El rincón de la Ciencia

nº 53 (Marzo-2010)

 

Caída libre de los cuerpos (Al-25)

Samuel Marcos de Lucas, Javier Lorenzo Díaz, Jose Enrique Antón García, Iago Martínez Colmenero, Jesús Muñoz Bulnes, Pablo García Expósito, Javier Custodio Pérez, Víctor Manuel Espinosa Pastor.

Alumnos de 1º Bachillerato en el IES Victoria Kent (Torrejón de Ardoz)


 

¿Influye la masa en la caída libre de los cuerpos?

Cuando se dejan caer al suelo dos cuerpos de características idénticas excepto en la masa, la Física nos dice que caen a la vez; así lo indican las ecuaciones del Movimineto Rectilíneo Uniformemente Acelerado, que es el que tiene un cuerpo en caída libre, en las que no influye la masa. Aun así, como no nos fiamos de las hipótesis teóricas, decidimos comprobarlo experimentalmente.

En primer lugar, hay que tener en cuenta que para hacer el experimento se fijan las demás variables, buscando dos cuerpos que tengan el mismo volumen y misma forma y textura, cambiando únicamente la masa. Por ejemplo, podemos utilizar dos pelotas de tenis, que tienen el mismo volumen y son idénticas, y aumentamos la masa de una de ellas. La primera pelota no la modificamos. En la segunda pelota se abre un agujero con un cutter y se rellena de algún material. Se puede rellenar con cualquier cosa: tuercas, arroz, arena, etc. Después se cierra bien con cinta aislante, que a su vez permitirá diferenciar a las pelotas cuando las dejemos caer. Finalmente, se pesan ambas en la balanza, comprobando que la masa es significativamente diferente.

El experimento          

El experimento consistirá en dejar caer las pelotas simultáneamente desde un lugar alto, como un edificio, y observar cuál llega antes al suelo. Para los lanzamientos, el equipo se distribuye: uno deja caer las pelotas desde arriba mientras otros graban en vídeo el experimento. Para lanzar las pelotas a la vez se ha empleado una regla, de modo que las dos pelotas, colocadas en la barandilla de una ventana, son empujadas al mismo tiempo por ella. En uno de los vídeos se han dejado caer desde un primer piso, en otro desde un tercero, y por último desde un sexto piso.

En el primer vídeo, donde se dejan caer las pelotas desde la altura de un chalet:

  • Las pelotas se dejan caer desde unos 6,5 m de altura.

  • La pelota 1, sin alterar, tiene una masa de 60 g.

  • La pelota 2, rellenada, tiene una masa de 220 g.

   

En el segundo se emplean las mismas pelotas, que se dejan caer desde un 3º y un 6º piso.

  • La pelota sin alterar tiene una masa de 50 g.

  • La pelota rellenada de arena tiene una masa de 180 g.

  • En el segundo vídeo se dejan caer desde un tercer piso, a unos 12 m de altura.

  • En el tercer vídeo se dejan caer desde un sexto piso, a unos 24 m de altura.

Finalmente, podemos observar, gracias a los vídeos a cámara lenta, que la pelota con mayor masa siempre cae antes; de hecho, en uno de los vídeos se observa cómo al principio caen simultáneamente y la más pesada empieza a tomar ventaja, contrariamente a lo que pensábamos y la teoría predecía.

¿Por qué sucede esto?

Está claro que hay algún factor que se nos escapa, que no hemos contado en un principio, y que las ecuaciones teóricas, que definen el movimiento de forma ideal, no han tenido en cuenta. Este factor es el aire, dado que el aire ejerce un "empuje" sobre las pelotas y las frena.

¿Por qué se frena más la pelota ligera, que cae después, que la pelota pesada, que cae antes?

El rozamiento que puedan experimentar debido a la forma de las pelotas no puede ser, ya que ambas son idénticas excepto en la masa. La explicación a esto nos la da el Principio de Arquímedes. El aire de la atmósfera es un fluido, y las pelotas están sumergidas en él. El Principio de Arquímedes nos dice que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y ascendente igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Ambas pelotas tienen el mismo volumen, por lo que desplazarán el mismo aire y experimentarán el mismo empuje, pero al ser una más pesada que la otra, la misma fuerza de empuje no la consigue frenar tanto. Por eso, en uno de los vídeos observamos cómo empiezan a caer simultáneamente y, a medida que van bajando, la ligera se va frenando mientras la pesada le coge ventaja. Es el mismo principio por el que unos cuerpos flotan en el agua (y los demás fluidos) y otros no, dependiendo de si el empuje hidrostático que experimentan es suficiente o no para mantenerlos a flote, lo que depende de su densidad (Debe pesar más el volumen de fluido que desplazan que lo que pesa su propio volumen). Por tanto, al final deducimos que la pelota rellenada cae primero por ser más densa -tener el mismo volumen pero mucha más masa (y así pesar más) que la pelota sin alterar- y por tanto "flotar" menos en al aire.

Sin embargo, si el aire es lo que hace que la pelota pesada caiga antes, podemos pensar que en el vacío, sin la influencia del aire, todos los cuerpos caerán a la vez tal como predice la teoría, que dice que la masa no influye. En el siguiente vídeo se realiza este experimento con una pluma y una moneda en el vacío, sin rozamiento, y en la Luna.

http://www.youtube.com/watch?v=s5QcJfMH-es

Como se puede comprobar, caen justo a la vez.

 


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