una velocidad de $5\ \text{m/s}$, y la piedra llega al agua en 2 s. Calcula la altura del puente y la…

Luis lanza una piedra verticalmente hacia abajo desde un puente con una velocidad de $5\ \text{m/s}$, y la piedra llega al agua en 2 s. Calcula la altura del puente y la velocidad con que la piedra llega al agua. Luego calcula cuánto habría tardado si simplemente se hubiera soltado desde el reposo y explica la diferencia. Usa $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$.

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Lanzar hacia arriba

Cuando Gabriela lanza una pelota hacia arriba, esta sube cada vez más lenta, se detiene un instante arriba y luego baja cada vez más rápido. La aceleración es siempre $g$ hacia abajo, también en el punto más alto: lo que cambia es la velocidad.

Ahora conviene tomar el sentido hacia arriba como positivo. Entonces $v_0 > 0$ y la aceleración es $-g$:

$$v = v_0 - g\cdot t \qquad\qquad y = v_0\cdot t - \tfrac{1}{2}\, g\cdot t^2 \qquad\qquad v^2 = v_0^2 - 2\cdot g\cdot y$$

En el punto más alto $v = 0$. De ahí salen dos resultados útiles:

$$t_{\text{subida}} = \frac{v_0}{g} \qquad\qquad h_{\text{máx}} = \frac{v_0^2}{2\cdot g}$$ Pelota lanzada hacia arriba: la velocidad disminuye al subir, es cero en el punto más alto y aumenta al bajar; la aceleración siempre apunta hacia abajo sale con v₀ v = 0 (arriba) a = g, hacia abajo sube baja

Hay una simetría útil: sin aire, la pelota tarda en bajar lo mismo que en subir hasta un mismo nivel, y al pasar por una altura cualquiera baja con la misma rapidez (módulo) con que subió por ella.

Practica★☆☆Sin empezar
Sebastián lanza una pelota verticalmente hacia arriba. Indica cuánto vale la velocidad de la pelota en el punto más alto de su trayectoria y cuánto vale su aceleración…

Sebastián lanza una pelota verticalmente hacia arriba. Indica cuánto vale la velocidad de la pelota en el punto más alto de su trayectoria y cuánto vale su aceleración en ese mismo instante. Justifica tu respuesta.

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Practica★★☆Sin empezar
Gabriela lanza una pelota verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de $14\ \text{m/s}$. Calcula el tiempo que tarda en alcanzar su altura máxima y el valor…

Gabriela lanza una pelota verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de $14\ \text{m/s}$. Calcula el tiempo que tarda en alcanzar su altura máxima y el valor de esa altura. Usa $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$.

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Practica★★★Sin empezar
Desde el borde de una azotea de 40 m de altura, María José lanza una pelota verticalmente hacia arriba con $10\ \text{m/s}$. Calcula la altura máxima que alcanza sobre…

Desde el borde de una azotea de 40 m de altura, María José lanza una pelota verticalmente hacia arriba con $10\ \text{m/s}$. Calcula la altura máxima que alcanza sobre el suelo, el tiempo total hasta que toca el suelo y la velocidad con que lo golpea. Analiza por qué la velocidad al pasar de nuevo por el borde de la azotea, bajando, tiene la misma magnitud que la inicial. Usa $g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^2$.

Resolver

Resumen

Vuelve al principio: la piedra y la hoja arrugada llegan casi a la vez porque la gravedad acelera igual a todos; la diferencia, cuando la hay, la causa el aire. Una piedra diez veces más pesada tardaría lo mismo.

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