El experimento de Galileo Galilei

En la sesión de hoy, hemos corregido los ejercicios de ideas previas que realizamos en la pasada clase ya que cometimos errores al tener en cuenta aspectos como el viento o la fuerza de rozamiento para realizarlos, de los cuales debemos prescindir.

Por lo tanto, según esto último y tomando como ejemplo el primer ejercicio de la hoja de ejercicios sobre el movimiento en el que pregunta qué objeto llegará antes al suelo, si el que cae desde un globo o el que cae desde un avión que lleva una velocidad constante (ambos a la misma altura), la respuesta sería que llegan al suelo al mismo tiempo, pues no debemos tener en cuenta el espacio que recorre el objeto en dirección horizontal (en el caso del avión) antes de ser atraído por la fuerza de gravedad, ya que esto último sería si tuviese una fuerza que lo impulsa en el sentido del avión, la cual no existe; es decir, ambos caen de modo vertical al suelo y a la vez.

Para que esto último nos quedase más claro, hemos realizado experimentos, los cuales están fundamentados en el de Galileo Galilei. A todos nos han enseñado en el colegio que todos los cuerpos caen con la misma aceleración, independientemente de su peso. Esto es debido a que la fuerza de la gravedad es directamente proporcional a la masa del objeto. Un cuerpo con el doble de masa que otro, será atraído con el doble de fuerza, pero como la aceleración producida es igual a la fuerza dividida entre la masa, nos quedaría que es la misma para todos los objetos. De hecho, en el colegio también nos enseñaron que esa aceleración, a nivel del mar es de 9.8 m/s2 y se conoce normalmente como g.

Dice la leyenda que Galileo subió a lo alto de la torre Pisa y dejó caer dos objetos, siendo uno más pesado que el otro. Y comprobó que ambos objetos cayeron al suelo al mismo tiempo. Pero esto resulta imposible ya que a pesar de que la gravedad imprime la misma aceleración a todos los cuerpos, éstos no caen a la misma velocidad porque la gravedad no es la única fuerza que actúa sobre un cuerpo en caída libre. Existe otra fuerza muy importante que se opone a la caída, y es el rozamiento del aire. 

La fuerza de rozamiento del aire depende de la geometría del objeto, de la densidad del aire, y de la velocidad y no depende en absoluto de la masa del objeto. Estos dos últimos factores son los más importantes, pues nos permite razonar que si tenemos dos objetos de igual forma y tamaño pero de distinta masa, la fuerza debida al rozamiento del aire depende exclusivamente de la velocidad de caída.

Imaginemos que tenemos dos bolas del mismo tamaño, una de plomo y otra de corcho, y las dejamos caer desde cierta altura. En el instante en que las soltamos, la única fuerza que actúa sobre ellas es la gravedad, por lo que sufrirán la misma aceleración (9.8 m/s2), y caerán a la par. Pero desde el momento en el que empiezan a caer, aparece la fuerza de rozamiento del aire, que se opone al movimiento de caída. Al principio, como caen a la misma velocidad, la fuerza será igual para ambas. Pero como la aceleración es igual a la fuerza dividida entre la masa, eso quiere decir que la aceleración debida al rozamiento del aire será menor en la bola de plomo que en la de corcho. El efecto del rozamiento del aire frena más la bola de corcho que la de plomo, y por tanto esta última llegará antes al suelo.

De hecho, es el rozamiento del aire el que hace que en un momento dado un cuerpo en caída libre deje de acelerar. En efecto, si la fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la velocidad, ésta va aumentando a medida que el objeto acelera. El objeto irá acelerando cada vez menos, pero aumentando su velocidad, hasta que llegue un momento en el que la fuerza de rozamiento sea igual a la fuerza de la gravedad y el cuerpo caiga a velocidad constante.

De todos modos, cabe decir que si realizáramos el experimento de Galileo en una cámara de vacío, no hay duda de que todos los cuerpos caerían al mismo tiempo. Incluso una hoja de papel o una pluma caerían como un ladrillo.

Para dar por finalizada la explicación, os muestro un vídeo en el que se repite de forma gráfica y a través de diferentes experimentos lo dicho anteriormente: