Velocidade terminal e queda livre

Velocidade terminal e queda livre são dois conceitos relacionados que tendem a ficar confusos porque dependem de um corpo estar ou não em um espaço vazio ou em um fluido (por exemplo, um atmosfera ou até água). Dê uma olhada nas definições e equações dos termos, como eles estão relacionados e com que rapidez um corpo cai em queda livre ou na velocidade terminal em diferentes condições.

A velocidade terminal é definida como a velocidade mais alta que pode ser alcançada por um objeto que está caindo através de um fluido, como ar ou água. Quando a velocidade terminal é atingida, a força descendente da gravidade é igual à soma da força do objeto. flutuabilidade e a força de arrasto. Um objeto na velocidade terminal tem zero líquido aceleração.

Existem duas equações particularmente úteis para encontrar a velocidade terminal. O primeiro é para a velocidade terminal sem levar em consideração a flutuabilidade:

V_t = (2 mg / ρAC_d)^1/2

Onde:

• V_t é a velocidade terminal
• m é a massa do objeto que está caindo
• g é aceleração devido à gravidade
• C_d é o coeficiente de arrasto
• ρ é a densidade do fluido através do qual o objeto está caindo
• A é a área da seção transversal projetada pelo objeto

Em líquidos, em particular, é importante levar em consideração a flutuabilidade do objeto. Princípio de Arquimedes é usado para explicar o deslocamento do volume (V) pela massa. A equação então se torna:

V_t = [2 (m - ρV) g / ρAC_d]^1/2

O uso diário do termo "queda livre" não é o mesmo que a definição científica. No uso comum, um paraquedista é considerado em queda livre ao atingir a velocidade terminal sem pára-quedas. Na realidade, o peso do pára-quedista é suportado por uma almofada de ar.

A queda livre é definida de acordo com a física newtoniana (clássica) ou em termos de relatividade geral. Na mecânica clássica, a queda livre descreve o movimento de um corpo quando a única força que age sobre ele é a gravidade. A direção do movimento (para cima, para baixo etc.) não é importante. Se o campo gravitacional é uniforme, ele age igualmente em todas as partes do corpo, tornando-o "sem peso" ou com "0 g". Embora possa parecer estranho, um objeto pode estar em queda livre, mesmo quando se move para cima ou para o topo de seu movimento. Um pára-quedista pulando de fora da atmosfera (como um salto HALO) atinge quase a verdadeira velocidade terminal e queda livre.

Em geral, desde que a resistência do ar seja insignificante em relação ao peso de um objeto, ela pode atingir queda livre. Exemplos incluem:

• Uma nave espacial no espaço sem um sistema de propulsão engatado
• Um objeto jogado para cima
• Um objeto caiu de uma torre suspensa ou em um tubo suspenso
• Uma pessoa pulando

Por outro lado, objetos não em queda livre incluem:

• Um pássaro voador
• Uma aeronave voadora (porque o asas fornecem sustentação)
• Usando um pára-quedas (porque ele contraria a gravidade com o arrasto e, em alguns casos, pode fornecer sustentação)
• Um pára-quedista que não usa pára-quedas (porque a força de arrasto é igual ao seu peso na velocidade terminal)

Na relatividade geral, queda livre é definida como o movimento de um corpo ao longo de uma geodésica, com a gravidade descrita como curvatura espaço-tempo.

Se um objeto está caindo em direção à superfície de um planeta e a força da gravidade é muito maior que a força do ar resistência ou então sua velocidade é muito menor que a velocidade terminal, a velocidade vertical de queda livre pode ser aproximado como:

v_t = gt + v₀

Onde:

• v_t é a velocidade vertical em metros por segundo
• v₀ é a velocidade inicial (m / s)
• g é a aceleração devida à gravidade (cerca de 9,81 m / s² perto da Terra)
• t é o (s) tempo (s) decorrido (s)

Como a velocidade terminal depende do arrasto e da seção transversal de um objeto, não há uma velocidade única para a velocidade terminal. Em geral, uma pessoa que cai pelo ar na Terra atinge a velocidade terminal após cerca de 12 segundos, que abrange cerca de 450 metros ou 1500 pés.

Um pára-quedista na posição de barriga para terra atinge uma velocidade terminal de cerca de 195 km / h (54 m / s ou 121 mph). Se o pára-quedista puxar seus braços e pernas, sua seção transversal será reduzida, aumentando a velocidade terminal para cerca de 320 km / h (90 m / s ou pouco menos de 200 mph). Isso é quase o mesmo que a velocidade terminal alcançada por um falcão peregrino que mergulha em presas ou em balas que caem após serem derrubadas ou disparadas para cima. A velocidade terminal recorde mundial foi estabelecida por Felix Baumgartner, que saltou de 39.000 metros e atingiu uma velocidade terminal de 134 km / h (834 mph).

• Huang, Jian. "Velocidade de um pára-quedista (velocidade terminal)". O livro de fatos da física. Glenn Elert, escola secundária de Midwood, faculdade de Brooklyn, 1999.
• Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA. "Tudo sobre o falcão peregrino. "20 de dezembro de 2007.
• O balístico. "Balas no céu". W. Square Enterprises, 9826 Sagedale, Houston, Texas 77089, março de 2001.