Un objeto que cae en el vacío está sujeto a una sola fuerza externa, la fuerza gravitacional, expresada como el peso del objeto. La ecuación de peso define el peso W para que sea igual a la masa del objeto m veces la aceleración gravitacional g :
W = m * g
El valor de g es de 9.8 metros por segundo cuadrado en la superficie de la tierra. La aceleración gravitacional g disminuye con el cuadrado de la distancia desde el centro de la tierra. Pero para muchos problemas prácticos, podemos suponer que este factor es una constante. Se dice que un objeto que se mueve solo por la acción de la gravedad es la caída libre . Si el objeto cae a través de la atmósfera, hay una fuerza de arrastre adicional que actúa sobre el objeto y la física involucrada en el movimiento del objeto es más compleja.
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El movimiento de cualquier objeto en movimiento se describe en la segunda ley de movimiento de Newton, la fuerza F es igual a la masa m por la aceleración a :
F = m * a
Podemos hacer un poco de álgebra y resolver la aceleración del objeto en términos de la fuerza externa neta y la masa del objeto:
a = F / m
Para un objeto en caída libre, la fuerza externa neta es solo el peso del objeto:
F = W
Sustituyendo en la segunda ecuación de la ley se obtiene:
a = W / m = (m * g) / m = g
La aceleración del objeto es igual a la aceleración gravitacional. La masa, el tamaño y la forma del objeto no son un factor para describir el movimiento del objeto. Por lo tanto, todos los objetos, independientemente de su tamaño, forma o peso, caen libremente con la misma aceleración. En el vacío, una pelota de playa cae al mismo ritmo que un avión. Conociendo la aceleración, podemos determinar la velocidad y la ubicación de cualquier objeto en caída libre en cualquier momento.
La notable observación de que todos los objetos en caída libre caen con la misma aceleración fue propuesta por primera vez por Galileo Galilei hace casi 400 años. Galileo realizó experimentos usando una pelota en un plano inclinado para determinar la relación entre el tiempo y la distancia recorrida. Descubrió que la distancia dependía del cuadrado del tiempo y que la velocidad aumentaba a medida que la pelota se movía por la pendiente. La relación fue la misma independientemente de la masa de la pelota utilizada en el experimento. El experimento fue exitoso porque estaba usando una bola para el objeto que caía y la fricción entre la bola y el avión era mucho menor que la fuerza gravitacional. También usó una inclinación muy poco profunda, por lo que la velocidad era pequeña y el arrastre de la pelota era muy pequeño en comparación con la fuerza gravitacional. (La historia de que Galileo demostró sus hallazgos arrojando dos balas de cañón de la Torre Inclinada de Pisa es solo una leyenda).
