Contenido
- La ecuación de fuerza de arrastre
- Fuerza de arrastre sobre un objeto que cae
- Fuerza de arrastre en un nadador
Todos están intuitivamente familiarizados con el concepto de fuerza de arrastre. Cuando caminas por el agua o andas en bicicleta, notas que cuanto más trabajo haces y más rápido te mueves, más resistencia obtienes del agua o el aire circundante, los cuales los físicos consideran fluidos. En ausencia de fuerzas de arrastre, el mundo podría recibir jonrones de 1,000 pies en el béisbol, récords mundiales mucho más rápidos en atletismo y autos con niveles sobrenaturales de economía de combustible.
Las fuerzas de arrastre, siendo más restrictivas que propulsoras, no son tan dramáticas como otras fuerzas naturales, pero son críticas en la ingeniería mecánica y disciplinas relacionadas. Gracias a los esfuerzos de científicos con mentalidad matemática, es posible no solo identificar las fuerzas de arrastre en la naturaleza sino también calcular sus valores numéricos en una variedad de situaciones cotidianas.
La ecuación de fuerza de arrastre
La presión, en física, se define como la fuerza por unidad de área: P = F / A. Usando "D" para representar la fuerza de arrastre específicamente, esta ecuación se puede reorganizar a D = CPA, donde C es una constante de proporcionalidad que varía de un objeto a otro. La presión sobre un objeto que se mueve a través de un fluido se puede expresar como (1/2) ρv2, donde ρ (la letra griega rho) es la densidad del fluido y v es la velocidad de los objetos.
Por lo tanto, D = (1/2) (C) (ρ) (v2)(UNA).
Tenga en cuenta varias consecuencias de esta ecuación: la fuerza de arrastre aumenta en proporción directa a la densidad y el área de superficie, y aumenta con el cuadrado de la velocidad. Si está corriendo a 10 millas por hora, experimenta cuatro veces la resistencia aerodinámica como lo hace a 5 millas por hora, con todo lo demás constante.
Fuerza de arrastre sobre un objeto que cae
Una de las ecuaciones de movimiento para un objeto en caída libre de la mecánica clásica es v = v0 + en. En ella, v = velocidad en el tiempo t, v0 es la velocidad inicial (generalmente cero), a es la aceleración debida a la gravedad (9.8 m / s2 en la Tierra), yt es el tiempo transcurrido en segundos. Es evidente a simple vista que un objeto caído desde una gran altura caería a una velocidad cada vez mayor si esta ecuación fuera estrictamente cierta, pero no es porque descuide la fuerza de arrastre.
Cuando la suma de las fuerzas que actúan sobre un objeto es cero, ya no acelera, aunque puede moverse a una velocidad alta y constante. Por lo tanto, un paracaidista alcanza su velocidad terminal cuando la fuerza de arrastre es igual a la fuerza de la gravedad. Ella puede manipular esto a través de la postura de su cuerpo, que afecta a A en la ecuación de arrastre. La velocidad terminal es de alrededor de 120 millas por hora.
Fuerza de arrastre en un nadador
Los nadadores competitivos enfrentan cuatro fuerzas distintas: la gravedad y la flotabilidad, que se contrarrestan entre sí en un plano vertical, y la resistencia y la propulsión, que actúan en direcciones opuestas en un plano horizontal. De hecho, la fuerza propulsora no es más que una fuerza de arrastre aplicada por los pies y las manos de los nadadores para superar la fuerza de arrastre del agua, que, como habrás deducido, es significativamente mayor que la del aire.
Hasta 2010, a los nadadores olímpicos se les permitía usar trajes especialmente aerodinámicos que solo habían existido durante unos años. El organismo rector de natación prohibió los trajes porque su efecto era tan pronunciado que los atletas que no tenían nada especial (pero aún de clase mundial) estaban rompiendo los récords mundiales sin los trajes.