Caída vertical
Introducción
La caída vertical — o caída libre — es el caso más simple de movimiento bajo la acción de la gravedad: un objeto soltado desde el reposo y arrastrado en línea recta hacia abajo. Es el experimento básico que conecta la experiencia cotidiana (soltar cosas) con la segunda ley de Newton y el concepto de aceleración gravitatoria. Entender la caída libre es esencial antes de abordar cualquier trayectoria más compleja, porque aísla la fuerza que domina la mayor parte de la mecánica clásica.
La física explicada
En el vacío, todos los objetos caen exactamente al mismo ritmo sin importar su masa. Esa fue la gran intuición de Galileo, que cuestionó la creencia aristotélica de que los objetos más pesados caen más rápido. La razón es elegante: aunque un objeto más pesado experimenta una fuerza gravitatoria mayor, también tiene más inercia que se resiste a esa fuerza. Los dos efectos se cancelan perfectamente y dejan la misma aceleración — 9,8 m/s² — para todo objeto cerca de la superficie de la Tierra.
En la realidad hay aire, y el aire ejerce una fuerza de arrastre que se opone al movimiento. El arrastre depende de la velocidad (los objetos más rápidos sienten más arrastre), del área transversal del objeto y de un coeficiente de arrastre que captura la forma y la textura de la superficie. A medida que un objeto se acelera hacia abajo, el arrastre crece hasta equilibrar exactamente a la gravedad. En ese punto, la aceleración llega a cero y el objeto cae a una rapidez constante llamada velocidad terminal. Una pluma alcanza la velocidad terminal casi de inmediato; una bala de cañón apenas la siente.
La masa importa cuando hay arrastre: un objeto más pesado del mismo tamaño tiene el mismo arrastre pero mayor fuerza gravitatoria, así que tarda más en alcanzar la velocidad terminal y cae más rápido que uno más liviano. Por eso una pelota pesada y una liviana del mismo tamaño caen al suelo en tiempos distintos en el aire, pero en simultáneo en el vacío.
Ecuaciones clave
Variables clave
| Símbolo | Nombre | Unidad | Significado |
|---|---|---|---|
| g | Aceleración gravitatoria | m/s² | 9,8 m/s² cerca de la superficie de la Tierra |
| m | Masa | kg | Masa del objeto en caída |
| v | Velocidad | m/s | Rapidez del objeto hacia abajo |
| t | Tiempo | s | Tiempo transcurrido desde la liberación |
| y | Distancia recorrida | m | Cuánto ha caído el objeto |
| F_arr | Fuerza de arrastre | N | Resistencia del aire que se opone al movimiento |
| ρ | Densidad del aire | kg/m³ | Densidad del aire circundante (~1,225 a nivel del mar) |
| Cd | Coeficiente de arrastre | adimensional | Factor de resistencia que depende de la forma |
| A | Área transversal | m² | Área proyectada del objeto frente al flujo del aire |
| v_terminal | Velocidad terminal | m/s | Rapidez constante alcanzada cuando el arrastre iguala a la gravedad |
Ejemplos del mundo real
- Paracaidismo: un paracaidista en posición de águila extendida alcanza la velocidad terminal cerca de 55 m/s (~200 km/h). Plegarse en posición de buceo reduce el arrastre y eleva la velocidad terminal por encima de 90 m/s.
- Velocidad de la lluvia: las gotas de lluvia caen a la velocidad terminal — típicamente 6–9 m/s — determinada por su tamaño. Sin arrastre, una gota que cayera desde 2 km te golpearía a más de 200 m/s.
- Caída del martillo y la pluma del Apollo 15: en la Luna sin aire, el astronauta David Scott soltó un martillo y una pluma a la vez. Ambos llegaron al suelo al mismo tiempo, confirmando la predicción de Galileo en el escenario más dramático posible.
Cómo funciona la simulación
La simulación suelta un objeto desde 50 m. Controlas dos deslizadores: masa (kg) y resistencia del aire. El deslizador de resistencia del aire ajusta el coeficiente de arrastre — en cero obtienes caída libre perfecta; valores más altos introducen arrastre cada vez más fuerte, frenando la caída y haciendo visible la velocidad terminal. Mira la lectura de velocidad: en caída libre sube de manera estable a 9,8 m/s por segundo; con arrastre sube y luego se estabiliza en la velocidad terminal. Comparar un objeto pesado y uno liviano con el mismo arrastre ilustra cómo la masa desplaza la velocidad terminal sin cambiar la física.
Lecturas adicionales
- Segunda ley de Newton y el concepto de fuerza neta — el marco formal detrás de F = ma
- Dinámica de fluidos y ley de Stokes — el arrastre a bajas velocidades y el papel de la viscosidad
- Variación de la gravedad con la altitud — cómo cambia g a medida que te alejas de la superficie de la Tierra