Ciències de la Naturalesa (nivell ESO)/Caiguda lliure

La caiguda lliure és la caiguda d'un cos en què únicament actua el seu propi pes i no hi ha fregament. Aquest fenomen es produeix quan els cossos cauen en el buit o quan el fregament amb l'aire gairebé no els afecta. En la pràctica, varia molt si un cos està afectat pel fregament o si cau en el buit.

Un experiment que es pot fer és deixar caure dins d'un tub una bola de metall, un tros de suro i un full de paper. Deixem caure els tres objectes consecutivament des de la boca del tub, i prenem nota del temps que tarda cada un d'ells en arribar al fons. Es veu una clara diferència en la velocitat del tres cossos: per una banda, la bola de metall té una petita superfície però una gran massa, és a dir, té una gran densitat, i per això es el que triga menys en arribar a la base del tub. El segon més ràpid seria el tros de suro que, amb superfície i massa petites, és menys dens que l'altre i per això triga més. Finalment, el full de paper seria el que necessitaria més temps per a arribar a la base del tub, ja que té una densitat molt baixa però una gran superfície.

Si aquest experiment es realitza fent el buit al tub s'obtindran resultats diferents: els tres cossos arribaran alhora pel fet que no existeix fregament i que la seva acceleració, i per tant el temps del recorregut, és independent de la seva massa.

En la caiguda lliure, tots els cossos pròxims a la Terra es mouen amb una acceleració constant, el valor de la qual és 9.81 $m/s^{2}$. Aquest valor es denomina "acceleració de la gravetat" i es simbolitza per una g. El valor 9.81 $m/s^{2}$ varia en els diferents punts de la superfície terrestre i disminueix amb l'altitud. Però com que no varia molt s'accepta 9.81 $m/s^{2}$ per a tots els punts situats al nivell del mar.

Amb el coneixement del valor g, podem saber la velocitat d'impacte d'un cos depenent del temps.

Galileu i l'estudi experimental de la caiguda lliure

En l'Antiga Grècia, aprox. 300 a. C, Aristòtil creia que els cossos més pesats arribaven abans al terra que els més lleugers si se'ls deixava caure des de la mateixa altura. Aquesta idea va persistir durant gairebé dues mil anys gràcies al gran prestigi d'Aristòtil com a filòsof. Va ser necessari esperar a homes com Giovanni Battista Benedetti o Simon Stevin per comprendre millor el fenomen, però sobretot van ser els treballs i el gran prestigi de Galileu Galilei (1564-1642) els que van permetre deixar enrere les idees d'Aristòtil. Segons Galileu, en deixar caure dos cossos, un de més pesat que l'altre, arribarien els dos al mateix temps i amb la mateixa velocitat al terra. Galileu no va arribar a aquestes conclusions simplement observant el fenomen i raonant, va realitzar diversos experiments amb plànols inclinats i amb diversos materials per recolzar les seves hipòtesis. En deixar caure cossos per plànols inclinats i anar variant la seva inclinació arribà a la conclusió, publicada el seu llibre Diàlegs Sobre les Dues Noves Ciències, que si s'elimina el fregament tots els cossos cauen amb la mateixa acceleració. Aquesta conclusió és aplicable a la caiguda lliure ja que no és més que un cas del plànol inclinat amb un angle de 90 graus, i en aquest cas es parla de Principi d'Equivalència de Galileu: el moviment en caiguda lliure de qualsevol objecte és independent de la seva composició i estructura. Una altra manera d'anunciar aquest principi és dir que la gravetat és de naturalesa purament geomètrica; el que determina la gravetat sobre un objecte és la seva posició dins del camp gravitatori, no importa com sigui l'objecte. Per tant tots els objectes en caiguda lliure estan sotmesos a la mateixa acceleració g i com aquesta és l'única que actua tots tenen el mateix tipus de moviment. A Galileu se'l considera el precursor del mètode experimental, una de les eines del mètode científic, revolucionant la forma de fer ciència i convertint-lo en un dels homes més importants de la història de la humanitat. Avui dia amb una simple campana de buit pot demostrar-se el fenomen. Ni més ni menys que a la mateixa Lluna l'astronauta David Scott, comandant del Apollo XV, va deixar caure un martell i una ploma. En absència d'aire els dos objectes van arribar al mateix temps al terra lunar.

La caiguda lliure és la caiguda d'un cos en què únicament actua el seu propi pes i no hi ha fregament. Aquest fenomen es produeix quan els cossos cauen en el buit o quan el fregament amb l'aire gairebé no els afecta. En la pràctica, varia molt si un cos està afectat pel fregament o si cau en el buit. En la caiguda lliure, tots els cossos pròxims a la Terra es mouen amb una acceleració constant, el valor de la qual és 9.81 m / s2. Aquest valor es denomina "acceleració de la gravetat" i es simbolitza per una g. El valor 9.81 m / s2 varia en els diferents punts de la superfície terrestre i disminueix amb l'altitud. Però com que no varia molt s'accepta 9.81 m / s2 per a tots els punts situats al nivell del mar.

$y=y_{0}+v_{0}t-{\frac {9,8t^{2}}{2}}$

$v=v_{0}-9,8t\$