Si la masa de un objeto no afecta la velocidad de caída, ¿por qué los objetos caen más lentamente en la luna?
Tome dos objetos de diferentes masas, como una pelota de golf y una bola de boliche. En cualquier planeta (o luna) , esos dos caerán a la misma velocidad (determinada por la intensidad del campo gravitacional del planeta / luna). Eso es lo que quieren decir cuando dicen: “la masa no afecta la velocidad de caída”; quieren decir (por ejemplo) que una pelota de golf en la tierra cae al mismo ritmo que una bola de boliche en la tierra . Pero lleve esos dos objetos a un planeta o luna diferente , uno que tenga una intensidad de campo diferente, y los dos objetos caerán a un ritmo diferente que antes; pero seguirán cayendo juntos , al mismo ritmo que el otro .
Como ejemplo: en la tierra, cuando sueltas una pelota de golf o una bola de boliche desde una altura de aproximadamente 16 pies, cada una tarda aproximadamente 1 segundo en golpear el suelo. En la luna, donde la gravedad es más débil, cuando se cae una pelota de golf o una bola de boliche desde una altura de aproximadamente 16 pies, cada una tarda unos 2,4 segundos en golpear el suelo. En cada caso, la velocidad de caída no depende de la masa de la cosa que está cayendo; ¡pero depende de dónde estés!
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¿Los objetos que caen en la luna son lo mismo que la luna que cae sobre el objeto?
Depende de como lo veas. Si fueras un astronauta (desafortunado) que cayera, debido a la gravedad, directamente hacia la luna desde una gran altura, sentirías exactamente como si estuvieras estacionario, y se vería como si la luna estuviera corriendo hacia ti. Y la física le permite definir un sistema de coordenadas en el que usted (el astronauta) está inmóvil (sus coordenadas son siempre “cero”), y la luna es lo que se mueve (sus coordenadas cambian a medida que se acerca).
Pero eso es una especie de truco matemático. Es mucho más común y útil examinar el movimiento desde el punto de vista de un “marco de referencia inercial”. Ese es un sistema de coordenadas en el que el “origen” (su punto de vista) no se acelera. Si haces eso, descubres (de acuerdo con la ley de gravedad) que cuando lanzas una bola de boliche cerca de la luna, sucede lo siguiente:
- La bola de boliche se mueve hacia la luna, y la luna se mueve hacia la bola de boliche. PERO…
- Las velocidades relativas de los dos son muy, muy (¡muy!) Diferentes. Específicamente, están en proporción inversa a sus masas relativas. Más específicamente, dado que la luna es aproximadamente 1.5 × 10²² veces más masiva que una bola de boliche, se acerca a la bola aproximadamente 1.5 × 10²² veces más lentamente (es decir, 15 mil millones de billones de veces más lentamente) que la bola se acerca a la luna. A todos los efectos prácticos , la luna permanece completamente estacionaria mientras la bola cae sobre ella.
La luna tiene menor resistencia al aire, entonces, ¿los objetos caen más rápido?
A veces sí y a veces no. Depende mucho del objeto y de la altura desde la que lo suelte. En la Tierra, un objeto que cae experimenta una fuerza ascendente de resistencia al aire que depende de su geometría (su tamaño, forma y orientación), y de qué tan rápido se mueve. Experimenta una fuerza descendente que depende de su masa. Cuando el objeto se mueve lo suficientemente rápido, esas dos fuerzas se equilibran y el objeto deja de ganar velocidad; ha alcanzado su llamada “velocidad terminal”. En términos generales, los objetos grandes y densos tienden a tener velocidades terminales más altas que los objetos pequeños y difusos.
Entonces, si dejas caer algo relativamente grande y denso como una bola de boliche desde una altura relativamente corta, como por ejemplo 1,000 pies o menos, la Tierra va a ganar esa carrera. Si quieres que gane la luna, prueba esto:
- Intente soltar objetos que son muy pequeños y / o tienen densidades muy bajas. El polvo de talco seguramente caería más rápido en la luna. Muy pequeños trozos de papel. Plumas muy esponjosas.
- Intente dejar caer objetos pequeños desde altitudes muy altas (varias millas). En la Tierra, la mayoría de los objetos relativamente pequeños habrán alcanzado sus velocidades terminales antes de tocar el suelo desde esa altura. Pero en la luna, los objetos seguirán acelerando hasta el fondo.