Simulador de Projétil com Arrasto e Vento

Compare a trajetória ideal com a influenciada pelo arrasto.

Arrasto quadrático, sobre a velocidade relativa ao ar F=−k ∣vrel∣ vrel,vrel=v−wk=12ρ CdA\begin{gathered}\mathbf F=-k\,|\mathbf v_{\mathrm{rel}}|\,\mathbf v_{\mathrm{rel}},\qquad \mathbf v_{\mathrm{rel}}=\mathbf v-\mathbf w\\ k=\tfrac12\rho\,C_dA\end{gathered}
Velocidade terminal: o arrasto iguala o peso vt=mgkv_t=\sqrt{\frac{mg}{k}}
Descida vertical do repouso e subida vertical v2=vt2(1−e−2ky/m)H=m2kln⁡ ⁣(1+v02vt2)\begin{gathered}v^{2}=v_t^{2}\left(1-e^{-2ky/m}\right)\\ H=\frac{m}{2k}\ln\!\left(1+\frac{v_0^{2}}{v_t^{2}}\right)\end{gathered}
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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 k sozinho, nunca m sozinho. 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, e R, pela integração numérica; o intervalo entre ambos é o que o ar consumiu.

De onde vem a fórmula

  1. 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 em 2θ = 90°. Repare no que desapareceu: nem v₀ nem 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.
    R=v02sin⁡2θg≤v02g ⇒ θ∗=45∘R=\frac{v_0^{2}\sin2\theta}{g}\le\frac{v_0^{2}}{g}\ \Rightarrow\ \theta^{*}=45^\circ
  2. Com o arrasto, os eixos deixam de ser independentes. A aceleração passa a ser −g ŷ − (k/m)|vrel|vrel e, 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 para R. A tabela de resultados apresenta o alcance sob a forma do integral que ele realmente é.
    dvdt=−g y^−km ∣vrel∣ vrel,∣vrel∣=(vx−w)2+vy2\frac{d\mathbf v}{dt}=-g\,\hat{\mathbf y}-\frac{k}{m}\,|\mathbf v_{\mathrm{rel}}|\,\mathbf v_{\mathrm{rel}},\qquad |\mathbf v_{\mathrm{rel}}|=\sqrt{(v_x-w)^{2}+v_y^{2}}
  3. Dividindo por m, resta apenas k/m. Uma bola pesada comporta-se como uma bola leve num ar mais rarefeito. Experimente k = 0.03 com m = 3 e obterá a trajetória de k = 0.01 com m = 1 até 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.
    km=0.033=0.011=0.01 m−1\frac{k}{m}=\frac{0.03}{3}=\frac{0.01}{1}=0.01\ \mathrm{m^{-1}}
  4. 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°.
    v0=25:  R(45∘)=28.283<R(38.939∘)=28.743 m;v0=90:  R(45∘)=66.493<R(29.34∘)=72.117 mv_0=25:\ \ R(45^\circ)=28.283<R(38.939^\circ)=28.743\ \mathrm{m};\qquad v_0=90:\ \ R(45^\circ)=66.493<R(29.34^\circ)=72.117\ \mathrm{m}

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

  1. 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?

    1. 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:

      FquadFlin=12ρCd πD24 v23πηDv=ρCd24η Dv\frac{F_{\mathrm{quad}}}{F_{\mathrm{lin}}}=\frac{\tfrac12\rho C_d\,\tfrac{\pi D^{2}}{4}\,v^{2}}{3\pi\eta Dv}=\frac{\rho C_d}{24\eta}\,Dv
    2. Os parâmetros do ar definem a constante:

      ρCd24η=1.2×0.4724×1.8×10−5=1305.6 s/m2\frac{\rho C_d}{24\eta}=\frac{1.2\times0.47}{24\times1.8\times10^{-5}}=1305.6\ \mathrm{s/m^{2}}
    3. Para a bola de basebol:

      1305.6×0.074×40=3864.41305.6\times0.074\times40=3864.4
    4. Para a gota:

      1305.6×(1.5×10−6)×(1.0×10−4)=1.9583×10−71305.6\times(1.5\times10^{-6})\times(1.0\times10^{-4})=1.9583\times10^{-7}

    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.

    FquadFlin=3864  (D=7.4 cm),FquadFlin=2.0×10−7  (D=1.5 μm)\frac{F_{\mathrm{quad}}}{F_{\mathrm{lin}}}=3864\ \ (D=7.4\ \mathrm{cm}),\qquad \frac{F_{\mathrm{quad}}}{F_{\mathrm{lin}}}=2.0\times10^{-7}\ \ (D=1.5\ \mu\mathrm{m})
  2. 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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    1. Em ar parado, a velocidade em relação ao ar coincide com a própria velocidade:

      ∣vrel∣=∣v∣=25 m/s(w=0)|\mathbf v_{\mathrm{rel}}|=|\mathbf v|=25\ \mathrm{m/s}\qquad(w=0)
    2. O arrasto quadrático é k vezes o quadrado dessa velocidade:

      F=k ∣vrel∣2=0.030×252=18.75 NF=k\,|\mathbf v_{\mathrm{rel}}|^{2}=0.030\times25^{2}=18.75\ \mathrm{N}
    3. Comparando com o peso:

      mg=1.0×9.81=9.81 N,Fmg=18.759.81=1.9113mg=1.0\times9.81=9.81\ \mathrm{N},\qquad \frac{F}{mg}=\frac{18.75}{9.81}=1.9113
    4. A velocidade terminal é aquela em que o arrasto equilibra o peso:

      k vt2=mg ⇒ vt=mgk=1.0×9.810.030=18.083 m/sk\,v_t^{2}=mg\ \Rightarrow\ v_t=\sqrt{\frac{mg}{k}}=\sqrt{\frac{1.0\times9.81}{0.030}}=18.083\ \mathrm{m/s}

    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.

    F=18.75 N=1.9113 mg,vt=18.083 m/sF=18.75\ \mathrm{N}=1.9113\,mg,\qquad v_t=18.083\ \mathrm{m/s}
  3. 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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    1. Componentes em relação ao solo, como antes:

      vx=25cos⁡45∘=17.678 m/s,vy=25sin⁡45∘=17.678 m/sv_x=25\cos45^\circ=17.678\ \mathrm{m/s},\qquad v_y=25\sin45^\circ=17.678\ \mathrm{m/s}
    2. Contra o vento, o ar move-se a w = −8,0 m/s. Subtrai-se a velocidade do ar à da bola:

      vrel=(vx−w, vy)=(17.678+8.0, 17.678)=(25.678, 17.678),∣vrel∣=31.174 m/s\mathbf v_{\mathrm{rel}}=(v_x-w,\ v_y)=(17.678+8.0,\ 17.678)=(25.678,\ 17.678),\qquad |\mathbf v_{\mathrm{rel}}|=31.174\ \mathrm{m/s}
    3. O arrasto varia com o quadrado dessa velocidade:

      F=k ∣vrel∣2=0.030×31.1742=29.155 NF=k\,|\mathbf v_{\mathrm{rel}}|^{2}=0.030\times31.174^{2}=29.155\ \mathrm{N}
    4. Com o vento pelas costas, w = +8,0 m/s e a subtração inverte o sentido:

      w=+8.0:vrel=(9.6777, 17.678),∣vrel∣=20.153 m/s,F=12.185 Nw=+8.0:\quad \mathbf v_{\mathrm{rel}}=(9.6777,\ 17.678),\quad |\mathbf v_{\mathrm{rel}}|=20.153\ \mathrm{m/s},\quad F=12.185\ \mathrm{N}

    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.

    ∣vrel∣=31.174 m/s, F=29.155 N  (w=−8.0);∣vrel∣=20.153 m/s, F=12.185 N  (w=+8.0)|\mathbf v_{\mathrm{rel}}|=31.174\ \mathrm{m/s},\ F=29.155\ \mathrm{N}\ \ (w=-8.0);\qquad |\mathbf v_{\mathrm{rel}}|=20.153\ \mathrm{m/s},\ F=12.185\ \mathrm{N}\ \ (w=+8.0)
  4. 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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    1. 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:

      vdvdy=g−kmv2=g(1−v2vt2)v\frac{dv}{dy}=g-\frac{k}{m}v^{2}=g\left(1-\frac{v^{2}}{v_t^{2}}\right)
    2. Separe as variáveis e integre a partir do repouso:

      ∫0vv dv1−v2/vt2=∫0yg dy ⇒ v2=vt2(1−e−2ky/m)\int_0^{v}\frac{v\,dv}{1-v^{2}/v_t^{2}}=\int_0^{y}g\,dy\ \Rightarrow\ v^{2}=v_t^{2}\left(1-e^{-2ky/m}\right)
    3. Substituindo os valores numéricos, com a velocidade terminal de 18,083 m/s obtida no problema 2:

      2kym=2(0.030)(100)1.0=6.0,v=18.0831−e−6.0=18.061 m/s\frac{2ky}{m}=\frac{2(0.030)(100)}{1.0}=6.0,\qquad v=18.083\sqrt{1-e^{-6.0}}=18.061\ \mathrm{m/s}
    4. Sem resistência do ar, a mesma queda resulta em:

      vvac=2gy=2(9.81)(100)=44.294 m/sv_{\mathrm{vac}}=\sqrt{2gy}=\sqrt{2(9.81)(100)}=44.294\ \mathrm{m/s}

    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.

    v=18.061 m/s=0.9988 vt=0.41 vvacv=18.061\ \mathrm{m/s}=0.9988\,v_t=0.41\,v_{\mathrm{vac}}
  5. 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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    1. Na subida, tanto o arrasto como a gravidade apontam para baixo. Usando novamente v dv/dy, o ponto mais alto atinge-se em:

      vdvdy=−g(1+v2vt2) ⇒ H=vt22gln⁡ ⁣(1+v02vt2)=32719.62ln⁡ ⁣(1+625327)=17.810 mv\frac{dv}{dy}=-g\left(1+\frac{v^{2}}{v_t^{2}}\right)\ \Rightarrow\ H=\frac{v_t^{2}}{2g}\ln\!\left(1+\frac{v_0^{2}}{v_t^{2}}\right)=\frac{327}{19.62}\ln\!\left(1+\frac{625}{327}\right)=17.810\ \mathrm{m}
    2. O tempo calcula-se antes a partir de dv/dt = −g(1 + v²/vt²):

      tup=vtgarctan⁡v0vt=18.0839.81arctan⁡2518.083=1.7412 st_{\mathrm{up}}=\frac{v_t}{g}\arctan\frac{v_0}{v_t}=\frac{18.083}{9.81}\arctan\frac{25}{18.083}=1.7412\ \mathrm{s}
    3. 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:

      vback2=vt2(1−e−2kH/m) ⇒ vback=v0vtv02+vt2=25×18.083625+327=14.652 m/sv_{\mathrm{back}}^{2}=v_t^{2}\left(1-e^{-2kH/m}\right)\ \Rightarrow\ v_{\mathrm{back}}=\frac{v_0v_t}{\sqrt{v_0^{2}+v_t^{2}}}=\frac{25\times18.083}{\sqrt{625+327}}=14.652\ \mathrm{m/s}
    4. E a duração da descida, a partir de dv/dt = g(1 − v²/vt²):

      tdown=vtgartanh⁡vbackvt=18.0839.81artanh⁡14.65218.083=2.0789 st_{\mathrm{down}}=\frac{v_t}{g}\operatorname{artanh}\frac{v_{\mathrm{back}}}{v_t}=\frac{18.083}{9.81}\operatorname{artanh}\frac{14.652}{18.083}=2.0789\ \mathrm{s}

    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.

    H=17.810 m,tup=1.7412 s,vback=14.652 m/s,tdown=2.0789 sH=17.810\ \mathrm{m},\quad t_{\mathrm{up}}=1.7412\ \mathrm{s},\quad v_{\mathrm{back}}=14.652\ \mathrm{m/s},\quad t_{\mathrm{down}}=2.0789\ \mathrm{s}
  6. 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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    1. 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.

      R0=v02sin⁡2θg=252sin⁡90∘9.81=63.71 m,y0,max⁡=v02sin⁡2θ2g=15.928 mR_0=\frac{v_0^{2}\sin2\theta}{g}=\frac{25^{2}\sin90^{\circ}}{9.81}=63.71\ \mathrm{m},\qquad y_{0,\max}=\frac{v_0^{2}\sin^{2}\theta}{2g}=15.928\ \mathrm{m}
    2. 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.

      dvdt=−g y^−km ∣v∣ v\frac{d\mathbf v}{dt}=-g\,\hat{\mathbf y}-\frac{k}{m}\,|\mathbf v|\,\mathbf v
    3. Leia as duas perdas no painel sob a forma de frações. Elas diferem, e essa diferença é precisamente o que vale a pena explicar.

      R=28.283 m=0.4439 R0,ymax⁡=9.643 m=0.6054 y0,max⁡R=28.283\ \mathrm{m}=0.4439\,R_0,\qquad y_{\max}=9.643\ \mathrm{m}=0.6054\,y_{0,\max}
    4. 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.

      vt=mgk=1.0×9.810.030=18.083 m/s<v0=25 m/sv_t=\sqrt{\frac{mg}{k}}=\sqrt{\frac{1.0\times9.81}{0.030}}=18.083\ \mathrm{m/s}<v_0=25\ \mathrm{m/s}
    5. 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.

      ℓ=mk=1.00.030=33.3 m≈12R0\ell=\frac{m}{k}=\frac{1.0}{0.030}=33.3\ \mathrm{m}\approx\tfrac12R_0

    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.

    RR0=0.44,ymax⁡y0,max⁡=0.61\frac{R}{R_0}=0.44,\qquad \frac{y_{\max}}{y_{0,\max}}=0.61

Problemas suplementares, só com a resposta

  1. 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.

    vt=0.145×9.811.3×10−3=33.08 m/sv_t=\sqrt{\frac{0.145\times9.81}{1.3\times10^{-3}}}=33.08\ \mathrm{m/s}
  2. 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.

    km=0.0303.0=0.010 m−1 ⇒ k=0.010 kg/m  (m=1.0 kg)\frac{k}{m}=\frac{0.030}{3.0}=0.010\ \mathrm{m^{-1}}\ \Rightarrow\ k=0.010\ \mathrm{kg/m}\ \ (m=1.0\ \mathrm{kg})
  3. 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.

    y=−m2kln⁡ ⁣(1−0.902)=−1.00.060ln⁡0.19=27.68 my=-\frac{m}{2k}\ln\!\left(1-0.90^{2}\right)=-\frac{1.0}{0.060}\ln0.19=27.68\ \mathrm{m}
  4. 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.

    vt2=9.810.010=981,H=98119.62ln⁡ ⁣(1+1600981)=48.37 m,vback=40×31.321600+981=24.66 m/sv_t^{2}=\frac{9.81}{0.010}=981,\quad H=\frac{981}{19.62}\ln\!\left(1+\frac{1600}{981}\right)=48.37\ \mathrm{m},\quad v_{\mathrm{back}}=\frac{40\times31.32}{\sqrt{1600+981}}=24.66\ \mathrm{m/s}
  5. 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.

    v→(w, −vt)=(5.0, −18.08) m/s,∣v∣=18.76 m/s,φ=74.54∘\mathbf v\to(w,\,-v_t)=(5.0,\,-18.08)\ \mathrm{m/s},\qquad |\mathbf v|=18.76\ \mathrm{m/s},\quad \varphi=74.54^\circ

Por que razão a descida é mais íngreme e mais lenta

Durante a subida, tanto o arrasto como a gravidade apontam para baixo, travando a ascensão em conjunto. Na descida contrariam-se: a bola cai mais devagar do que subiu e demora mais tempo a fazê-lo. No lançamento de referência, a subida dura 1,2702 s e a descida 1,5141 s. Ao longo do percurso, o ar vai consumindo a velocidade horizontal, pelo que a segunda metade do voo cobre menos terreno do que a primeira. O ponto mais alto surge aos 16,259 m de uma trajetória de 28,283 m, já bem além do meio, e o projétil atinge o solo a 62,324°, tendo partido a 45°. No vácuo, a parábola é simétrica em relação ao vértice porque as equações sem arrasto funcionam da mesma forma se o tempo correr para trás. É o termo de arrasto que sabe em que sentido o tempo avança.

O que conta é o ar, não o solo

O arrasto atua sobre a velocidade relativa ao ar, v − w, pelo que não atrai a bola para o repouso: puxa-a para o movimento do próprio ar. Se o voo durar o suficiente num vento uniforme, qualquer corpo acabará a derivar à velocidade do vento enquanto desce à velocidade terminal. Prima vento contrário: um vento de 8 m/s contra o lançamento consome o avanço da bola antes de ela chegar ao chão, fazendo-a cair a 92,328° abaixo da horizontal, inclinada para trás, na direção de quem a lançou.

Por que bolas de golfe com covinhas voam mais longe

Tornar uma bola rugosa pode, na verdade, diminuir a sua resistência ao ar. As covinhas de uma bola de golfe forçam o ar junto à superfície a formar uma fina camada turbulenta, que adere à curvatura traseira da esfera durante mais tempo antes de se desprender, deixando uma esteira de baixa pressão bem mais estreita. Quando o escoamento atinge velocidade suficiente para fazer isto espontaneamente, o coeficiente de arrasto da esfera sofre uma queda brusca; é a conhecida crise do arrasto, e as covinhas antecipam essa quebra para as velocidades de uma tacada inicial. Esta página mantém k idêntico em todas as velocidades, pelo que essa crise é precisamente aquilo que o modelo não pode ilustrar.

Percurso de aprendizagem

O lançamento de objetos

Referências (2)