El estudio del comportamiento de los objetos físicos en caída libre es un tema interesante. Su historia, sus leyes fundamentales, sus ecuaciones principales constituyen un aporte valioso en la Física por la característica de movimiento ideal y de notable practicidad que se manifiesta continuamente en el espacio y el tiempo.
El término caída libre es una expresión aplicado tanto a los cuerpos que ascienden como a los que descienden. La caída libre es un movimiento de aceleración constante.
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Definición de caída libre
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El aprendizaje de las cualidades del movimiento de objetos físicos debe empezar con el estudio de la caída libre. El ejemplo más común de movimiento con aceleración constante es el de un cuerpo que cae en dirección a la Tierra. Al dejar caer un cuerpo desde una gran altura se tendrá que al comienzo el movimiento es uniformemente acelerado, siendo la velocidad muy pequeña y como consecuencia lo será también la resistencia del aire (R).
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| Leyes fundamentales de la caída libre |
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Caída libre y Velocidad Un objeto al dejarse caer comienza su caída muy lentamente, pero aumenta su velocidad constantemente, acelera con el tiempo. Su velocidad aumenta a una razón constante. La velocidad de un objeto que cae desde un lugar elevado aumenta cada segundo una cantidad constante.
Al comienzo -- 0 (cero)
después de 1 segundo -- g (m/seg)
después de 2 segundos -- 2.g (m/seg)
después de 3 segundos -- 3.g (m/seg)
después de t segundos -- t.g = g.t (m/seg)
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La rapidez instantánea de un objeto que cae libremente desde el reposo es igual al producto de la aceleración por el tiempo de caída. En notación abreviada.
Caída libre y distancia recorrida
La distancia que viaja un objeto uniformemente acelerado es proporcional al cuadrado del tiempo. Para el caso de un cuerpo en caída libre se expresa como:
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Donde:
y distancia recorrida o altura.
t tiempo de caída.
Así por ejemplo dos objetos de masas diferentes, que se dejan caer sobre una altura “y” llegan al suelo en el mismo tiempo.
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Leyes fundamentales de la Caída Libre:
a)Todo cuerpo que cae libremente tiene una trayectoria vertical
b) La caída de los cuerpos es un movimiento uniformemente acelerado
c)Todos los cuerpos caen con la misma aceleración.
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Hasta aquí se ha considerado objetos que se desplazan directamente hacia abajo por efecto de la gravedad.
Ahora bien, cuando se lanza un objeto hacia arriba se sigue moviendo en esa dirección durante cierto tiempo, al cabo del cual vuelve a bajar.
En el punto más elevado, cuando el objeto cambia su dirección de movimiento la rapidez instantánea es cero. Entonces empieza a moverse hacia abajo como si se hubiese dejado caer desde el reposo y a esa altura.
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El término caída libre, es aplicado tanto al movimiento de descenso como de ascenso, sólo que para ascender es necesario proporcionarle al campo una velocidad inicial y al descender puede ser que la velocidad inicial es cero.
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| Ecuaciones del movimiento de caida libre |
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Las ecuaciones del movimiento de un objeto que se mueve en dirección vertical bajo la acción de la fuerza de gravedad son las mismas del movimiento con aceleración constante, cambiando  por  , y por 
Los símbolos en la ecuación tienen un significado específico:
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Características conceptuales.
El uso de estas cuatro ecuaciones se puede ayudar con una comprensión apropiada de lascaracterísticas conceptuales del movimiento de objetos en caída libre.
Ejemplo
Se deja caer un objeto desde la parte superior de una ventana que está a una altura de 8,52 m. Determinar el tiempo requerido para el objeto tocar el piso.
Solución
Primer paso: Construir un diagrama informativo de la situación física.
Segundo paso: Identificar la información conocida en forma de variable. En el ejemplo solamente hay un dato explícito: 8,52 m; el resto de información debe ser extraída de acuerdo al entendimiento de los principios de la caída libre. La distancia o altura (y) es –8,52 m. El signo negativo (-) indica el desplazamiento del objeto es hacia abajo.
La velocidad inicial (Vo) puede deducirse como 0 m/seg .
La aceleración de la gravedad (g) se puede tomar como –9,8 m/seg2.
Tercer paso: Identificar la variable desconocida
| Diagrama: |
Datos: |
Encontrar: |
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vo = 0,0 m/seg
y = –8,52 m
a =g =–9,8 m/seg 2
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t = ?
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Cuarto paso: Determinar la ecuación que nos permite encontrar cantidad o magnitud desconocida.
Quinto paso: Sustituir los valores conocidos. Se resuelve la ecuación utilizando propiedades algebraicas para encontrar el resultado final
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-8,52 m = (0 m/s).(t) + 0.5.(-9,8 m/seg2 ).(t)2
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| -8,52 m = (0 m) .(t ) + (-4,9 m/seg2).(t)2 |
| -8,52 m = (-4,9 m/seg2 ).(t)2 |
| (-8.52 m)/(-4,9 m/seg2) = t2 |
| 1,739 seg2 =t 2 |
| t = 1,32 seg = 1,3 seg |
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Interacciones
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Todos los objetos físicos del universo están en una situación de intercambio de “acciones” de uno sobre otros y viceversa. Esas acciones mutuas se denominan interacciones. La Física es la ciencia de las interacciones, por eso es importante establecer sus semejanzas y diferencias. El universo es un mundo de interacciones y existe debido a que las partículas fundamentales interactúan, ya sea porque decaen o se aniquilan, o bien porque responden a una fuerza debida a la presencia de otra partícula (por ejemplo, durante una colisión). Todas las fuerzas del mundo se pueden explicar a través de las interacciones.
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Leyes de Newton
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El inglés Isaac Newton formuló y desarrolló una potente teoría acerca del movimiento, según la cual las fuerzas que actúan sobre un cuerpo producen un cambio en el movimiento de dicho cuerpo . Newton, uno de los más grandes físicos de la historia, formuló tres leyes, enunciadas en 1687 y hacen referencia al movimiento de los cuerpos. La primera es la ley de inercia, la segunda es la relación entre fuerza y aceleración, y por último la ley de acción y reacción. Para los fenómenos de la vida diaria, esas tres leyes del movimiento son la piedra angular de la dinámica .
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Algunos de sus conceptos, como el espacio, el tiempo, la inercia, la fuerza, plantean interrogantes profundos y complejos acerca de la naturaleza del mundo físico. El propósito es presentar las leyes de Newton de manera simple, usando una notación matemática moderna, enfocando la atención hacia la enseñanza de su aplicación coherente y ordenada, lo que permitirá al estudiante adquirir destreza y comprensión de una teoría, de un modelo físico-matemático.
Primera Ley de movimiento de Newton (Ley de Inercia)
Newton complementó los trabajos realizados por Galileo en lo referente a la relación entre fuerza y movimiento. Galileo trabajó sobre el movimiento que realizaban los cuerpos en una superficie horizontal, una vez se les daba cierto impulso. Newton repitió dichos experimentos y descubre que cuanto más lisas son las superficies, tanto más lejos se deslizará el cuerpo antes de llegar al reposo ( V = 0), una vez que se hubiese dado el mismo impulso. O sea, cuanto más lisas son las dos superficie en contacto tanto menos se desacelera el objeto y tanto más débil es la fuerza de fricción que actúa sobre él.
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Primera ley de Newton
En ausencia de la acción de fuerzas (si existen, su resultante es nula), un cuerpo en reposo continuará en reposo, y uno en movimiento se moverá en línea recta y con velocidad constante, es decir Movimiento rectilíneo uniforme (MRU).
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Algo muy importante acerca de esta primera ley de Newton es lo relativo a los sistemas de referencias.
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Un cuerpo en reposo sólo estará en reposo en ciertos sistemas de referencia. En otros se estará moviendo. En ciertos sistemas se estará moviendo a velocidad constante, mientras que en otros se acelerará.
La primera ley de Newton no se cumple en todos los sistemas de referencia. Para que ésta sea válida el movimiento del objeto debe ser referido a un sistema muy especial, llamado sistema inercial .
Segunda ley del movimiento de Newton (Ley de la fuerza)
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En un comienzo, Newton definió la masa como la cantidad de materia de un cuerpo. Sin embargo, con el tiempo, esto quedó mejor explicado como la medida de la inercia de un cuerpo ; es decir, la resistencia del cuerpo a cambiar su estado. Es importante tener claro que a mayor masa, mayor inercia. Esto no tiene nada que ver con el peso, por el contrario, el peso se refiere a la fuerza de gravedad sobre un cuerpo y es igual al producto de su masa y la aceleración de gravedad.
El peso variará dependiendo del lugar donde se encuentre, mientras que la masa será siempre constante aunque cambie su forma.
Tercera ley del movimiento de Newton. (Ley de acción y de reacción)
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Los conocimientos sobre interacciones entre cuerpos son una buena base para estudiar la tercera ley de Newton. La acción de una fuerza sobre un cuerpo no se puede manifestar sin que haya otro cuerpo que la provoque. De esto se deduce que del resultado de una interacción aparecen dos fuerzas, es decir, que las fuerzas se presentan por pares, lo que hace imposible la existencia de una sola fuerza en la naturaleza.
La acción de un objeto sobre otro está siempre acompañada por una reacción del segundo cuerpo sobre el primero. La tercera ley de Newton
indica claramente como se relaciona las fuerzas
en una interacción.
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Cantidad de movimiento
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La cantidad de movimiento o momento lineal se refiere a objetos en movimientos y es una magnitud vectorial que desempeña un papel muy importante en la segunda ley de Newton. La cantidad de movimiento combina las ideas de inercia y movimiento. También obedece a un principio de conservación que se ha utilizado para descubrir muchos hechos relacionados con las partículas básicas del Universo. La ley de la conservación de la cantidad de movimiento y la ley de la conservación de la energía, son las herramientas más poderosas de la mecánica. La conservación de la cantidad de movimiento es la base sobre la que se construye la solución a diversos problemas que implican dos o más cuerpos que interactúan, especialmente en la comprensión del comportamiento del choque o colisión de objetos.
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Ley de gravitación universal
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Después del enunciado de las leyes del movimiento, la segunda contribución de Isaac Newton (1642-1727) a la física fue la formulación de la Ley de Gravitación Universal. Esta ley predice la interacción atractiva entre dos cuerpos, planetas o pequeñas partículas, la cual produce un movimiento que concuerda con la descripción dada por las leyes de Kepler. El descubrimiento realizado por Newton de la Ley de Gravitación Universal implica que todos los objetos se atraen unos a otros con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Al someter a una sola ley matemática los fenómenos físicos más importantes del universo observable, Newton demostró que la física terrestre y la física celeste son una misma cosa. El objetivo es entender que la gravedad es universal.
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Energía
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El concepto de energía es uno de los más importantes tanto en la ciencia contemporánea como en la práctica de la ingeniería. El término energía es relativamente reciente pero hoy se encuentra no sólo en todas las ramas de la ciencia, sino en casi todos los aspectos de la sociedad humana. Es evidente que la energía desempeña un papel importante en el mundo actual, lo cual justifica su estudio. El Sol da energía en forma de luz, los alimentos contienen energía y ésta mantiene la vida. La energía es quizás, el concepto científico más popular; con todo, es uno de los más difíciles de definir.
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Trabajo y potencia mecánica
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Los cambios en el movimiento de los objetos están relacionados con la fuerzas y con el tiempo durante el cual se ejercen. Pero también se pueden considerar fuerza con la distancia y es cuando se habla de una cantidad denominada Trabajo. Este término tiene un significado en Física muy diferente a su significado cotidiano. Posteriormente se plantea la relación energía-trabajo. También se define el concepto de potenciaque relaciona el trabajo y el tiempo. Finalmente se concluye con los aspectos más importantes de laenergía mecánica en particular porque representa la suma de la energía cinética y la energía potencial de un sistema y que se mantiene constante en todos los puntos de una trayectoria.
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Ley de Hooke
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En la Física no sólo hay que observar y describir los fenómenos naturales, aplicaciones tecnológicas o propiedades de los cuerpos sino que hay explicarlos mediante leyes Físicas. Esa ley indica la relación entre las magnitudes que intervienen en el Fenómeno físico mediante un análisis cualitativo y cuantitativo. Con la valiosa ayuda de las Matemáticas se realiza la formulación y se expresa mediante ecuaciones, entregando como resultado una Ley. Por ejemplo, la Ley de Hooke establece que el límite de la tensión elástica de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza. Mediante un análisis e interpretación de la Ley de Hooke se estudia aspectos relacionados con la ley de fuerzas, trabajo, fuerzas conservativas y energía de Resortes . Los resortes son un modelo bastante interesante en la interpretación de la teoría de la elasticidad.
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Ley de Coulomb
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El físico francés Charles A. Coulomb (1736-1804) es famoso por la ley física que relaciona su nombre. Es así como la ley de Coulomb describe la relación entre fuerza, carga y distancia. En 1785, Coulomb estableció la ley fundamental de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas estáticamente. Dos cargas eléctricas ejerce entre sí una fuerza de atracción o repulsión. Coulomb demostró que la fuerza que ejercen entre sí dos cuerpos eléctricamente, es directamente proporcional al producto de sus masas eléctricas o cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
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Las cargas eléctricas originan influencias en el espacio físico que las rodea. Ese espacio que rodea una carga eléctrica es sede de un campo de fuerzas. El campo de fuerzas que sufre perturbaciones se denomina campo eléctrico o electrostático . Para medir el grado de perturbación que la carga ejerce en su entorno se emplea una magnitud física que se llamaintensidad del campo eléctrico  , que es la fuerza que la carga ejerce sobre la unidad de carga eléctrica positiva colocada en el punto que se considere. Se define la intensidad de un campo eléctrico como el cociente que resulta dividir la fuerza entre la carga de prueba.
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| En electrostática, todo objeto conductor se caracteriza por un potencial constante en todos sus puntos y dentro de él. La diferencia de potencial entre dos conductores cargados pueden acelerar cargas de prueba y, por eso el sistema almacena energía. Un condensador es un dispositivo que almacena energía porque almacena carga. Un par de conductores, separados ya sea por el espacio vacío o por un material no conductor (dieléctrico), forma un condensador. La capacidad es un parámetro de cada condensador que depende de su forma geométrica y del tipo de material utilizado para aislar eléctricamente las placas. Diversas formas de condensadores pueden mantener distintas cantidades de carga para una determinada diferencia de potencial o pueden mantener distintas diferencias de potencial para determinada cantidad de carga. |
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El concepto de voltaje o potencial en electricidad es similar al concepto de altura en la gravedad y el concepto de temperatura en termodinámica. La fuerza eléctrica al igual que la fuerza gravitacional, es consecuencia de las leyes fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas eléctricas conciernen a la interacción de una distribución de carga con otra carga. La energía potencial eléctrica es la energía de la distribución de la carga junto con la de una segunda carga. El potencial eléctrico tiene la misma relación con el campo eléctrico que la que tiene la energía potencial con la fuerza. La descarga de los rayos es una impresionante demostración de que hay energía en los campos eléctricos. Existe una gran diferencia de potencial entre la Tierra y las nubes, o entre nubes distintas, que provoca el rayo.
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La Electrodinámica es la parte de la electricidad que estudia las cargas eléctricas en movimiento a través de los conductores. El término corriente eléctrica o simplemente corriente, se emplea para describir la rapidez de flujo de carga que pasa por alguna región del espacio. El potencial eléctrico o voltaje es una especie de “presión eléctrica” capaz de producir flujo de carga, es decir una corriente dentro de un conductor. Cuando el flujo se lleva a cabo en una sola dirección es una corriente directa o continua; cuando el flujo va y viene es una corriente ALTERNA
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La ley de Ohm relaciona la corriente y el voltaje (diferencia de potencial) aplicado a una resistencia. Sin embargo, sólo en muy raras ocasiones se tiene una sola resistencia; En la práctica lo que se tiene son sistemas más o menos complejos compuestos de varias resistencias y otros elementos. En este caso particular se estudiará el caso más sencillo que es deasociación de resistencias . Alguna veces no todas las redes pueden reducirse a sencillas combinaciones serie-paralelo. Para resolver circuitos más complejos o redes eléctricas es necesario generalizar la ley de Ohm mediante lasreglas de Kirchhoff. El desarrollo de la tecnología relacionada con los circuitos eléctricos ha permitido un acelerado progreso industrial, pues facilitó el amplio uso de la energía eléctrica.
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El magnetismo está muy relacionado con la electricidad. El Electromagnetismo es la parte de la Física que estudia la relación entre corrientes eléctricas y campos magnéticos. Una carga eléctrica crea a su alrededor un campo eléctrico. El movimiento de la carga eléctrica produce un campo magnético. Toda carga eléctrica que se mueve en el entorno de un campo magnético experimenta una fuerza. Dos cargas eléctricas móviles, no sólo están sometidas a las fuerzas electrostáticas que se ejercen mutuamente debidas a su carga, sino que además entre ellas actúan otras fuerzas electromagnéticas que dependen de los valores de las cargas y de las velocidades de éstas.
Inducción Magnética de corrientes
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La fuente fundamental de un campo magnético es una carga eléctrica en movimiento. Dado que una corriente eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas en movimiento se puede deducir que el campo magnético de una corriente eléctrica es el resultado de la superposición de los campos magnéticos producidos por las cargas en movimiento que constituyen la corriente. El cálculo del campo magnético creado por una corriente de forma arbitraria es un tanto complejo de ahí que se considerará algunos casos sencillos. Las experiencias de Oersted y los ensayos de Biot, Savart y Ampère condujeron a una relación que puede utilizarse para calcular el campo magnético en cualquier punto del espacio entorno a un circuito que tenga corriente.
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| La ley de Ampère, es muy útil para calcular el campo magnético de configuraciones altamente simétricas que conducen corrientes estables. La ley de Biot-Savart, se usa para calcular el campo magnético producido en un punto por un elemento de corriente |
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