Velocidade Terminal

Definição de Velocidade terminal

A velocidade terminal é a velocidade uniforme limite alcançada por um corpo em queda quando a resistência do ar se tornou igual à força da gravidade

A velocidade terminal é alcançada, portanto, quando a velocidade de um objeto em movimento não está mais aumentando ou diminuindo; a aceleração (ou desaceleração) do objeto é zero.

A força da resistência do ar é aproximadamente proporcional à velocidade do objeto em queda, de modo que a resistência do ar aumenta para um objeto que está acelerando, tendo caído do repouso até que a velocidade terminal seja atingida.

Na velocidade terminal, a resistência do ar é igual em magnitude ao peso do objeto em queda. Como as duas são forças opostas, a força total sobre o objeto é zero e a velocidade do objeto tornou-se constante.

Velocidade terminal e queda livre são dois conceitos relacionados que tendem a ficar confusos porque dependem de se um corpo está ou não no espaço vazio ou em um fluido (por exemplo, e atmosfera ou mesmo água).

O que é velocidade terminal?

Velocidade terminal é o termo para a velocidade que um objeto atinge quando a força de arrasto, ou resistência do ar, empurrando contra ele é igual à força da gravidade puxando-o para baixo.

Um objeto lançado de uma altura irá inicialmente acelerar por causa da gravidade. A atmosfera, entretanto, exerce uma força oposta, ou arrasto, que aumenta à medida que o objeto se move mais rápido.

Depois de um tempo, um ponto é alcançado onde as duas forças opostas são iguais, e depois disso, a velocidade do objeto permanece constante, a menos que outra força atue sobre ele: esta velocidade é conhecida como sua velocidade terminal. A velocidade final depende do peso do objeto, sua forma e a densidade da atmosfera.

O peso e a densidade atmosférica podem variar de um lugar para outro. Embora a massa de um objeto, que pode ser definida como a quantidade de matéria que ele contém, seja a mesma onde quer que esteja localizado, seu peso depende da força do campo gravitacional local. Isso não varia na Terra em uma escala que é diretamente perceptível para os humanos, mas em outros lugares, como a Lua ou Marte, será muito diferente. A densidade da atmosfera diminui com a altitude, então a resistência do ar é maior perto do solo do que em grandes alturas.

Peso e arrasto

A quantidade de arrasto que atua em um objeto em queda depende da densidade da atmosfera e da forma do objeto. Quanto maior for a densidade da atmosfera, maior será a resistência ao movimento.

Em curtas distâncias verticais, a diferença na densidade será pequena e insignificante para a maioria dos propósitos, mas para algo caindo da atmosfera superior há uma grande diferença, o que complica os cálculos de velocidade terminal.

O arrasto também depende muito da forma do corpo em queda. Se um pedaço de material pesado, como chumbo, tiver a forma de uma bala e cair, apontar para baixo, de uma grande altura, sofrerá relativamente pouco arrasto e atingirá uma alta velocidade terminal. Se o mesmo pedaço de chumbo for transformado em um disco fino e solto de modo que fique plano em relação à superfície da Terra, ele experimentará uma resistência do ar muito maior e atingirá uma velocidade terminal muito mais baixa em menos tempo.

A quantidade de força para baixo em um objeto em queda depende de seu peso, que é a interação da massa do objeto com a força da gravidade. Quanto maior a massa, maior será a força e, portanto, maior será a velocidade terminal. Se o experimento acima for conduzido usando um material leve, como o alumínio, as velocidades finais para ambas as formas seriam menores do que para as formas de chumbo.

É importante compreender, entretanto, que a aceleração da gravidade é a mesma para todos os objetos; é o fator de arrasto que causa as variações de peso e forma.

Se o experimento com diferentes formas de chumbo e alumínio for realizado no vácuo, todos os objetos irão acelerar na mesma taxa, independentemente do peso ou da forma, porque o fator de arrasto devido ao ar foi eliminado.

Cálculo

Determinar a velocidade terminal de um objeto largado de uma determinada altura pode ser complicado. Alguns dos fatores, como massa e aceleração da gravidade, são diretos, mas também é necessário conhecer o coeficiente de arrasto, valor que depende fundamentalmente da forma do objeto. Para muitos objetos, o coeficiente de arrasto é determinado por experimento, pois os cálculos seriam muito difíceis para formas complexas. Como a densidade da atmosfera varia com a altitude, essa variação também precisa ser levada em consideração, a menos que a distância a cair seja muito curta.

Exemplos

Uma gota de chuva tem uma velocidade terminal de cerca de 17 mph (27 km/h).

Em contraste, uma grande pedra de granizo pode atingir 42 mph (68 km/h), o que é suficiente para causar ferimentos. Uma bala de chumbo disparada direto para o ar, ao cair de volta para o solo, atingiria cerca de 245 km/h.

Um pára-quedista, voltado para o solo com os membros espalhados para maximizar a resistência do ar, normalmente terá uma velocidade terminal de cerca de 200 km/h (124 mph). Mergulhando de cabeça, com braços e pernas dobrados, o mesmo pára-quedista pode atingir cerca de 200 mph (320 km/h) ou mais. As velocidades precisas dependem da altitude inicial, e velocidades muito mais altas podem ser alcançadas mergulhando de altitudes extremas, onde a atmosfera é muito mais rarefeita. Para objetos que caem em direção à Terra de fora da atmosfera, por exemplo meteoritos, a velocidade terminal pode ser menor que a velocidade inicial em relação à Terra. Nesses casos, o objeto desacelera em direção à velocidade final.

Velocidade terminal – Física

Velocidade terminal, velocidade constante alcançada por um objeto caindo livremente através de um gás ou líquido.

Uma velocidade terminal típica para um pára-quedista que retarda a abertura do pára-quedas é de cerca de 240 quilômetros por hora.

As gotas de chuva caem a uma velocidade terminal muito mais baixa e uma névoa de minúsculas gotículas de óleo se estabelece a uma velocidade terminal extremamente pequena.

Um objeto largado do repouso aumentará sua velocidade até atingir a velocidade terminal; um objeto forçado a se mover mais rápido do que sua velocidade terminal irá, ao ser liberado, desacelerar até esta velocidade constante.

A velocidade terminal é alcançada, portanto, quando a velocidade de um objeto em movimento não está mais aumentando ou diminuindo; a aceleração (ou desaceleração) do objeto é zero.

A força da resistência do ar é aproximadamente proporcional à velocidade do objeto em queda, de modo que a resistência do ar aumenta para um objeto que está acelerando, tendo caído do repouso até que a velocidade terminal seja atingida. Na velocidade terminal, a resistência do ar é igual em magnitude ao peso do objeto em queda. Como as duas são forças opostas, a força total sobre o objeto é zero e a velocidade do objeto tornou-se constante.

O que é resistência do ar?

A resistência do ar, também chamada de resistência do vento, é o efeito de desaceleração que o ar cria em um corpo conforme ele se move pela atmosfera.

Objetos ou pessoas em queda livre terão sua descida retardada pelo ar, por exemplo. É também um fator no movimento de aeronaves ou qualquer veículo que se mova em alta velocidade.

Essa resistência tem uma variedade de outros efeitos, alguns deles facilmente observáveis.

O físico e filósofo italiano Galileu descobriu o princípio da resistência do ar
ao tentar refutar a teoria da gravidade de Aristóteles

A humanidade sempre foi capaz de observar os efeitos da resistência do ar, mas os fatores físicos envolvidos não foram compreendidos até o século XVII.

Galileu, tentando entender o princípio da gravidade, usou experimentos para testar a tese de Aristóteles de que objetos mais pesados caem mais rápido do que os mais leves.

Ele foi capaz de provar que isso não era verdade; a força gravitacional afeta todos os objetos da mesma maneira.

Ele percebeu que os objetos mais leves eram retardados pela resistência do ar e os objetos mais pesados tinham peso suficiente para combater esse fator.

A resistência do ar é causada pela colisão de um objeto sólido com moléculas de gás na atmosfera. Quanto maior o número de moléculas de ar, maior será a resistência. Na prática, isso significa que um objeto com uma superfície mais ampla encontra maior resistência.

Um objeto mais rápido também tem maior resistência do ar porque entra em contato com mais moléculas de ar em um determinado intervalo de tempo.

Quando a resistência de um objeto em queda livre é igual à atração da gravidade sobre o objeto, ele não acelera mais. Isso é chamado de velocidade terminal e varia dependendo de fatores como peso, área de superfície e velocidade.

O efeito pode ser observado observando os pára-quedistas em ação. Antes de ativar seu pára-quedas, o pára-quedista cai em velocidade terminal, aparentemente mantido no ar.

Se ela retrair os membros e apontar o corpo para baixo, sua velocidade aumentará à medida que a resistência diminuir. Posicionando o corpo paralelo ao solo e abrindo os braços e as pernas, ela pode diminuir a velocidade de descida. Assim que ela abrir o paraquedas, a resistência do ar aumentará, tornando-a ainda mais lenta.

A velocidade final do pára-quedas aberto é baixa o suficiente para que ele atinja o solo a uma velocidade de sobrevivência.

As aeronaves são projetadas para superar a resistência do ar, que é chamada de arrasto no campo da aerodinâmica.

O design aerodinâmico da maioria dos aviões a jato e foguetes permite que eles atravessem a atmosfera com o mínimo de resistência possível. Carros e trens também usam designs simplificados, em menor grau, para o mesmo propósito. A menos que sejam projetados para viagens em alta velocidade, a resistência do ar não é um obstáculo tão significativo para os veículos terrestres quanto para as aeronaves.

Semi-caminhões às vezes têm tetos curvos para diminuir o arrasto no espaço entre o caminhão e o trailer, o que pode ter um efeito negativo na milhagem do gás.

Fonte: www.bbc.co.uk/biomassprocessing.org/www.grc.nasa.gov/Encyclopaedia Britannica/www.wisegeek.org/hyperphysics.phy-astr.gsu.edu