Todos estão intuitivamente familiarizados com o conceito de força de arrasto. Quando você entra na água ou anda de bicicleta, percebe que quanto mais trabalho você exerce e mais rápido se move mais resistência você obtém da água ou do ar circundante, ambos considerados fluidos por físicos. Na ausência de forças de arrasto, o mundo poderia receber home runs de 300 metros no beisebol, recordes mundiais muito mais rápidos no atletismo e carros com níveis sobrenaturais de economia de combustível.
As forças de arrasto, sendo restritivas ao invés de propulsivas, não são tão dramáticas quanto outras forças naturais, mas são críticas em engenharia mecânica e disciplinas relacionadas. Graças aos esforços de cientistas com mentalidade matemática, é possível não apenas identificar as forças de arrasto na natureza, mas também calcular seus valores numéricos em uma variedade de situações cotidianas.
A Equação da Força de Arrasto
Pressão, em física, é definida como força por unidade de área:
P = \ frac {F} {A}
Usando "D" para representar a força de arrasto especificamente, esta equação pode ser reorganizada para
D = CPA
onde C é uma constante de proporcionalidade que varia de objeto para objeto. A pressão sobre um objeto que se move através de um fluido pode ser expressa como (1/2) ρv, onde ρ (a letra grega rho) é a densidade do fluido ev é a velocidade do objeto.
Portanto,
D = \ frac {1} {2} C \ rho v ^ 2A
Observe várias consequências desta equação: A força de arrasto aumenta em proporção direta à densidade e área de superfície, e aumenta com o quadrado da velocidade. Se você está correndo a 10 milhas por hora, experimenta quatro vezes mais resistência aerodinâmica do que a 5 milhas por hora, com tudo o mais constante.
Força de arrasto em um objeto em queda
Uma das equações de movimento para um objeto em queda livre da mecânica clássica é
v = v_0 + em
Nele, v = velocidade no tempo t, v0 é a velocidade inicial (geralmente zero), a é a aceleração devido à gravidade (9,8 m / s2 na Terra) e t é o tempo decorrido em segundos. É claro que um objeto lançado de uma grande altura cairia a uma velocidade cada vez maior se esta equação fosse estritamente verdadeira, mas não é porque ela negligencia a força de arrasto.
Quando a soma das forças agindo sobre um objeto é zero, ele não está mais acelerando, embora possa estar se movendo a uma velocidade alta e constante. Assim, um pára-quedista atinge sua velocidade terminal quando a força de arrasto é igual à força da gravidade. Ela pode manipular isso por meio de sua postura corporal, que afeta A na equação de arrasto. A velocidade terminal é de cerca de 120 milhas por hora.
Força de arrasto em um nadador
Nadadores competitivos enfrentam quatro forças distintas: gravidade e flutuabilidade, que se contrapõem em um plano vertical, e arrasto e propulsão, que agem em direções opostas em um plano horizontal. Na verdade, a força propulsora nada mais é do que uma força de arrasto aplicada pelos pés e mãos do nadador para superar a força de arrasto da água, que, como você provavelmente imaginou, é significativamente maior do que a de ar.
Até 2010, os nadadores olímpicos tinham permissão para usar roupas aerodinâmicas especiais que existiam há apenas alguns anos. O órgão regulador do Swimming proibiu os trajes porque seu efeito era tão pronunciado que recordes mundiais estavam sendo quebrados por atletas que de outra forma eram normais (mas ainda de classe mundial) sem o se adequa.