La caída libre, se refiere al movimiento de un objeto que se desplaza bajo la única influencia de la gravedad, sin la intervención de fuerzas externas significativas.
En otras palabras, la caída libre se da cuando se deja caer un cuerpo desde cierta altura y la única fuerza que actúa sobre este es la fuerza gravitatoria, sin considerar la resistencia del aire.
Por ejemplo, si se dejan caer dos objetos de diferentes pesos (manzana y pelota de tenis), estos caen con la misma aceleración y el tiempo que ambos tardan en llegar al suelo es el mismo.
Pero, esto sólo sucede si los cuerpos no están afectados por la resistencia del aire y la fricción es despreciable.
En la gráfica, tanto la pelota como la manzana caen libremente por la acción gravitacional describiendo una trayectoria rectilínea hacia el centro de la tierra.
Ambos cuerpos presentan un movimiento de caída libre.
Características del Movimiento de Caída Libre
El movimiento de caída libre tiene varias características que permiten conocer su naturaleza y comprender cómo se comportan los objetos cuando son liberados en el aire bajo la influencia exclusiva de la gravedad.
A continuación, se presentan algunas de las características clave del movimiento de caída libre:
- Trayectoria vertical: Los cuerpos en caída libre siguen una trayectoria rectilínea, debido a la influencia exclusiva de la gravedad que actúa en la dirección vertical.
- Efecto de la gravedad: los objetos se desplazan únicamente bajo la influencia de la fuerza de gravedad en el vacío. Para la tierra la gravedad tiene un valor aproximado de 9,8 m/s2.
- Aceleración constante: La aceleración es constante para todos los objetos en caída libre, independientemente de su masa.
- Independencia de la masa: en este tipo de movimiento la aceleración o velocidad no son afectadas por la masa o forma del objeto. Esto se conoce como el principio de equivalencia entre la masa inercial y la masa gravitacional
- El roce del aire es despreciable: En el contexto de la caída libre, se asume que el objeto no está sujeto a la resistencia del aire.
- Aumento de la velocidad: en caída libre la velocidad del cuerpo aumenta en relación al tiempo transcurrido debido a la aceleración de la gravedad, es decir, el objeto en caída libre aumenta su velocidad a razón de 9,8 metros por segundo a cada segundo que transcurre.
- Velocidad inicial: se considera que la velocidad inicial es cero cuando se deja caer del reposo. Algunos consideran el lanzamiento vertical hacia abajo donde la velocidad inicial es diferente de cero.
- Velocidad final: se considera la velocidad que tiene el cuerpo al instante justo antes de tocar el suelo.
Fórmulas de Caída Libre
El movimiento de caída libre se considera como una variante del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado o variado y por tanto se rige por las ecuaciones del MRUA.
Velocidad en función del tiempo
Para calcular la velocidad en un instante determinado utilizando la fórmula:
Donde:
- V0: Velocidad inicial con la que cae el cuerpo.
- v: es la velocidad en metros por segundo (m/s).
- g: es la aceleración debido a la gravedad, medida en metros por segundo al cuadrado (m/s2).
- t: es el tiempo en segundos (s).
Si se considera la velocidad inicial igual a cero, entonces la fórmula quedaría:
La velocidad inicial afectará la velocidad y el tiempo de caída del objeto.
En el caso de no conocerse el tiempo, se puede utilizar la ecuación siguiente para hallar la velocidad:
Altura en función del tiempo
La altura a la que se encuentra un objeto en caída libre en un momento dado puede ser calculada mediante la fórmula
Donde, “h” es la altura expresada en metros.
Tiempo de caída
El tiempo necesario para que un objeto en caída libre alcance el suelo se puede determinar utilizando las siguientes fórmulas, en función de las variables conocidas:
Para ambos casos se considera que la velocidad inicial es cero (0).
Ejemplos de Caída libre
Ejemplo 1. Un cuerpo en reposo se deja caer y al cabo de 8 segundos toca el suelo. Hallar la altura desde la cual se lanzó el objeto.
Solución: se tiene como información que la velocidad inicial es igual a cero, la gravedad se ha establecido en 9,8 m/s2 y el tiempo de caída es de 8 segundos.
Utilizando la ecuación:
El objeto se deja caer de una altura de 313,6 metros.
Ejemplo 2. Considerando el ejemplo anterior, determinar la velocidad final del objeto.
Solución: Para este caso se emplea la fórmula:
La velocidad del cuerpo justo al instante de tocar el suelo es de 78,4 m/s.