La mayor demostración de física de todos los tiempos ...

Ciencia y Educacion 27.02.2022 a las 00:48 hs 197 0

La mayor demostración de física de todos los tiempos ocurrió en la Luna

Esta es la historia de un martillo, una pluma, la misión Apolo 15 y las respuestas a las preguntas más antiguas de la humanidad sobre cómo caen las cosas.

LAS COSAS CAEN TODO EL TIEMPO. Tal vez has dejado caer una pelota. Quizás esa taza de café se te escapó de las manos. La situación más probable es que un gato decidiera tirar un objeto de una mesa, porque eso es lo que hacen los gatos.

Y mientras las cosas han estado cayendo, la gente ha tenido preguntas sobre lo que está pasando (y sobre la motivación del gato). ¿Un objeto que cae se mueve a una velocidad constante o aumenta su velocidad? Si dejas caer un objeto pesado y uno liviano al mismo tiempo, ¿cuál caerá más rápido?

Lo mejor de estas dos preguntas es que puedes preguntarle a casi cualquier persona y tendrán una respuesta, incluso si en realidad están equivocados. Lo aún mejor es que es bastante simple determinar las respuestas experimentalmente. Todo lo que tienes que hacer es dejar algunas cosas.

Algunas de las primeras explicaciones de lo que sucede cuando dejas caer cosas se remontan a Aristóteles (alrededor del 350 a. C.), quien estaba interesado en explicar cómo funciona el mundo. Las respuestas de Aristóteles eran bastante simples: si sueltas algo, caerá al suelo. Caerá a una velocidad constante. Si dejas caer dos objetos al mismo tiempo, el más pesado se moverá hacia abajo con mayor velocidad que el más ligero. Eso es todo. Y realmente, esto parece que podría ser cierto. Quiero decir, si dejo caer una piedra y una pluma, parece claro que la piedra tocará el suelo primero.

Pero hay un problema. No hay un experimento para comprobar si esto es correcto. Aristóteles era un filósofo, no un científico, y como la mayoría de los otros filósofos griegos de su tiempo, estaba interesado en experimentos mentales, no experimentos científicos. (Los griegos sabían que no podía haber un experimento perfecto, porque siempre se introduciría algún error en los datos. Pensaron que buscar evidencia imperfecta del mundo real simplemente los alejaría del camino de determinar las verdades últimas del universo a través de lógica y razonamiento).

El razonamiento de Aristóteles para este tipo de movimiento tiene sentido. Todos podemos estar de acuerdo en que si empujas algo, se moverá. Cuanto mayor sea la fuerza de empuje, más se moverá, lo que significa que irá más rápido. Eso tiene sentido, ¿verdad? Y si sostienes una piedra y una pluma, la fuerza gravitacional sobre la piedra es claramente mayor. Puedes sentir esa fuerza cuando levantas los dos objetos para compararlos. No hay misterio ahí. Entonces, si la roca tiene una mayor fuerza de tracción hacia abajo, entonces tendrá una mayor velocidad de caída hacia abajo. Si dejas caer una piedra y una pluma, la piedra tocará el suelo primero. ¿Ves? La física no es tan difícil.

Bueno, aunque esta explicación tiene sentido, de hecho es incorrecta. Realmente, lo único que es correcto es que normalmente una piedra golpeará el suelo antes que una pluma.

Para entender por qué, comencemos con la idea más básica: la relación entre fuerza y movimiento. La mayoría de la gente llama a esto la segunda ley de Newton, pero si opta por el "modelo de fuerza-movimiento", también sería genial. Para el movimiento en una dimensión (como con un objeto que cae), podemos escribir esto como:

Esto dice que la fuerza total sobre un objeto (Fnet) es igual al producto de la masa del objeto (m) y la aceleración (a).

Pero, ¿cuál es la aceleración? En resumen, este es un valor que describe cómo cambia la velocidad. Entonces, una aceleración de 0 metros por segundo por segundo significa que la velocidad no cambiará. Una aceleración de 10 m/s2 significa que en 1 segundo, la velocidad del objeto aumentará 10 metros por segundo. Lo importante es que las fuerzas cambian la velocidad de un objeto. Si algo tiene una fuerza mayor, no se mueve más rápido. Cambia más. El cambio es la clave.

Sin embargo, hay un pequeño problema. Cuando dejas caer una roca desde la altura de tus hombros sobre el suelo, solo tardará medio segundo en caer. Eso no es mucho tiempo, ciertamente no es suficiente para que una persona determine que se está acelerando. Parece que cae muy rápido. De hecho, el ojo humano es bastante bueno para detectar si algo se mueve, pero no tan bueno para juzgar los cambios de velocidad. (Vea este increíble

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sobre cómo los humanos rastrean objetos). Por lo tanto, es difícil culpar a alguien (como Aristóteles) por decir que las cosas caen a una velocidad constante. Realmente se ve así a simple vista.

Está bien, pero ¿qué hay de dejar caer una piedra y una pluma? ¿No golpea primero la piedra? Por lo general, la respuesta es sí. Pero reemplacemos la roca con un martillo y luego cambiemos de escenario y traslademos el experimento a la luna. Esto es exactamente lo que sucedió durante la misión lunar Apolo 15 en 1971. El comandante David Scott tomó un martillo y una pluma de águila y los dejó caer sobre el regolito lunar. Esto es lo que sucedió:

VIDEO

La pluma y el martillo golpearon el suelo al mismo tiempo.

¿Por qué sucedió? En primer lugar, es cierto que incluso en la luna hay una fuerza gravitacional mayor sobre el martillo que sobre la pluma. Podemos calcular esta fuerza gravitatoria como el producto de la masa (m en kilogramos) y el campo gravitatorio (g en newtons por kilogramo). En la superficie de la luna, el campo gravitatorio tiene un valor de 1,6 N/kg. Si pones esta expresión para la fuerza neta sobre un objeto que cae, se ve así:

Dado que tanto la fuerza gravitacional como la aceleración dependen de la misma masa, está en ambos lados de la ecuación y se cancela. Eso deja una aceleración de -g. El martillo y la pluma caen con movimientos idénticos y golpean el suelo al mismo tiempo. Honestamente, es un poco triste porque los astronautas no usaron una de las cámaras de cine de mayor calidad en lugar de una cámara de televisión.

Entonces, ¿qué tiene de diferente dejar caer algo en la luna que en la Tierra? Sí, hay un peso gravitacional diferente en la luna, pero ese no es el problema. Es la falta de aire lo que marca la diferencia. Recuerda que la segunda ley de Newton es una relación entre la fuerza neta y la aceleración. Si dejas caer una pluma sobre la superficie de la Tierra, hay dos fuerzas actuando sobre ella. En primer lugar, está la fuerza gravitatoria que tira hacia abajo, que es igual al producto de la masa y el campo gravitatorio. En segundo lugar, existe una fuerza de empuje hacia arriba debido a la interacción con el aire, que a menudo llamamos resistencia aerodinámica. Esta fuerza de arrastre del aire depende de varias cosas, pero las más importantes son la velocidad del objeto y el tamaño del objeto.

Veamos un ejemplo sencillo. Suponga que la pluma tiene una masa de 0.01 kilogramos. Esto le daría una fuerza gravitatoria hacia abajo de 0,098 newtons. Ahora imagina que la pluma se mueve hacia abajo con una velocidad de 1 metro por segundo, y esto produce una fuerza de arrastre del aire hacia arriba de 0,04 newtons. Esto significa que la fuerza neta sería 0,04 N - 0,098 N = -0,058 N. Eso daría una aceleración hacia abajo de 5,8 m/s2 en comparación con un objeto sin resistencia del aire, que tendría una aceleración de 9,8 m/s2.

Sí, una roca que cae también tiene una fuerza de arrastre del aire que la empuja hacia arriba. Si fuera del mismo tamaño que la pluma y se moviera a la misma velocidad, tendría la misma fuerza de arrastre hacia arriba de 0,04 N. Sin embargo, si tiene una masa de 1 kilogramo, entonces su fuerza gravitatoria hacia abajo sería de 9,8 newtons. La fuerza neta sería de 9,4 N, para producir una aceleración de 9,4 m/s2. Debido a la masa más grande de la roca, tendría una aceleración mucho mayor y golpearía el suelo primero, al menos en la Tierra.

¿Los objetos más pesados ​​siempre golpean el suelo antes que los más ligeros? No. Aquí hay algunos experimentos simples que puedes hacer en casa para demostrar que Aristóteles estaba equivocado. (Bonificación: ni siquiera necesitas ir a la luna para hacerlos).

El primer experimento usa dos hojas de papel, solo papel normal que puede obtener de su impresora. Si las piezas son idénticas, entonces tienen la misma masa y la misma fuerza gravitatoria hacia abajo. Ahora toma solo una de esas hojas y arrúgala hasta formar una bola. Esto disminuye el tamaño del objeto, pero no su masa. Cuando dejas caer el papel normal y el papel arrugado, ¿cuál llegará primero al suelo?

Oh, ¿no tienes ningún papel contigo? Bien, esto es lo que parece:



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Puedes ver que el papel arrugado golpea primero, aunque las dos piezas tienen exactamente la misma masa. Allí mismo, pescamos a Aristóteles.

Pero espera, aquí hay otro experimento. Éste requiere objetos más complicados. Vea si puede obtener algo con un área de superficie grande pero una masa baja. Por ejemplo, tengo un trozo de cartón y un pequeño trozo de tiza. De hecho, el cartón es más macizo (100 gramos frente a 1 gramo de la tiza). Pero si los dejo caer, ¿cuál llegará primero al suelo? Vamos a averiguar.



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Mira eso. Gracias a la resistencia del aire, el cartón más masivo golpea después de la tiza.

Una vez más, Aristóteles se equivocó. (Y si repitiera ambas gotas de comparación en la luna, donde no hay resistencia del aire, los objetos golpearían la superficie al mismo tiempo).

¿Realmente tuvimos que ir hasta la luna para mostrar cómo caen las cosas? Por supuesto que no. Pero sigue siendo una de las mejores demostraciones de física que hemos visto. Esperemos que la próxima vez que vayan a la luna usen una cámara mejor de video.

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