Todos los años, cuando explico el tema dedicado al estudio del movimiento en 4º de ESO, y llegamos al asunto de la caída libre (el movimiento que tiene un objeto que, partiendo del reposo, se abandona a una determinada altura sobre la superficie terrestre) me encuentro con el conflicto entre lo que los profes llamamos ideas previas de los alumnos y la realidad de la física. Los alumnos, y todo el mundo, tenemos unas explicaciones sobre el funcionamiento de nuestro mundo natural, bien porque hayan sido aprendidas, deducidas o intuidas, según nuestra experiencia cotidiana, esto es lo que llamamos ideas previas.
Lo que suele ocurrir en las clases es, más o menos, lo siguiente:
Cuando comentamos que la trayectoria de un objeto que cae libremente es una línea recta no hay mucho problema, sólo hay que dejar caer algo para comprobarlo, aunque suele haber alguien que dice:
- Bueno si hay viento no, que se lo lleva...
Pero entonces no sería caída "libre". Aquí es donde hay que empezar a recordar que trabajamos considerando unas condiciones ideales.
¿Y cómo es la velocidad del objeto? Entonces ya hay algún problema. Algunos opinan, correctamente, que cada vez va más rápido y otros que siempre lleva la misma velocidad. Pero estos últimos se convencen rápidamente haciendo ver que el objeto parte del reposo, con una velocidad cero, y no alcanza instantáneamente esa supuesta velocidad constante. Otra forma de verlo es pensar que el mismo objeto te hará más daño si cae sobre tu cabeza desde una altura más alta que desde una más baja, y eso debe estar relacionado con su velocidad, que va aumentando.
Entonces explico que la Tierra atrae a todo lo que la rodea debido a la fuerza gravitatoria y como consecuencia de la acción de esta los cuerpos aceleran. Como aun no hemos visto el tema de las fuerzas, y mucho menos el de la gravitación, no podemos deducir el valor de esa aceleración de las fórmulas correspondientes, pero comento que podemos suponerla constante en las proximidades de la superficie terrestre y que su valor es de unos 9,8 m/s^2. Llamo la atención sobre la constancia de ese valor y de que es independiente de la forma del objeto o de lo que pese (su masa), con lo cual, cualesquiera dos objetos que dejemos caer en el mismo instante desde la misma altura irían cayendo con las mismas velocidades. Aquí es donde la hemos liado:
- ¡Eso no puede ser! Las cosas que pesan más caen más rápido que las que pesan menos. Si tiras una bola de hierro y una pluma la bola llega mucho antes al suelo, cayendo mucho más rápido.
Bien, esto es lo que habíamos llamado una idea previa, lo hemos visto desde pequeños, el lento movimiento de una pluma frente a la rápida caída de una piedra, que hace que relacionemos velocidad de caída con peso (masa). Entonces hay que recordar de nuevo que consideramos una situación ideal y en este caso la idealidad es que estamos despreciando la acción del aire sobre los cuerpos en caída libre. Para demostrar esta acción del aire dejo caer suavemente un folio de papel para reciclar, bien extendido, de forma que cae suavemente, planeando, balanceándose a un lado y a otro. Luego arrugo el folio hasta convertirlo en una bola de papel prensado y la dejo caer... Ahora va más rápida y en línea recta, ya se parece más a lo de la caída libre. En ambos casos era el mismo folio con la misma masa, ¿entonces? Cuando cae extendido su gran superficie hace que sea frenado más por el aire, cuando está hecho una bola su menor superficie de fricción con el aire hace que se frene mucho menos. Si no hubiera aire con el que interactuar tanto un folio arrugado como otro extendido caerían ambos con la misma velocidad, o ¡el folio extendido y una piedra!
Llegados a este punto aun sigue habiendo incrédulos (desterrar las ideas previas erróneas, muy arraigadas en nuestras mentes, es difícil), pero les digo que esto ya está demostrado desde hace mucho y que el mismo Galileo se entretuvo en estudiarlo y para no perder tiempo (el trimestre vuela y ya mismo se van a Londres o donde sea en viaje de "fin" de curso, con lo que perderemos otra semana), y aprovechando que casi todos creen a pie juntillas cualquier cosa que esté en internet, pido que vean los siguientes vídeos de Youtube, donde se llevan a cabo experimentos de caída de monedas y plumas en el vacío, y también el famoso experimento de los astronautas con la pluma y el martillo en la Luna.
En la caída libre real, en el aire, y si es desde una altura suficiente, llega un momento en que el objeto deja de acelerar. Para explicarlo recordemos lo que ocurre cuando sacamos una mano por la ventanilla de un coche en movimiento. Si la velocidad no es muy grande no notaremos nada al poner la palma de la mano perpendicularmente a la dirección de movimiento (salvo algo de fresquito) pero si el coche va muy rápido notamos cómo el aire empuja hacia atrás nuestra mano. Esto quiere decir que cuanto mayor sea la velocidad del objeto mucho mayor es esa fuerza de fricción con el aire.
Entonces sobre un objeto en caída;libre actúan dos fuerzas: la gravitatoria, tirando del objeto hacia el suelo, y la debida a la fricción con el aire, que lo va frenando, empujándolo hacia arriba. Como esta última va aumentando con la velocidad de caída llega un momento en que ambas se igualan y entonces el cuerpo deja de acelerar.
-¿Entonces se para en el aire? Pregunta alguien (demostrando que tiene otra idea previa, la de que es necesaria la existencia de una fuerza para que algo se mueva).
Deja de acelerar pero no se para, continúa con la velocidad que tenía en ese momento, es lo que se llama velocidad límite. Por ejemplo la velocidad límite de un paracaidista con brazos y piernas extendidos ronda los 200 km/h.
Por cierto, otro efecto del rozamiento de los objetos que se mueven a gran velocidad dentro del aire es el calentamiento de estos por la fricción. Si la velocidad es suficientemente grande pueden alcanzar temperaturas de miles de grados. Un ejemplo espectacular lo pudimos ver hace días con la caída del meteorito de los Urales:
