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

Velocidad en caída libre, sin arrastrev(t) = g · t
Distancia recorrida en caída libre, sin arrastrey(t) = ½ · g · t²
Fuerza de arrastre aerodinámicoF_arr = ½ · ρ · Cd · A · v²
Fuerza neta hacia abajo con arrastreF_net = m·g − F_arr
Aceleración en cualquier instantea = F_net / m
Velocidad terminalv_terminal = sqrt(2·m·g / (ρ·Cd·A))

Variables clave

SímboloNombreUnidadSignificado
gAceleración gravitatoriam/s²9,8 m/s² cerca de la superficie de la Tierra
mMasakgMasa del objeto en caída
vVelocidadm/sRapidez del objeto hacia abajo
tTiemposTiempo transcurrido desde la liberación
yDistancia recorridamCuánto ha caído el objeto
F_arrFuerza de arrastreNResistencia del aire que se opone al movimiento
ρDensidad del airekg/m³Densidad del aire circundante (~1,225 a nivel del mar)
CdCoeficiente de arrastreadimensionalFactor de resistencia que depende de la forma
AÁrea transversalÁrea proyectada del objeto frente al flujo del aire
v_terminalVelocidad terminalm/sRapidez constante alcanzada cuando el arrastre iguala a la gravedad

Ejemplos del mundo real


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