Caída libre

La caída libre es un tipo de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado porque su desplazamiento se realiza en línea recta con una aceleración constante igual a la gravedad, lo que hace que la velocidad de los cuerpos que describen este movimientos aumente en el transcurso de su trayectoria.

La caída libre

En este movimiento, el móvil cae de forma vertical desde cierta altura sin ningún obstáculo. Es un tipo de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) o movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV) porque su aceleración es constante y coincide con el valor de la gravedad.

La gravedad

Al encontrarse cerca de la superficie terrestre, los cuerpos experimentan una fuerza de atracción que les confiere una aceleración. Cuando una manzana cae de un árbol lo hace por acción de dicha fuerza. En el caso de la Tierra, la gravedad puede considerarse constante y su dirección es hacia abajo. Generalmente se designa con la letra g y sus valores aproximados para algunos sistemas de medición son:

Sistema M.K.S → g = 9,8 m/s²

Sistema c.g.s → g = 980 cm/s²

Sistema inglés → g = 32 ft/s² (pies por segundo)

En algunas ocasiones la gravedad de la Tierra suele aproximarse a 10 m/s², pero el valor más usado en la resolución de problemas es el de 9,8 m/s².
En algunas ocasiones la gravedad de la Tierra suele aproximarse a 10 m/s², pero el valor más usado en la resolución de problemas es el de 9,8 m/s².
 En el movimiento de caída libre se considera que el rozamiento con el aire es despreciable.
En el movimiento de caída libre se considera que el rozamiento con el aire es despreciable.

Características del movimiento de caída libre

  • Es un tipo de movimiento uniformemente acelerado o variado.
  • Su trayectoria es vertical.
  • La altura inicial es mayor que la final.
  • La velocidad inicial es igual cero, es decir, el cuerpo se deja caer.

Ecuaciones de caída libre

Dónde:

Vo = velocidad inicial

Vf = velocidad final

h = altura

g = gravedad

t = tiempo

La velocidad inicial en este tipo de movimiento es igual a 0 m/s si el objeto se deja caer, por el contrario, si el objeto no se deja caer sino que se lanza, se le confiere una velocidad inicial diferente a 0 m/s.

Los paracaidistas describen un movimiento de caída libre hasta el momento en el que abren su paracaídas.
Los paracaidistas describen un movimiento de caída libre hasta el momento en el que abren su paracaídas.

Ejercicios

1.- Se deja caer desde la parte alta de un edificio una roca, la cual tarda 4 segundos en llegar al suelo. Determinar:

a) La altura del edificio.
b) La velocidad con la que impacta la roca al suelo.

Datos:

V0 = 0 m/s à la velocidad inicial es cero porque la roca se dejó caer.
t = 4 s

a) Para calcular la altura del edificio se debe emplear la ecuación número 4 mostrada anteriormente, ya que es la que involucra el término de altura.

El único dato no proporcionado es el valor de la gravedad, pero como se explicó anteriormente, la gravedad de la Tierra se aproxima a 9,8 m/s². Al sustituir los datos en la ecuación quedaría:

Recuerda simplificar las unidades iguales.

El edificio tiene una altura de 78,4 metros.

b) Para determinar la velocidad con la que impactó la roca al suelo se aplica la ecuación 1 de las fórmulas mostradas anteriormente.

Al sustituir los datos en la ecuación se tiene:

La roca golpeó el suelo con una velocidad de 39,2 m/s.

Otra forma de calcular la velocidad de impacto con el suelo es aplicar la fórmula 3, la cual involucra la altura, pero como se calculó ese valor en la primera parte (78,4 m) se puede aplicar. En caso de no conocer el valor de la altura, se debería aplicar la ecuación 1.

Como podrás observar, se obtuvo el mismo resultado que el obtenido con la ecuación 1.

2.- Desde lo alto de un balcón de 6 m se lanza hacia abajo una pelota con una velocidad inicial de 4 m/s. Determinar:

a) La velocidad final de la pelota.
b) El tiempo que tarda en llegar al suelo.

Datos:

h = 6 m
V0 = 4 m/s → La velocidad no es de 0 m/s porque la pelota no se dejó caer desde el reposo.

a) Para calcular la velocidad de la pelota se emplea la ecuación 3 porque no se ha calculado el tiempo aún.

La velocidad final de la pelota es aproximadamente igual a 11,56 m/s.

En el movimiento de caída libre, la velocidad aumenta de forma constante hasta que el cuerpo llega al suelo.
En el movimiento de caída libre, la velocidad aumenta de forma constante hasta que el cuerpo llega al suelo.

b) Para determinar el tiempo que la pelota emplea en llegar al suelo, se utiliza la ecuación 2.

El tiempo que tarda la pelota en llegar al suelo es aproximadamente igual a 0,77 segundos.

Otra forma de calcular el tiempo

Para los casos en los que se conoce la altura y la velocidad inicial se puede calcular el tiempo por medio de la ecuación 4, en este caso, se formaría una ecuación de segundo grado al sustituir los datos y de la cual se tomaría la raíz positiva.

En el problema anterior, al sustituir los valores en la ecuación 4 quedarían de la siguiente forma:

(Para efectos ilustrativos no se colocaron las unidades)

Organizando los términos en la ecuación quedaría de la siguiente forma:

4,9t2+4t6=0

Al calcular las raíces de la ecuación anterior se tienen:

t1 = 0,77 s (Es el valor verdadero y coincide con el que se calculó anteriormente)

t2 = -1,58 s (No se considera este valor ya que no hay tiempos negativos)

No todos los ejercicios siguen una misma metodología por ello debes reconocer muy bien los datos con los que cuentas y las ecuaciones que debes usar.

Tiro vertical

Los objetos lanzados verticalmente hacia arriba o hacia abajo, describen un movimiento denominado “tiro vertical” que se estudia en la cinemática y, al igual que los demás, se encuentra muy influenciado por la fuerza de gravedad. En este artículo abordaremos sus principales características.

Tiro vertical

Todos los cuerpos lanzados en el vacío sobre la Tierra en puntos próximos a su superficie caen con la misma aceleración, es la aceleración de la gravedad.

El valor aproximado de la gravedad es de 9,81 m/s².

Se denomina tiro vertical al movimiento hacia arriba o hacia abajo que describe una trayectoria vertical influenciada por la fuerza de gravedad. Los hay de dos tipos, de acuerdo a la orientación del móvil respecto a la gravedad.

Tiro vertical hacia abajo

Es aquel que se origina al lanzar un cuerpo hacia abajo con una velocidad inicial vdiferente de 0 y describe un movimiento uniformemente acelerado. Dicho movimiento se describe a continuación:

En la imagen se considera positiva a la dirección OA del eje del sistema de referencia usado y a partir de este las ecuaciones a utilizar en el tiro vertical hacia abajo son:

Dónde:

v= velocidad en cualquier punto de la trayectoria.

v0= velocidad inicial

g= gravedad

t= tiempo

y= altura

Las ecuaciones 1 y 2 permiten calcular la velocidad en cualquier punto, sin embargo, la primera depende del tiempo y la segunda de la altura.

Tiro vertical hacia arriba

Es una suma de dos movimientos, uno de subida que sería el tiro vertical hacia arriba en sentido estricto y otro hacia abajo que obedece al movimiento de caída libre. El tiro vertical hacia arriba describe un movimiento uniformemente retardado porque la aceleración va en el sentido opuesto al movimiento. Siempre tiene una velocidad inicial y a continuación se describen sus elementos principales:

Si se considera la dirección OA como positiva en nuestro sistema de referencia, la gravedad será negativa por ir en sentido contrario. De manera que las ecuaciones en función a este sistema de referencia quedarán expresadas para el tiro vertical de la siguiente manera:

El doble signo de la quinta ecuación (5) se refiere a que el valor de la velocidad que tiene el cuerpo al subir (v>0) es el mismo que cuando el cuerpo baja (v>0) en el mismo punto su trayecto. Lo mismo se cumple para el tiempo, es decir, el tiempo que el móvil tarda en alcanzar un punto del trayecto, es igual al tiempo que emplea en bajar desde dicho punto.

En la parte del tiro vertical hacia arriba en donde se describe el movimiento de caída libre se cumplen las ecuaciones:

Dónde:

h = altura de caída por efecto de la gravedad

 

En el movimiento de caída libre se cumple que  V0 = 0.

Altura máxima

En el caso del tiro vertical hacia arriba, desde el momento en el que el cuerpo es lanzado con una velocidad inicial, su velocidad descenderá gradualmente hasta llegar a 0, como resultado de la fuerza de gravedad. En el punto donde el móvil alcanzará su altura máxima.

En sentido si se sustituye el valor de en la cuarta ecuación (4) se tiene que:

Si se despeja tiempo de la ecuación que se acaba de despejar se tiene:

Al sustituir la ecuación de tiempo despejada en la sexta ecuación (6) se obtiene:

Al resolver los términos semejantes se llega a la siguiente ecuación:

La ecuación obtenida corresponde a la ecuación de la altura máxima, para diferenciarla de otras alturas se expresa como hmax

De la ecuación anterior se obtiene la ecuación para calcular la velocidad inicial en función de la altura máxima del móvil:

Mientras mayor sea la velocidad inicial de un cuerpo lanzado verticalmente hacia arriba, mayor será su altura máxima.

Problemas resueltos

Una persona lanza una moneda verticalmente hacia abajo con una velocidad inicial de 8 m/s. Determinar:

  1. Su velocidad a los 3 segundos.
  2. La distancia que habrá descendido a esos 3 segundos.
  3. La velocidad después de haber descendido 13 metros.
  4. El tiempo en el que alcanzará el suelo, si la altura desde donde fue lanzada la moneda fue de 200 m.
  5. La velocidad con la que tocará el suelo.

Datos:

  1. Su velocidad a los 3 segundos.

Debido a que en el enunciado dicen que la moneda fue lanzada hacia abajo con una velocidad inicial mayor a cero, se trata de un problema de tiro vertical hacia abajo, por lo tanto se empleará la primera ecuación (1)v= v0+g.t para cuando t=3 s.

2. La distancia que habrá descendido a esos 3 segundos.

Se emplea la tercera ecuación (3) y=v0.t+ 1/2.g.t² donde se relaciona la distancia o altura del móvil respecto al punto desde donde es lanzado el móvil. En este caso v0 se calculó en el paso anterior y t es igual a 3 s.

3. La velocidad después de haber descendido 13 metros.

Se emplea la segunda ecuación de velocidad (2) v= v0²+ 2.g.y  porque es la que relaciona la altura con la velocidad.

4. El tiempo en el que alcanzará el suelo, si la altura desde donde fue lanzada la moneda fue de 200 m.

Se aplica la tercera ecuación (3), en este caso, el valor de y será de 200 m debido a que será la distancia total que recorrerá la moneda hasta caer al suelo, el tiempo que tarde en recorrer dicha distancia será el tiempo que empleará en alcanzar el suelo.

Para efectos de cálculos se omitirán las unidades, de manera que se obtiene la siguiente ecuación de segundo grado:

Al resolver la ecuación de segundo grado se obtienen dos raíces. Como el tiempo nunca es negativo, se toma la raíz positiva.

Por lo tanto el tiempo en el que la moneda alcanzará el suelo será a los 5,621 s.

Para saber más sobre cómo resolver una ecuación de segundo grado puedes visitar el siguiente enlace: http://elbibliote.com/resources/Temas/html/468.php

5. La velocidad con la que tocará el suelo.

Se aplica la primera ecuación (1) v = v0+g.t pero se debe considerar el tiempo igual al tiempo que tarda la moneda en alcanzar el suelo y que se calculó en el paso anterior.

Un beisbolista lanza la pelota verticalmente hacia arriba, si tardó 2,40 s en alcanzar su máxima altura. Determinar:

  1. La rapidez inicial.
  2. La altura máxima que alcanza en ese tiempo.
  3. La velocidad en el primer segundo.
  4. La velocidad en t=3 s

Datos:

  1. La rapidez inicial.

Para calcular la rapidez inicial o velocidad inicial se emplea las ecuaciones de tiro vertical hacia arriba, específicamente la cuarta ecuación (4). En este pudo se debe considerar que al encontrarse la pelota en su máxima altura su velocidad es 0, por lo tanto v = 0 m/s.

Al sustituir la ecuación se obtiene:

Se despeja de la ecuación:

2. La altura máxima que alcanza en ese tiempo.

Se aplica la ecuación de altura máxima (11)  Y se obtiene:

3. La velocidad en el primer segundo.

Como piden la velocidad al primer segundo, se debe aplicar la cuarta ecuación (4) v= v0-g.t para t=1 s

4. La velocidad en t=3 s

Como la pelota alcanza su altura máxima a los 2,40 s, para tiempo posterior a este la pelota describirá un movimiento de caída libre como se explicó anteriormente. Por lo tanto, para calcular la velocidad a los 3 s se emplea la novena ecuación v = g.t. Se debe considerar que el tiempo será medido a partir del punto en donde alcanza la altura máxima. Por tal motivo, el tiempo a usar será igual a los 3 s menos 2,40 s, es decir, 0,6 s