Por que uma pena e uma pedra caem no mesmo tempo no vácuo?

Uma pena e uma pedra caem no mesmo tempo no vácuo porque, sem resistência do ar, a gravidade acelera todos os objetos da mesma maneira, independentemente da sua massa.

Na superfície da Terra, essa aceleração é de aproximadamente 9,8 m/s².

O que normalmente faz a pena cair mais devagar?

No ar, a pena encontra uma forte resistência.

Como possui uma grande área em relação à sua massa, o ar exerce uma força de resistência significativa sobre ela.

A pedra, por ser mais compacta e pesada em relação à sua área, sofre proporcionalmente menos resistência do ar.

Por isso, em condições normais, a pedra chega ao chão antes da pena.

O que muda quando retiramos o ar?

No vácuo, praticamente não existem moléculas de ar para produzir resistência.

A única força relevante durante a queda pode ser a gravidade.

Nesse caso, tanto a pena quanto a pedra aceleram igualmente.

Se os dois objetos forem soltos da mesma altura e ao mesmo tempo, eles chegarão ao chão simultaneamente, desconsiderando efeitos extremamente pequenos de outras forças.

Mas a pedra não é muito mais pesada?

Sim, mas isso não faz com que ela caia mais rapidamente.

A gravidade exerce uma força maior sobre um objeto mais massivo. Porém, um objeto mais massivo também possui maior inércia, ou seja, é necessário mais força para produzir a mesma aceleração.

Esses dois efeitos aumentam na mesma proporção.

Por isso, a massa desaparece da relação que determina a aceleração gravitacional da queda.

Então todos os objetos caem exatamente da mesma maneira?

No vácuo, objetos próximos à superfície da Terra sofrem praticamente a mesma aceleração gravitacional, mas existem pequenas diferenças dependendo da localização e da altura.

Além disso, em situações mais complexas, outras forças podem importar.

Para uma experiência comum de queda próxima à superfície terrestre, porém, a conclusão é simples: sem ar, objetos diferentes caem com a mesma aceleração.

Isso foi demonstrado experimentalmente?

Sim.

Um exemplo famoso ocorreu durante a missão Apollo 15, quando o astronauta David Scott deixou cair simultaneamente um martelo e uma pena na superfície da Lua.

Como a Lua praticamente não possui atmosfera, a resistência do ar era desprezível.

Os dois objetos atingiram o solo praticamente ao mesmo tempo.

Por que a Lua é um bom lugar para observar isso?

A Lua possui uma atmosfera extremamente rarefeita, praticamente sem ar suficiente para produzir a resistência que observamos na Terra.

Sua gravidade também é menor, cerca de um sexto da terrestre, então os objetos caem mais lentamente.

Mesmo assim, a aceleração gravitacional é a mesma para os diferentes objetos em uma mesma região.

O que aconteceria se fizéssemos o teste na Terra dentro de uma câmara de vácuo?

O resultado seria semelhante.

Ao remover o ar, a pena deixaria de sofrer a forte resistência que normalmente retarda sua queda.

Assim, ela passaria a cair com a mesma aceleração gravitacional da pedra.

Em resumo

A pena não cai mais devagar por ser leve. Ela cai mais devagar na Terra porque o ar exerce uma resistência muito maior sobre ela em relação à sua massa.

Quando o ar é removido, essa resistência desaparece e a pena e a pedra passam a sofrer essencialmente a mesma aceleração gravitacional, chegando ao chão ao mesmo tempo quando são soltas da mesma altura.