Trabajo de física: caída libre

Caída libre de una semilla.

caída libre

La semilla utilizada en este proceso experimental es una semilla del árbol Swietenia macrophylla, conocido popularmente como árbol de caoba. Las semillas de esta planta son fruto seco, de una sola semilla, el cual cuenta con una envoltura (llamada en botánica, pericarpio) esponjosa, frágil y liviana, de peso aproximado a 470mg (0,47g) extendida en forma de ala para facilitar su dispersión mediante el viento; miden de 7,5 a 10 cm de largo y de 2 a 3 cm de ancho, de color rojizo cafesáceo. Por ser una semilla que no se abre espontáneamente al llegar la madurez, es ideal para experimento.

El movimiento que se desea estudiar es caída libre de la semilla descrita anteriormente. La semilla parte del reposo cuando es soltada de cierta altura h, durante un intervalo de tiempo solo se ocurre una traslación (del punto inicial al suelo),  luego empieza a rotar hasta llegar al suelo.

Usando datos aproximados, durante el experimento, 2 semillas diferentes fueron lanzadas de una altura  de 2 metros con respecto al piso, y llegaban al suelo a los 3 segundos, tras repetir varias veces el procedimiento. Al llegar a los 50cm con respecto al suelo, comenzaba a rotar con respecto al “eje z”. En el piso, no presentaban mucho alejamiento horizontal con respecto al punto de lanzamiento, probablemente por el hecho de haber realizado el lanzamiento en un espacio cerrado, con entradas limitadas de fuertes corrientes de aire.

Además, como prueba secundaria, se lanzaron otros objetos al mismo tiempo que la semilla, y se pudo observar que objetos más pesados llegaban primero al suelo.

Este movimiento no se puede considerar unidimensional debido a la presencia del aire, el viento actúa como fuerza externa y hace que la semilla pueda trasladarse horizontalmente del punto inicial (Xo,Yo,Zo). A pesar de eso, solamente mencionaré brevemente el aporte de la resistencia del aire a este movimiento, puesto que no está comprendido en el contenido de Física I y lo estudiaremos como si fuera una caída libre en situaciones ideales. Considerando el movimiento vertical, es un movimiento acelerado presenta como aceleración la gravedad de la Tierra, aproximada al valor  9,8 m/s^2, la cual hace que vaya adquiriendo velocidad vertical hasta llegar al suelo.

Los objetos más pesados llegaron primero al suelo que las semillas por su mayor masa y además, porque actúa menos resistencia del aire.

En análisis dinámico, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, el peso (-m*g)  y la resistencia del aire, un vector que tiene sentido opuesto a la velocidad que adquiere la semilla al caer, es análoga a la fricción en movimientos horizontales sobre una superficie.

El trabajo realizado por el peso de la semilla es igual a m*g*h, donde h es la distancia del punto inicial al suelo (Yo-Yf), y la energía cinética corresponde a ½*m*Vf, y como el peso es la única fuerza que podemos estudiar, la energía potencial del sistema sería -(m*g*h) podemos concluir que es un sistema conservativo donde se preserva la energía mecánica.

La fuerza que produce torque en la semilla en cierto punto del movimiento es la componente horizontal de la fuerza del viento (puesto que desconocemos en que angulo actúa, porque no es visible), y la velocidad angular aproximada durante el movimiento fue de 40*Pi rad/s (20 rev/s) en el último segundo de la caída, donde se encontraba aproximadamente a 50cm del suelo.

Usando el contenido programático de Física I, se pudo analizar completamente.

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