Todo el mundo está intuitivamente familiarizado con el concepto de fuerza de arrastre. Cuando vadeas en el agua o andas en bicicleta, notas que cuanto más trabajo haces y más rápido te mueves, cuanta más resistencia obtenga del agua o aire circundante, los cuales se consideran fluidos por físicos. En ausencia de fuerzas de arrastre, el mundo podría disfrutar de jonrones de 1,000 pies en béisbol, récords mundiales mucho más rápidos en pista y campo y autos con niveles sobrenaturales de economía de combustible.
Las fuerzas de arrastre, al ser restrictivas en lugar de propulsoras, no son tan dramáticas como otras fuerzas naturales, pero son críticas en la ingeniería mecánica y disciplinas relacionadas. Gracias a los esfuerzos de los 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 la fuerza de arrastre
La presión, en física, se define como fuerza por unidad de área:
P = \ frac {F} {A}
Usando "D" para representar la fuerza de arrastre específicamente, esta ecuación se puede reorganizar para
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) ρv, donde ρ (la letra griega rho) es la densidad del fluido y v es la velocidad del objeto.
Por lo tanto,
D = \ frac {1} {2} C \ rho v ^ 2A
Tenga en cuenta varias consecuencias de esta ecuación: la fuerza de arrastre aumenta en proporción directa a la densidad y el área de la superficie, y aumenta con el cuadrado de la velocidad. Si corres a 10 millas por hora, experimentas cuatro veces la resistencia aerodinámica que 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 = v_0 + en
En él, 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) y t es el tiempo transcurrido en segundos. A simple vista, es evidente que un objeto que se deja caer desde una gran altura caería a una velocidad cada vez mayor si esta ecuación fuera estrictamente cierta, pero no lo es porque descuida 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. Así, un paracaidista alcanza su velocidad terminal cuando la fuerza de arrastre es igual a la fuerza de la gravedad. Puede manipular esto a través de la postura de su cuerpo, lo 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 de competición se enfrentan a 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 del nadador para vencer la fuerza de arrastre del agua, que, como probablemente haya supuesto, es significativamente mayor que la de aire.
Hasta 2010, a los nadadores olímpicos se les permitía usar trajes aerodinámicos especiales que solo habían existido durante unos pocos años. El organismo rector de la natación prohibió los trajes porque su efecto era tan pronunciado que los récords mundiales estaban siendo destrozados por atletas que de otra manera no eran notables (pero aún de clase mundial) sin el trajes.