Velocidad terminal y caída libre
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La velocidad terminal y la caída libre son dos conceptos relacionados que tienden a ser confusos porque dependen de si un cuerpo está o no en un espacio vacío o en un fluido (por ejemplo, la atmósfera o incluso el agua). Eche un vistazo a las definiciones y ecuaciones de los términos, cómo están relacionados y qué tan rápido cae un cuerpo en caída libre o a velocidad terminal en diferentes condiciones.
Definición de velocidad terminal
La velocidad terminal se define como la velocidad más alta que puede alcanzar un objeto que cae a través de un fluido, como el aire o el agua. Cuando se alcanza la velocidad terminal, la fuerza de gravedad hacia abajo es igual a la suma de la flotabilidad del objeto y la fuerza de arrastre. Un objeto una velocidad terminal tiene cero aceleración neta.
Ecuación de velocidad terminal
Hay dos ecuaciones particularmente útiles para encontrar la velocidad terminal. El primero es para la velocidad terminal sin tener en cuenta la flotabilidad:
Vt = (2mg / ρACre)1/2
dónde:
- Vt es la velocidad terminal
- m es la masa del objeto que está cayendo
- g es la aceleración debido a la gravedad
- Cre es el coeficiente de arrastre
- ρ es la densidad del fluido a través del cual cae el objeto
- A es el área transversal proyectada por el objeto
En líquidos, en particular, es importante tener en cuenta la flotabilidad del objeto. El principio de Arquímedes se usa para explicar el desplazamiento del volumen (V) por la masa. La ecuación se convierte en:
Vt = [2 (m - ρV) g / ρACre]1/2
Definición de caída libre
El uso diario del término "caída libre" no es lo mismo que la definición científica. De uso común, se considera que un buceador está en caída libre al alcanzar la velocidad terminal sin paracaídas. En realidad, el peso del paracaidista es soportado por un colchón de aire..
La caída libre se define según la física newtoniana (clásica) o en términos de relatividad general. En la mecánica clásica, la caída libre describe el movimiento de un cuerpo cuando la única fuerza que actúa sobre él es la gravedad. La dirección del movimiento (arriba, abajo, etc.) no es importante. Si el campo gravitacional es uniforme, actúa por igual en todas las partes del cuerpo, lo que lo hace "sin peso" o experimenta "0 g". Aunque pueda parecer extraño, un objeto puede estar en caída libre incluso cuando se mueve hacia arriba o en la parte superior de su movimiento. Un paracaidista que salta desde fuera de la atmósfera (como un salto HALO) casi alcanza la verdadera velocidad terminal y la caída libre.
En general, siempre que la resistencia del aire sea insignificante con respecto al peso de un objeto, puede lograr la caída libre. Ejemplos incluyen:
- Una nave espacial en el espacio sin un sistema de propulsión activado
- Un objeto arrojado hacia arriba
- Un objeto caído de una torre de caída o en un tubo de caída
- Una persona saltando
En contraste, los objetos no en caída libre incluyen
- Un pájaro volador
- Un avión volador (porque las alas proporcionan elevación)
- Usar un paracaídas (porque contrarresta la gravedad con arrastre y en algunos casos puede proporcionar elevación)
- Un paracaidista que no usa un paracaídas (porque la fuerza de arrastre es igual a su peso a la velocidad terminal)
En relatividad general, la caída libre se define como el movimiento de un cuerpo a lo largo de una geodésica, con la gravedad descrita como curvatura espacio-tiempo.
