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Masa, fuerza y energía

¿Lo pesado cae más rápido? La respuesta corta es que no. La larga explica qué es una fuerza. Después, una pregunta que nos va a llevar a la próxima lección: a dónde va la energía cuando algo se frena.

Antes de tocar, apostáDesde 30 metros, un edificio de unos diez pisos, soltás a la vez dos bolas del mismo tamaño: una de telgopor de 100 gramos y una de bowling de 6 kilos. ¿Qué pasa?

Y otra¿Y si no hubiera aire, como en la Luna?

La carrera

Las dos bolas miden 22 cm, como una pelota de fútbol. Cambiá de qué están hechas y sacá el aire para ver qué cambia. En el dibujo las bolas están agrandadas para que se vean.

izquierdaderecha
izquierda — derecha — sin aire tardaría 2,47 s

Fuerza y masa

Una fuerza es un empujón o un tirón. Se mide en newtons (N): un newton es más o menos lo que pesa en la mano una manzana chica, de 100 gramos.

La gravedad tira de cada kilo con 9,8 N. Entonces la Tierra tira mucho más fuerte de la bola de bowling (59 N) que de la de telgopor (1 N). Si la fuerza fuera todo, la de bowling caería 60 veces más rápido.

Pero la masa también mide otra cosa: cuánto cuesta cambiarle la velocidad a algo. Empujar un auto cuesta más que empujar un carrito, aunque los dos rueden bien. La bola de bowling recibe 60 veces más fuerza, pero cuesta 60 veces más moverla. Se compensa exacto: la aceleración es la fuerza dividida por la masa, y da 9,8 en las dos. Esa es la segunda ley de Newton, y completa la receta de la lección 1: 

aceleración = fuerza ÷ masa
velocidad  += aceleración × dt
posición   += velocidad × dt

Lo único que hay que saber de cada situación es qué fuerzas actúan. Acá son dos: el peso, que es la masa por 9,8 y apunta para abajo, y el aire.

El aire

El aire empuja contra el movimiento, y cuanto más rápido vas, más fuerte. Depende del tamaño y la forma, no de la masa: a 10 m/s, empuja a cualquiera de las dos bolas con 1 N. Para la de telgopor es tanto como su peso, así que deja de acelerar: llegó a su velocidad terminal, que se ve en el gráfico como una meseta. Para la de bowling, 1 N es casi nada al lado de sus 59.

¿Acertaste? Las respuestas a las dos apuestas

Con aire, la de bowling llega mucho antes: en 2,5 segundos, contra 3,8 de la de telgopor. Ahí la intuición acierta, pero por una razón distinta de la que parece: no es que lo pesado caiga más rápido, es que al aire le cuesta más frenarlo.

Sin aire, llegan juntas, exactamente a la vez. En 1971, en la Luna, el astronauta David Scott soltó un martillo y una pluma frente a una cámara, y tocaron el suelo juntos.

¿A dónde va la energía?

Antes de tocar, apostáUna pelota rebota cada vez más bajo hasta quedarse quieta. ¿Qué pasó con la energía que tenía?

La energía es una cuenta que la naturaleza nunca rompe: se transforma de una forma en otra, pero el total no cambia. Se mide en joules (J): levantar un metro aquella manzana de 100 gramos cuesta 1 J. En esta caída hay dos formas a la vista:

Soltá una pelota de fútbol (430 g) desde 5 metros y mirá el gráfico: cada color es una forma de energía, apilada sobre la otra.

de alturade movimientocalor (y sonido)
de altura — de movimiento — calor — total —

Al caer, la energía de altura se convierte en movimiento; al subir, al revés. Con el rebote perfecto y sin aire, el borde de arriba del gráfico no se mueve nunca: el total es siempre el mismo.

Con un rebote imperfecto o con aire, una parte pasa a calor: las moléculas del piso, de la pelota y del aire quedan moviéndose un poquito más rápido. Pero el borde de arriba sigue sin moverse. La energía no desapareció: se repartió entre billones de partículas demasiado chicas para verlas. En la próxima lección vamos a ver que eso es, literalmente, el calor.

¿Acertaste? La respuesta a la apuesta

Se convirtió en otra cosa: sobre todo en calor, y un poco en el sonido del golpe. Es la regla más firme de la física: en ningún experimento se vio nunca que la energía apareciera o desapareciera.