Corporación Colegio San Bonifacio de las Lanzas.
Elaborado por: Laura Acosta, Camila Ángel y Juliana Mendoza.
Presentado a: Fredy Banguero Tafur
Materia: Física
Grado: 10 - A
Año: 2014
LA CAIDA LIBRE
EXPERIMENTOS
Experimento de Caída Libre 1: Dos cuerpos lanzados de una altura determinada. (Canica y Bola de Plastilina)
Propósito: En este experimento determinaremos que dos cuerpos caen al mismo intervalo de tiempo, con una altura determinada (50 cm, 1m, 1.5m, 2m) sin importar su masa. Calcularemos su velocidad final y el tiempo en el que duró en caer cada cuerpo, de esta manera comprobaremos si caen al mismo tiempo sin importar su masa.
Video 1:
- Cuerpo= Pelota de Plastilina.
- Altura= 50cm
Video 2:
- Cuerpo= Pelota de Plastilina.
- Altura= 1m
Video 3:
- Cuerpo= Pelota de Plastilina.
- Altura= 1.5m
Video 4:
- Cuerpo= Pelota de Plastilina.
- Altura= 2m
Video 5:
- Cuerpo= Canica.
- Altura= 50cm
Video 6:
- Cuerpo= Canica.
- Altura= 1m
Video 7:
- Cuerpo= Canica.
- Altura= 1.5m
Video 8:
- Cuerpo= Canica.
- Altura= 2m
Video 9:
- Ambos cuerpos son lanzados al mismo tiempo, desde una altura de 1m.
Y ahora... ¿Cómo determinaremos el tiempo y la velocidad final del experimento?
Como podemos ver, en todos los videos conocemos la altura en la que se encuentra el cuerpo antes de caer, y también distinguimos su velocidad inicial (la cual es 0, porque no aplicamos una velocidad inicial o lanzamos la pelota hacia abajo, solo la dejamos caer) Entonces... ¿Cómo calculamos el tiempo en que el cuerpo cae, y su velocidad final antes de llegar al suelo? Es muy simple. Podemos utilizar algunas de las formulas explicadas anteriormente, para encontrar estos datos.
Tabla de datos:
Desarrollo de las preguntas:
¿Por qué no podrías tener sexo en el espacio?
La gravedad cero "atascaría" los canales por dónde circulan los espermas o los óvulos.
Científicos de la Universidad de Montreal han descubierto qué pasaría si los humanos tuviéramos sexo en el espacio, en una investigación realizada con plantas. El estudio halló que la gravedad modula el tráfico en las carreteras intracelulares, que se aseguran del crecimiento y la funcionalidad del tubo polínico, órgano reproductor masculino en las plantas. Al igual que la reproducción humana, las células de espermas en plantas se entregan al huevo mediante una herramienta cilíndrica. A diferencia de la herramienta de reproducción en los animales, el dispositivo de las plantas sólo consta de una sola célula,
¿Por qué en el espacio serías más alto?
La disminución de gravedad provoca que los huesos de la columna vertebral se separen ligeramente, lo que ocasiona que los astronautas sean unos centímetros más altos. Sin embargo, el ser más grande en el espacio no es tan bueno.
En la Estación Espacial Internacional han confirmado que durante los primeros días en el espacio los astronautas experimentan molestias musculares en la espalda debido a este movimiento en su columna. Para mitigar los dolores, los astronautas tienen que ejercitarse por lo menos dos horas al día.
Imagínese que las vértebras en su espalda forman un resorte gigante. La fuerza de la gravedad lo mantiene enrollado firmemente. Cuando se libera de la fuerza el resorte se estira. En un astronauta, de la misma manera la columna se elonga en más de un 3%. Esto se debe a que hay menos gravedad comprimiendo las vértebras y entonces se pueden estirar más de 7.6 cm.
Independientemente de la razón de este alargamiento espinal, hay dos tipos de cambio vistos en la altura de un astronauta mientras esta en el espacio. El primer cambio sucede cuando el vehículo espacial entra en órbita. Ahí es donde la mayoría de la elongación sucede. El segundo es un cambio más pequeño, más gradual. Esta relajación de la espina eventualmente se detiene.
¿Cómo afecta a la vida la gravedad cero?
Charles Darwin fue el primer occidental que demostró que las plantas con raíces tienen sensores de gravedad: plomadas que les dan un sentido sobre lo que es arriba y abajo. Vuelca una maceta y verás que las raíces continúan creciendo hacia el centro de la Tierra. Cuando se crían en el espacio, las plantas echan raíces desorientadas que no consiguen el mejor acceso a los nutrientes y al agua.
La escasa producción de almidón es uno de los muchos efectos adversos de esto. Algunas semillas sembradas en microgravedad incluso producen plantas en las cuales los genes se expresan de forma diferente de la normal. Los animales sufren un montón de problemas si se les priva de gravedad... aunque todavía no sabemos la historia completa. “Durante medio siglo hemos llevado animales vivos al espacio, pero todavía tenemos que hacer que un mamífero experimente todo su ciclo vital allí”, dice el biólogo Richard Wassersug, de la Universidad Dalhousie en Halifax, Nueva Escocia, Canadá.
En el espacio, la capacidad pulmonar de los astronautas se reduce porque no hay gravedad que obligue al diafragma a bajar. Para empeorar las cosas, el hígado se emplaza más arriba en microgravedad, lo que reduce más el tamaño de los pulmones. Para un viaje corto, esto no supone un gran problema, pero ¿qué les pasaría a los bebés si nacieran en el espacio?
“No sabemos qué pasa si te desarrollas desde un bebé que gatea hasta un adulto con pulmones más pequeños”, dice Wassersug. “Hay muchas razones para creer que habría graves problemas que empezarían a manifestarse durante el crecimiento juvenil.”
Las cosas más sencillas son las más elocuentes: por ejemplo, no podrías toser para despejarte los pulmones. Como se ve, estas complicaciones podrían llegar a ser graves y peligrosas.
Además de los problemas reproductivos, la exposición prolongada a ambientes de microgravedad también tiene efectos secundarios en humanos adultos sanos. La gravedad ayuda a que el cuerpo determine una estructura ósea y una densidad muscular adecuadas; los cuerpos de los astronautas son propensos a la atrofia después de pasar tiempo en el espacio. Los cuerpos humanos también presentan la acumulación de sangre en los pies y crean un gradiente de la presión arterial en la tierra. A largo plazo, las misiones espaciales también pueden afectar la orientación de un astronauta después de regresar a un ambiente con bastante gravedad. Esto puede hacer que el ajuste al regreso de la vida en la tierra sea difícil al principio, ya que puede tomar meses o años para recuperarse de la densidad ósea disminuida.
¿Por qué la gravedad no repele?
Todas las fuerzas de la naturaleza tienen caras opuestas. El electromagnetismo, por ejemplo, puede atraer o repeler, dependiendo de las cargas de los cuerpos implicados.
La respuesta parece radicar en la teoría del campo cuántico. Las partículas que transmiten las fuerzas nucleares débil y fuerte tienen varios tipos de carga, como las cargas eléctricas. “Esas cargas pueden ser positivas o negativas, lo que lleva a diferentes posibilidades según el signo de la fuerza”, explica Frank Wilczek, del Instituto de Tecnología de Massachusetts.Este no es el caso de los gravitones, las partículas hipotéticas que, según expone la teoría del campo cuántico, deberían transmitir la gravedad. “Los gravitones responden a la densidad de energía, que siempre es positiva”, dice Wilczek. Pero no todo el mundo lo tiene tan claro: “No sabemos que la gravedad sea estrictamente una fuerza de atracción”, advierte Paul Wesson, de la Universidad de Waterloo en Ontario, Canadá.
Ahí tenemos la “energía oscura”, que parece estar acelerando la expansión del Universo. Algunos físicos especulan con la idea de que la energía oscura podría ser una fuerza gravitacional de repulsión que solo actúa a gran escala. “Hay precedentes de un comportamiento semejante en una fuerza fundamental”, comenta Wesson. “La fuerza nuclear fuerte es de atracción a ciertas distancias y de repulsión a otras.” Sea como fuere, la aparente diferencia entre la gravedad y las demás fuerzas fundamentales plantea un problema para los físicos que quieren crear una “teoría del todo” que proporcione una explicación única para todas ellas. Mientras no se resuelva ese misterio, la gran teoría unificadora será imposible.
¿Cómo se puede encontrar la gravedad del sitio en el que se encuentra a través de la caída libre?
Para calcular la gravedad en el lugar de dicho experimento, debemos despejar la gravedad (g) de la fórmula h=Vot+gt²/2: Esta aplica para ambos experimentos anteriores. En los dos experimentos la gravedad fue: 9.8 m/seg²
¿Por qué la gravedad es tan débil?
La debilidad de la gravedad es algo a lo que debemos estar agradecidos. Si fuera un poco más fuerte, ninguno de nosotros estaría aquí. El momento del nacimiento del universo si la expansión del espacio hubiese superado la fuerza de la gravedad en el recién nacido universo, estrellas, galaxias y los seres humanos nunca habían sido capaces de formar. Si la gravedad hubiese sido mucho más fuerte, las estrellas y galaxias se podrían haber formado, pero rápidamente se hubiesen atraídos unos a otros.
¿Por qué no hay más tipos de gravedad?
Si la gravedad fuese distinta, no existiría nada. Ni siquiera el ser humano.
Dicho en la pregunta anterior, Si fuera solamente un poco más fuerte, ninguno de nosotros estaríamos aquí para mofarnos de su naturaleza raquítica, porque sus condiciones serian totalmente diferentes.
Durante el Big Bang, mientras la gravedad atraía a la materia entre sí, la expansión del espacio separaba las partículas de materia, y cuanto más se separaban estas, más débil se volvía la fuerza de atracción entre ellas. La lucha entre estas dos fuerzas llegó a un equilibrio extremo. De hecho esta unión es única, y gracias a ella, existimos.
Solo el término medio, donde la expansión y la fuerza gravitacional se equilibraron un segundo después del Big Bang, ha permitido que la vida se cree. Ese es el tamaño de la constante gravitacional G, también conocida como la Gran G (Big G).
G es la menos correctamente definida de todas las constantes de la naturaleza. Solo es fiable hasta en una parte por 10.000, lo que la hace un número muy aproximado; la siguiente más cercana es el número fundamental llamado la constante de Planck, que es exacta en 2,5 partes por cien millones.
Es la debilidad de la gravedad lo que hace que G sea difícil de medir más exactamente, si bien este problema solo es un asunto de laboratorio. La cuestión importante es: ¿de dónde sale ese valor? ¿Por qué G tiene el valor que permitió a la vida formarse en el cosmos? La respuesta más simple, aunque poco satisfactoria, es que no podríamos estar ahí para observarla si fuera diferente. En cuanto a una respuesta más profunda… Nadie lo sabe.
“Podemos hacer mediciones que determinen su tamaño, pero no tenemos ni idea al respecto de la procedencia de su valor”, dice John Barrow, de la Universidad de Cambridge. “Jamás se ha podido explicar ninguna constante básica de la naturaleza.”
y sólo dos células de esperma se descargan durante el encuentro, explicó el profesor Anja Geitmann del Departamento de Biología. Los experimentos con plantas muestran cambios en las células por la falta de gravedad lo que podría producir enfermedades graves como el cáncer o el Alzheimer. La ingravidez afecta a las células, causando un "atasco" en las carreteras vitales que conectan los diferentes procesos, dicen los investigadores en Canadá.
Lo que hemos descubierto es cómo los procesos que ocurren dentro de las células se ven afectados por la hipergravedad, que se encuentra en un gran planeta o la microgravedad que se asemeja a las condiciones de una nave espacial. "Toda la vida se desarrolló en respuesta a la gravedad de la Tierra y los hallazgos ofrecen una nueva comprensión de los mecanismos detrás de él. El investigador asegura que esta noticia podría ser preocupante para turistas espaciales que planean unirse al club de que los viajen en ascensores espaciales.
LA DIFICULTAD Y EL RIESGO
Mantener una vida sexual activa en el espacio puede ser una tarea muy difícil y procrear un ser humano fuera de la órbita terrestre incluso un riesgo.
“Practicar sexo en gravedad cero es muy difícil porque no tienes tracción y no dejas de golpearte contra las paredes”, explica Athena Andreadis, bióloga de la Universidad Médica de Massachusetts, en la misma página.
“No tienes fricción, ni tampoco resistencia”. Pero hay un problema adicional que es además un riesgo. Según investigadores de la Universidad de Montreal, estudios han demostrado que los procesos reproductivos de las plantas son afectados por la falta de gravedad, con incidencia en el transporte intercelular y merma de crecimiento celular.
¿Te imaginas cómo ese tipo de cambios podrían afectar a un embrión humano?, se pregunta Woodmansee. “Espero que nadie se quiere hacer ese experimento”, se responde.
Los investigadores creen que el embrión podría sufrir múltiples problemas, desde daños neuronales y de corazón, hasta deformaciones óseas y alteraciones en el tejido muscular. “Tal vez las futuras empresas de turismo espacial deberían prohibir el sexo en órbita. Que haya vuelos espaciales con una señal bien visible que diga: 'No se quede embarazada en el espacio'”, escribe Laura Woodmansee. “De momento, es mejor que los astronautas no hagan nada ahí arriba”.
Sabemos, eso sí, que puede haber problemas desde el principio. Experimentos en la estación espacial rusa Mir hallaron que salían menos codornices de lo normal de un número de huevos, y los polluelos que sí rompieron el cascarón fueron extraordinariamente propensos a sufrir anomalías.Después se llevó a cabo un experimento en la lanzadera espacial Discovery de Estados Unidos, financiado por la empresa de comida rápida KFC (Kentucky Fried Chicken), que investigó el desarrollo de embriones de codorniz. Ninguno de los 16 embriones llegó a romper el cascarón.
La gravedad es - 10 40 veces más débil que la fuerza electromagnética que mantiene los átomos juntos. Aunque las otras fuerzas actúan en diferentes rangos, y entre muy diferentes tipos de partículas. La gravedad es la inadaptada. ¿Por qué? Hasta el momento, nuestro mejor explicación proviene de la teoría de las cuerdas. La teoría de las cuerdas requiere que el universo tiene más de las tres dimensiones espaciales tal vez hasta 10. Según los teóricos la gravedad es tan débil porque, a diferencia de las otras fuerzas, tiene fugas dentro y fuera de estas dimensiones adicionales. Una de las grandes esperanzas es el Gran Colisionador de Hadrones que puede que nos diga por qué la gravedad es tan débil. El propósito del LHC, más o menos, es entender esta cuestión. Aunque no es probable que dé una respuesta completa, el caso de la gravedad que reside en dimensiones ocultas se vería fortalecida si el LHC encuentra evidencia de éstas partículas.
Velocidades finales:
Experimento de Caída Libre 2: Dos cuerpos lanzados de una altura determinada. (Botella y rollo de cinta)
Propósito: En este experimento determinaremos que dos cuerpos caen al mismo intervalo de tiempo, con una altura determinada sin importar su masa. Calcularemos la gravedad en lugar donde realizó dicho experimento. Para ello utilizaremos una botella y un rollo de cinta.
Vo= 0
Vf = 10 m/seg (de ambos cuerpos)
t= 1.02 seg (en ambos cuerpos)
h= 3.30 m
g= ?
Video 1: cinta
Vo= 0
Vf = 10 m/seg
t= 1.02 seg
h= 3.30 m
Video 2: botella
Vo= 0
Vf = 10 m/seg
t= 1.02 seg
h= 3.30 m
Video 3: botella y cinta
Vo= 0
Vf = 10 m/seg
t= 1.02 seg
h= 3.30 m
g=?
Fórmulas del Movimiento de Caída Libre:
1) V = Vo +- gt (si el cuerpo cae, se suma el producto gt, si el cuerpo sube se resta el producto gt)
El signo menos de la gravedad depende si el cuerpo sube o baja. Si el cuerpo es lanzado hacia arriba, la gravedad actuaría en contra de su movimiento y por lo tanto esta seria negativa. Si el cuerpo cae la gravedad actuaría a favor del movimiento, y de esta manera, la gravedad sería positiva. Aplica en todas las fórmulas.
2) t= Vf - Vo/g (determina el tiempo)
3) 2gt= Vf²-Vo² (Recuerda que cuando se informa que “Un objeto se deja caer” la velocidad inicial será siempre igual a cero (v0 = 0).En cambio, cuando se informa que “un objeto se lanza” la velocidad inicial será siempre diferente a cero (vo ≠ 0).
4) Altura Máxima= 2Vo/g (un cuerpo alcanza su hmax cuando su velocidad final es igual a 0)
5) h=Vot-gt²/2 (determina la altura de un cuerpo en caída libre)
6) Tiempo de vuelo=2Vo/g (El tv es el tiempo que dura un cuerpo en estar en el aire. También es el tiempo en el que demora en subir y bajar. Experimentalmente se observa y es comprobado que el tiempo que demora en subir un cuerpo es el mismo que tarda en bajar. Por lo tanto
Tiempo de subida=Tiempo de bajada
tv=ts+tb
tv=2ts=2tb
Desarrollo: Nuestra Investigación
En esta página de proceso, vamos a explicar el movimiento de caída libre de los cuerpos. Primero, plantearemos y explicaremos las fórmulas de la caída libre, y sus características. Segundo, resolveremos problemas con la ayuda de estas fórmulas. Tercero, realizaremos experimentos sobre la caída libre. Y finalmente, al tener todos estos datos, resolveremos las preguntas de la página de tareas y concluiremos en la página de conclusiones.
ATENCIÓN: Antes que nada, vamos a responder las siguientes preguntas:
-¿Qué es la caída libre?
-¿Qué es la gravedad?
-¿Cuáles son la principales características de la caída libre?
Estas son gráficas representativas de los diferentes movimientos en caída libre.
Donde V es velocidad final, g la gravedad (en la tierra 9,8m/s), Vo velocidad inicial, Vm velocidad media, t es el tiempo, la y es la altura final (si cae en el suelo será cero), la Yo es la altura inicial desde donde se suelta el objeto. Ojo en algunos libros veremos como a las Y se les llama h o altura.
Ejercicios de caída libre
Para entender cómo se pueden usar estas fórmulas, lo mejor es hacerlo resolviendo problemas de caída libre.
Problema #1: Dejamos caer un objeto desde el tejado de un edificio y observamos que choca con el suelo al cabo de 2,5 seg. Determinar:
a. ¿Con qué velocidad llega al suelo?
b. ¿Cuál es la altura del edificio?
c. Haz los gráficos del movimiento.
SOLUCIÓN:
a. Vf= 25m/seg
b. h=31.25m
Problema #2: Lanzamos un objeto desde el suelo hacia arriba con una velocidad de 25m/seg. Determinar:
1. Calcula la máxima altura a la que llega.
2. ¿Cuánto tiempo tarda en llegar a la altura máxima?
3. ¿Qué velocidad, y altura tiene el cuerpo al cabo de 2,5 seg?
4. ¿Puedes calcular también a los 4 seg?
1. Hmáx= 31.25m
2. t2= 2,5 seg
3. Al cabo de 2,5 seg: Vf=5/seg h=30
Características de la caída libre.
¿Qué es la caída libre?
Se le llama caída libre al movimiento que se debe únicamente a la influencia de la gravedad.
El movimiento de los cuerpos en caída libre (por la acción de su propio peso) es una forma de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. La distancia recorrida (d) se mide sobre la vertical y corresponde, por tanto, a una altura que se representa por la letra h.
En el vacío el movimiento de caída es de aceleración constante, siendo dicha aceleración la misma para todos los cuerpos, independientemente de cuales sean su forma y su peso.
Todos los cuerpos con este tipo de movimiento tienen una aceleración dirigida hacia abajo cuyo valor depende del lugar en el que se encuentren.
En la Tierra este valor es de aproximadamente 9,8 m/s², es decir que los cuerpos dejados en caída libre aumentan su velocidad (hacia abajo) en 9,8 m/s cada segundo.
En la caída libre no se tiene en cuenta la resistencia del aire.
Si el movimiento considerado es de descenso o de caída, el valor de (g) resulta positivo como corresponde a una auténtica aceleración. Si, por el contrario, es de ascenso en vertical el valor de (g) se considera negativo, pues se trata, en tal caso, de un movimiento decelerado.
Y si hablamos de caída libre... ¿Qué es la gravedad?
La aceleración en los movimientos de caída libre, es conocida como aceleración de la gravedad.
En el vacío todos los cuerpos independientemente de su masa, forma y tamaño caen con un M.U.A (movimiento uniformemente acelerado), gastando el mismo tiempo en caer, dicha aceleración constante es la aceleración de la gravedad.
Es por ello que todos los cuerpos en los diferentes planetas tendrían la misma masa, lo que cambia es el peso por la gravedad.
