| Arrasto quadrático, sobre a velocidade relativa ao ar | |
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| Velocidade terminal: o arrasto iguala o peso | |
| Descida vertical do repouso e subida vertical |
Lição
A teoria — Simulador de Projétil com Arrasto e Vento
O arrasto quadrático é a resistência do ar que atua sobre qualquer objeto arremessado à mão: uma força k|vrel|² dirigida contra a velocidade da bola em relação ao ar, vrel = v − w, com k = ½ρCdA. Como |vrel| combina ambas as componentes, acopla o movimento horizontal ao vertical e impede que reste qualquer fórmula direta para a trajetória. Esta página resolve o voo por integração em passos de, no máximo, 5 ms.
O que significa cada símbolo
θ- o ângulo de lançamento. Sem resistência o seu melhor valor é 45° para qualquer velocidade inicial e qualquer massa — uma constante do problema. Com resistência não é nada disso, e é disso que trata esta lição.
k/m- o coeficiente de resistência dividido pela massa. É a única combinação que aparece nas equações: nunca
ksozinho, nuncamsozinho. Duas das seis caixas de entrada são pegas do mesmo número. v_rel- velocidade relativa ao ar,
v − w. O arrasto atua sobre esta grandeza e nunca sobre a velocidade em relação ao solo. R- o alcance. A página apresenta dois valores:
R0, pela fórmula do vácuo, eR, pela integração numérica; o intervalo entre ambos é o que o ar consumiu.
De onde vem a fórmula
- Comecemos sem ar, onde os dois eixos nunca falam um com o outro. A velocidade horizontal é constante, a posição vertical é uma parábola no tempo, e eliminar o tempo deixa
R = v₀² sin(2θ)/g. Maximizando,sin(2θ)é máximo em2θ = 90°. Repare no que desapareceu: nemv₀nem a massa constam dessa condição, pelo que 45° é o melhor ângulo para todo o lançamento que alguma vez existiu. É por isso que se guarda como facto e não como resultado. - Com o arrasto, os eixos deixam de ser independentes. A aceleração passa a ser
−g ŷ − (k/m)|vrel|vrele, como|vrel|envolve ambas as componentes, a equação horizontal depende da subida da bola e a equação vertical da sua rapidez de avanço. O par é não linear e não se desliga, não restando qualquer fórmula elementar paraR. A tabela de resultados apresenta o alcance sob a forma do integral que ele realmente é. - Dividindo por m, resta apenas k/m. Uma bola pesada comporta-se como uma bola leve num ar mais rarefeito. Experimente
k = 0.03comm = 3e obterá a trajetória dek = 0.01comm = 1até ao último algarismo. A predefinição bola pesada é apenas o caso de pouco arrasto com outro nome: a caixa da massa nada ensina que a do arrasto já não mostrasse. - O melhor ângulo desce abaixo dos 45°. Um lançamento íngreme passa mais tempo no ar, e o ar retira-lhe velocidade a cada segundo. Ao nível do chão e em ar parado, o ângulo ótimo fica abaixo dos 45°; como o arrasto cresce com a velocidade, este ângulo reduz-se quanto mais força colocar no arremesso — efeito que no vácuo nunca acontecia. Com o arrasto predefinido, a 25 m/s o projétil viaja mais longe a 38,939° (28,743 m, contra 28,283 m a 45°) e a 90 m/s atinge o máximo a 29,34° (72,117 m, contra 66,493 m). A última linha da tabela calcula esse ângulo para quaisquer valores escolhidos. O vento altera-o mais uma vez: com 20 m/s a favor num lançamento a 25 m/s, o melhor ângulo passa para 47,093°.
Como ler o que vê
A curva tracejada mostra o mesmo lançamento na ausência de ar, a parábola da página anterior; o espaço entre as duas curvas é o tributo cobrado pela atmosfera. Regule o arrasto para zero e a curva contínua assenta sobre a tracejada: o alcance por integração coincide com a fórmula no vácuo em todos os algarismos que a tabela imprime. Qualquer diferença visível com o arrasto ligado reflete o ar, não a aritmética.
- Pressupõe
- Ar parado exceto um vento horizontal constante que sopra à mesma velocidade a qualquer altura, densidade uniforme em toda a subida e um coeficiente de resistência que não varia com a velocidade. Uma massa pontual: sem sustentação, sem rotação, sem força de Magnus — uma bola de golfe cortada e uma granada que deriva ficam ambas fora do que este modelo consegue dizer.
Problemas resolvidos na íntegra
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Arrasto linear ou quadrático? 4 passos
Uma esfera de diâmetro D em movimento no ar com velocidade v sofre dois tipos de arrasto: o arrasto viscoso 3πηDv (lei de Stokes) e o arrasto de pressão ½ρCd(πD²/4)v². Considere η = 1,8 × 10⁻⁵ Pa·s, ρ = 1,2 kg/m³ e Cd = 0,47. Qual deles predomina numa bola de basebol (D = 7,4 cm) a 40 m/s, e qual numa gota de óleo (D = 1,5 µm) em deriva a 0,10 mm/s?
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Basta dividir uma força pela outra. A maior parte dos fatores cancela-se, e o que sobra cresce tanto com o tamanho como com a velocidade:
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Os parâmetros do ar definem a constante:
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Para a bola de basebol:
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Para a gota:
Resposta
Na bola de basebol predomina o regime quadrático, sendo o arrasto de pressão 3864 vezes o viscoso; na gota prevalece o linear, onde o termo quadrático não passa de 2,0 × 10⁻⁷ do viscoso. Qualquer objeto lançado à mão situa-se claramente no domínio quadrático, que é a lei adotada nesta página. A lei de Stokes reserva-se para poeiras, névoas e as célebres gotas de óleo de Millikan.
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Arrasto no lançamento e velocidade terminal 4 passos
Uma bola de 1,0 kg com constante de arrasto k = 0,030 kg/m é lançada a 25 m/s, a 45° acima da horizontal, em ar parado. Determine a força de arrasto no instante do lançamento e compare-a com o peso da bola. Qual é a sua velocidade terminal?
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Em ar parado, a velocidade em relação ao ar coincide com a própria velocidade:
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O arrasto quadrático é k vezes o quadrado dessa velocidade:
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Comparando com o peso:
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A velocidade terminal é aquela em que o arrasto equilibra o peso:
Resposta
18,75 N no lançamento, 1,9113 vezes o peso; velocidade terminal de 18,083 m/s. A bola sai da mão mais depressa do que alguma vez conseguiria cair. Por isso, até que a sua velocidade baixe dos 18,083 m/s, o ar empurra-a com mais força do que a própria gravidade.
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Contra o vento e a favor dele 4 passos
O mesmo lançamento é feito contra um vento de frente de 8,0 m/s. Determine a velocidade da bola em relação ao ar no instante do lançamento e a força de arrasto que sofre. Depois, repita com o vento pelas costas do lançador.
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Componentes em relação ao solo, como antes:
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Contra o vento, o ar move-se a w = −8,0 m/s. Subtrai-se a velocidade do ar à da bola:
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O arrasto varia com o quadrado dessa velocidade:
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Com o vento pelas costas, w = +8,0 m/s e a subtração inverte o sentido:
Resposta
Contra o vento, 31,174 m/s em relação ao ar e 29,155 N de arrasto; a favor dele, 20,153 m/s e 12,185 N. A bola sai da mão a 25 m/s em ambos os casos. Para o ar apenas conta a diferença relativa, e o arrasto mais do que duplica de uma situação para a outra. Prima vento a favor para o segundo caso.
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Queda de 100 m 4 passos
A mesma bola (m = 1,0 kg, k = 0,030 kg/m) é largada do repouso a 100 m do solo. Com que velocidade chega ao chão? Compare esse valor com a sua velocidade terminal e com a velocidade que atingiria no vácuo.
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Tomemos y como a distância percorrida na queda e v como a velocidade para baixo. Ao escrever a aceleração como v dv/dy, a equação passa a relacionar a velocidade com a distância, e não com o tempo:
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Separe as variáveis e integre a partir do repouso:
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Substituindo os valores numéricos, com a velocidade terminal de 18,083 m/s obtida no problema 2:
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Sem resistência do ar, a mesma queda resulta em:
Resposta
18,061 m/s: 99,88% da velocidade terminal e 41% dos 44,294 m/s que se obteriam no vácuo. A página integra a mesma queda sem recorrer à fórmula analítica e chega aos mesmos 18,061 m/s, após 6,8066 s.
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Lançamento vertical para cima 4 passos
A mesma bola é lançada verticalmente para cima a 25 m/s. Que altura atinge e quanto tempo demora a subida? Com que velocidade regressa ao solo, e a descida é mais rápida ou mais lenta do que a subida?
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Na subida, tanto o arrasto como a gravidade apontam para baixo. Usando novamente v dv/dy, o ponto mais alto atinge-se em:
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O tempo calcula-se antes a partir de dv/dt = −g(1 + v²/vt²):
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A descida equivale ao problema 4 a partir de uma altura de 17,810 m. Como e−2kH/m = (1 + v0²/vt²)−1, a velocidade ao chegar ao solo simplifica-se:
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E a duração da descida, a partir de dv/dt = g(1 − v²/vt²):
Resposta
17,810 m de subida em 1,7412 s e regresso ao solo a 14,652 m/s após mais 2,0789 s. A bola regressa mais lenta do que partiu e demora mais tempo a descer, porque na subida o arrasto ajudou a gravidade e na descida atuou contra ela. No vácuo, subiria 31,855 m e regressaria a 25 m/s. A página apresenta o tempo total de 3,8201 s.
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Por que razão os 63,71 m no vácuo passam a 28,283 m 5 passos
25 m/s a 45°, uma bola de 1,0 kg com k = 0,030 kg/m. A fórmula no vácuo prevê 63,71 m. Descubra por que razão o resultado cai para 28,283 m e por que motivo a altura máxima sofre muito menos do que o alcance.
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Comece pela resposta que o ar vai estragar. Ambas as fórmulas no vácuo são exatas, ocupam uma linha e constituem a única base analítica deste problema.
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Escreva agora a equação real. O termo de arrasto aponta em sentido oposto ao da velocidade, pelo que a sua componente horizontal depende da velocidade vertical e vice-versa: os dois eixos deixam de ser independentes e a parábola deixa de existir.
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Leia as duas perdas no painel sob a forma de frações. Elas diferem, e essa diferença é precisamente o que vale a pena explicar.
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A velocidade terminal é a velocidade à qual o arrasto equilibra o peso. Compará-la com a velocidade de lançamento revela qual das forças comanda no início.
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O comprimento característico de arrasto m/k é a distância ao longo da qual o ar dissipa uma fração substancial da velocidade. Compare-o com o alcance que esperava obter.
Resposta
Porque o arrasto impõe uma escala de comprimento de 33 m, e o lançamento pretendia ter 64 m de alcance mas apenas 16 m de altura. O alcance preserva 44% do seu valor no vácuo; a altura máxima, 61%. Dois números mostram claramente que o arrasto não é aqui uma pequena correção. A velocidade terminal é de 18,083 m/s, abaixo dos 25 m/s do lançamento, pelo que a bola começa a perder mais para o ar do que para a gravidade; além disso, m/k = 33,3 m vale metade do alcance no vácuo, quando uma pequena correção exigiria que fosse muitas vezes superior. Não existe uma solução analítica fechada a que recorrer: o arrasto acopla os dois eixos, e é por essa razão que a página integra numericamente em vez de efetuar uma substituição direta.
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Problemas suplementares, só com a resposta
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Uma bola de basebol com massa de 0,145 kg tem constante de arrasto k = 1,3 × 10⁻³ kg/m. Qual é a sua velocidade terminal?
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33,08 m/s.
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Uma esfera de chumbo e uma bola têm o mesmo tamanho, pelo que k = 0,030 kg/m para ambas; no entanto, a esfera tem massa de 3,0 kg e a bola de 1,0 kg. Que constante de arrasto teria a bola de ter para voar exatamente como a esfera?
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0,010 kg/m: apenas a razão k/m intervém no movimento.
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A bola de 1,0 kg com k = 0,030 kg/m é largada do repouso. Que distância percorreu quando atinge 90% da sua velocidade terminal?
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27,68 m.
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Uma bola com k/m = 0,010 m⁻¹ é lançada verticalmente para cima a 40 m/s. Que altura atinge e com que velocidade regressa ao solo?
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48,37 m e regressa a 24,66 m/s.
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Uma bola com k/m = 0,030 m⁻¹ cai sob a ação de um vento horizontal constante de 5,0 m/s. Se cair durante tempo suficiente, para que velocidade em relação ao solo estabiliza?
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18,76 m/s, 74,54° abaixo da horizontal: 5,0 m/s no sentido do vento e 18,08 m/s para baixo.
Percurso de aprendizagem
O lançamento de objetos
Referências (2)
- The lesson — why the coupled equations admit no elementary range formula, and how the optimum angle moves: G. W. Parker, "Projectile motion with air resistance quadratic in the speed." American Journal of Physics 45(7), 606–610, 1977.
- Insight block 3 — why roughening a ball reduces its drag: P. W. Bearman and J. K. Harvey, "Golf Ball Aerodynamics." Aeronautical Quarterly 27(2), 112–122, 1976 — wind-tunnel measurements of dimpled against smooth spheres.