Cómo calcular la resistencia del aire de un objeto que cae

Cuando los objetos se mueven en relación con el aire, los objetos experimentan una fuerza resistiva que está en la dirección opuesta a la velocidad del cuerpo en relación con el aire. Esta fuerza resistiva se llama resistencia del aire. Por ejemplo, considere una hoja de papel que cae. En relación con el aire, el papel se está moviendo hacia abajo, por lo que habrá una fuerza de resistencia ascendente en el papel..

Cómo calcular la resistencia del aire de un objeto que cae cuando el objeto cae lentamente en el aire

Para los objetos que se mueven lentamente en relación con el aire (como la caída de partículas de polvo), la fuerza resistiva es directamente proporcional a la velocidad del objeto.  en relación con el aire. Entonces, podemos escribir:

El valor de  Depende de la forma y tamaño del cuerpo..

Consideremos lo que le sucede a un cuerpo cuando cae del reposo a baja velocidad a través del aire. Inicialmente, la velocidad del cuerpo en relación con el aire es 0 y, por lo tanto, no hay resistencia del aire. A medida que el cuerpo se acelera bajo la fuerza descendente resultante, la resistencia del aire también aumenta en proporción.

Finalmente, el cuerpo alcanza una velocidad en la que el peso del cuerpo se equilibra exactamente por la resistencia del aire. Aquí, el cuerpo ha alcanzado. Velocidad terminal. La variación de la velocidad con el tiempo se puede mostrar en un gráfico, de la siguiente manera:

Se puede demostrar que la velocidad terminal para estos casos está dada por .

Ejemplo:

Supongamos un grano de polen con una masa de 3.8 × 10-14 Kg está cayendo por el aire. Si el valor de la constante  4,0 × 10-11 kg s-1, encuentra la velocidad terminal.

Ya que ,

Nota: En realidad, el cálculo no es tan simple, con muchos otros factores que también entran en juego. Sin embargo, por este ejemplo, hemos asumido que los únicos factores que afectan la caída del grano de polen son la gravedad y la resistencia del aire, y también se supone que la resistencia del aire es directamente proporcional a la velocidad del grano..

Cómo calcular la resistencia del aire de un objeto que cae cuando el objeto cae rápido en el aire

Los objetos que caen más rápido en el aire (por ejemplo, los paracaidistas) causan considerables cantidades de turbulencia y, en consecuencia, la resistencia del aire que experimentan es mucho mayor. Para estos objetos, la resistencia del aire es directamente proporcional a la cuadrado de la velocidad del objeto en relación con el aire. La resistencia del aire para estos casos viene dada por:

aquí,  escoeficiente de arrastre,  es el densidad del aire (típicamente alrededor de 1,2 kg m-3), y  es el sección transversal efectiva del cuerpo Perpendicular a la dirección de la velocidad del cuerpo. Típicamente, Toma valores entre 0.1 y 2..

La velocidad terminal para objetos que se mueven rápido en el aire puede ser dada por .

Ejemplo:

Una pelota de golf que cae en el aire tiene un coeficiente de arrastre de 0,26. Dado que tiene un área transversal efectiva de 1.4 × 10-3 metro2, encuentre la resistencia del aire en la bola cuando la bola se mueve a una velocidad de 20 m s-1.

Tenemos 

Entonces,