Tutti hanno familiarità intuitiva con il concetto di forza di resistenza. Quando guadi nell'acqua o vai in bicicletta, ti accorgi che più lavoro fai e più ti muovi più velocemente, maggiore è la resistenza che si ottiene dall'acqua o dall'aria circostante, entrambi considerati fluidi da fisici. In assenza di forze di resistenza, il mondo potrebbe essere trattato con fuoricampo di 1.000 piedi nel baseball, record mondiali molto più veloci nell'atletica leggera e auto con livelli soprannaturali di risparmio di carburante.
Le forze di resistenza, essendo restrittive piuttosto che propulsive, non sono drammatiche come altre forze naturali, ma sono fondamentali nell'ingegneria meccanica e nelle discipline correlate. Grazie agli sforzi di scienziati dalla mentalità matematica, è possibile non solo identificare le forze di resistenza in natura, ma anche calcolarne i valori numerici in una varietà di situazioni quotidiane.
L'equazione della forza di trascinamento
La pressione, in fisica, è definita come forza per unità di area:
P=\frac{F}{A}
Usando "D" per rappresentare specificamente la forza di resistenza, questa equazione può essere riorganizzata in
D=CPA
dove C è una costante di proporzionalità che varia da oggetto a oggetto. La pressione su un oggetto che si muove attraverso un fluido può essere espressa come (1/2) ρv, dove ρ (la lettera greca rho) è la densità del fluido e v è la velocità dell'oggetto.
Perciò,
D=\frac{1}{2}C\rho v^2A
Nota diverse conseguenze di questa equazione: la forza di resistenza aumenta in proporzione diretta alla densità e all'area della superficie e aumenta con il quadrato della velocità. Se corri a 10 miglia all'ora, sperimenterai quattro volte la resistenza aerodinamica rispetto a 5 miglia all'ora, con tutto il resto mantenuto costante.
Forza di trascinamento su un oggetto che cade
Una delle equazioni del moto per un oggetto in caduta libera della meccanica classica è
v=v_0+at
In esso, v = velocità al tempo t, v0 è la velocità iniziale (solitamente zero), a è l'accelerazione di gravità (9,8 m/s2 sulla Terra) e t è il tempo trascorso in secondi. È chiaro a prima vista che un oggetto caduto da una grande altezza cadrebbe a velocità sempre crescente se questa equazione fosse strettamente vera, ma non è perché trascura la forza di resistenza.
Quando la somma delle forze che agiscono su un oggetto è zero, non sta più accelerando, sebbene possa muoversi a velocità elevata e costante. Quindi, un paracadutista raggiunge la sua velocità terminale quando la forza di resistenza è uguale alla forza di gravità. Può manipolare questo attraverso la sua postura del corpo, che influenza A nell'equazione del trascinamento. La velocità terminale è di circa 120 miglia all'ora.
Forza di trascinamento su un nuotatore
I nuotatori competitivi affrontano quattro forze distinte: gravità e galleggiamento, che si contrastano a vicenda su un piano verticale, e resistenza e propulsione, che agiscono in direzioni opposte su un piano orizzontale. In effetti, la forza propulsiva non è altro che una forza di trascinamento applicata dai piedi e dalle mani del nuotatore a superare la forza di trascinamento dell'acqua, che, come avrete probabilmente supposto, è significativamente maggiore di quella di aria.
Fino al 2010, i nuotatori olimpici potevano utilizzare speciali tute aerodinamiche che esistevano solo da pochi anni. L'organo di governo del nuoto ha vietato le tute perché il loro effetto era così pronunciato che i record del mondo venivano rotti da atleti che altrimenti sarebbero stati insignificanti (ma ancora di livello mondiale) senza il abiti.