Força de resistência do ar

Força de resistência do ar

Chamamos de queda livre a queda dos corpos desprezando-se a resistência do ar. Se houver  resistência do ar não será queda livre.

Desprezando-se o ar, todos os corpos independente de sua forma ou massa, próximos à superfície da Terra (aproximadamente até a 8 km de altura), caem com amesma aceleração (da gravidade) que, dentro dessa altura vale aproximadamente 9,8m/s2, que podemos arredondar para 10m/s2.

Exemplo; Uma formiga de massa mf e um elefante de massa Me, em queda livre, sem ar:

Assim, desprezando-se a resistência do ar, um elefante e uma formiga, quando abandonados da mesma altura, chegam ao solo ao mesmo tempo.

Mas, quando os corpos se movimentam num fluido (ar ou água), além do peso que é constante surge também uma força, contrária ao movimento, que chamamos de força de resistência do ar (), que depende da velocidade do corpo, de sua forma e da área de secção transversal em relação à direção do movimento nesse meio.

Leia atentamente as informações a seguir sobre como se comporta um corpo (no exemplo um pára-quedista) em relação ao seu movimento, em queda, no ar.

Assim, sobre um pára-quedista caindo no ar com o pára-quedas fechado, surgem sempre na direção do movimento (vertical), duas forças: seu peso () que é  sempre constante e para baixo e a força de resistência do ar (), que é variável e sempre para cima.

Sem pára-quedas ele deve manter sempre o corpo na horizontal para aumentar a resistência do ar.

No início da queda, quando a velocidade vertical é nula, sobre ele age apenas a força peso,

acelerando-o para baixo.

A partir daí, sendo P > Fr, ele cai acelerando e sua velocidade vai aumentando provocando também

um aumento de Fr, pois quanto maior a velocidade maior será o valor de Fr. 

Chega um momento em que a intensidade de  fica igual à intensidade da força peso   e ele entra

em equilíbrio dinâmico (força resultante nula ) e sua velocidade vertical nesse instante é chamada velocidade terminal ou velocidade limite (que permanece a mesma até ele abrir o pára-quedas). Essa é a primeira velocidade limite de valor aproximadamente 200 km/h (figura acima).

Quando ele abre o pára-quedas, a área de contato com o ar aumenta, aumentando também a

força de resistência do ar  que fica maior que o peso .

Como, agora,  >  ele desacelera diminuindo  até que novamente eles se igualem  =   e o

pára-quedista começa a cair novamente, com nova velocidade constante, menor que a anterior com o pára-quedas fechado.

Essa segunda velocidade limite que é a velocidade com que ele chega ao solo independente da altura vale aproximadamente 22km/h, é baixa o suficiente para que ele não sofra danos, quando treinado.

A variação da velocidade dessa queda em função do tempo está representada no gráfico abaixo.

Para velocidades compreendidas aproximadamente entre 86km/h e 1200km/h a intensidade da força de resistência do ar é fornecida pela expressão:

Para velocidades inferiores a 86km/h a intensidade de  é dada pela expressão:

O que você deve saber, informações e dicas

A variação da velocidade da queda de um corpo no ar em função do tempo está representada no gráfico abaixo.

Para velocidades compreendidas aproximadamente entre 86km/h e 1200km/h a intensidade da força de resistência do ar é fornecida pela expressão:

Para velocidades inferiores a 86km/h a intensidade de  é dada pela expressão:

Quanto menor a área frontal em contato com o ar, menor será a potência (esforço) necessária para o deslocamento de um carro nessa massa de ar.

Influi também um formato aerodinâmico que faz com que a frente do carro corte o ar e faça-o escorregar de uma maneira mais eficiente, diminuindo sua resistência.

 Esse dois fatores juntos melhoram o desempenho do veículo e provocam economia de combustível, fazendo com que o motor utilize menor potência (força) para manter a velocidade.

Observe também que modelos mais aerodinâmicos (cortam ar e água) possuem formato de uma

gota de chuva ou de um ovo um pouco mais alongado, pois esses são os formatos mais aerodinâmicos existentes.

Para diminuir os efeitos da resistência do ar e aumentar sua velocidade, um esquiador, um

ciclista, um motociclista ou um skatista se agacha assumindo “posição do ovo”, diminuindo a área frontal em contato com o ar e tornando-se aerodinamicamente mais eficazes.

Nas expressões Fr = K.V2 ou Fr = K.V, V é a velocidade relativa entre o fluido e o corpo.

Assim, um carro a 80km/h movendo-se num dia sem vento sofrerá a mesma força contrária Fr, que sofreria se estivesse a 50km/h movendo-se contra um vento a 30km/h.

O atrito entre a superfície da carroceria do carro e o ar também influi de modo direto sobre o desempenho do carro. Ao penetrar no ar, o carro força o ar a se desviar de sua estrutura, direcionando-o por cima, por baixo e pelos lados do mesmo.

O perfil do carro tem comprimentos diferentes na parte superior e na parte inferior devido ao seu formato, possibilitando que as camadas de ar percorrendo tais comprimentos ao mesmo tempo, conseqüentemente tenham velocidades diferentes, provocando pressões diferentes, comprimindo o

carro contra o solo, o que provoca um aumento do atrito, aderindo mais o carro ao solo.

As principais peças para melhorar a aerodinâmica de um carro de corrida são o aerofólio que lhe dá uma melhor estabilidade vertical canalizando o ar pelo capô com mais perfeição e os dutos de

condução que aliviam a resistência do ar sobre o carro e a usam para dar mais estabilidade comprimindo-o mais contra o solo.

O formato e curvas do capô do carro também ajudam muito na diminuição da resistência do ar, fazendo que o carro “corte” o vento enquanto corre, diminuindo muito seus efeitos contrários.

Confira os exercícios com resolução comentada