La Fuerza de Arrastre en Física
Este artículo está a punto de volcarte un montón de información de golpe, así que intentaré que no te resulte pesado.
En física, la fuerza de arrastre es la fuerza que se opone al movimiento relativo entre un objeto y un fluido.
Un fluido es cualquier cosa que fluye, como un líquido o un gas. Cuando el fluido es aire, la fuerza de arrastre se denomina resistencia del aire.
El objeto puede moverse a través del fluido, o el fluido puede moverse alrededor del objeto;en cualquier caso, la fuerza de arrastre actúa en la dirección opuesta al movimiento relativo. De este modo, la fuerza de arrastre es similar a la fricción, pero el movimiento se produce entre un sólido y un fluido en lugar de entre dos sólidos. La imagen siguiente muestra a un hombre corriendo a través del aire (un fluido). Como el movimiento del hombre es hacia la derecha, la fuerza de arrastre actuaría en sentido contrario a ese movimiento, hacia la izquierda, como muestran las flechas de la figura.
¿Y si el hombre se queda quieto y el aire pasa a su lado en forma de viento, como en la imagen de abajo? Como puedes ver por las flechas de la figura, la fuerza de arrastre actuaría en la dirección del viento; esto se debe a que el movimiento relativo entre el hombre y el aire es el mismo que en la imagen anterior, pero en lugar de moverse el hombre hacia la derecha, el aire se mueve hacia la izquierda.
¿Y si el hombre corriera en la dirección del viento? En este punto, depende de si corre más deprisa o más despacio que el viento. Puede ser útil pensar en la dirección de la resistencia como la dirección en la que sentiría la presión, o fuerza, del fluido. Si siente la brisa en la parte delantera, la fuerza de arrastre apunta hacia la parte delantera; si siente la brisa en la espalda, la fuerza de arrastre apunta hacia la espalda.
Si corre a la misma velocidad que el viento y, por tanto, no siente la brisa, no habría fuerza de arrastre, ya que no habría movimiento relativo entre él y el aire que le rodea. En cambio, si saltara desde un balcón, sentiría el viento hacia arriba, de modo que la fuerza de arrastre apuntaría hacia arriba.
La fuerza de arrastre es una consideración importante en los diseños de ingeniería. Comprender la fuerza de arrastre y cómo disminuirla ayuda a diseñar estructuras y puentes más resistentes que aguantan mejor el viento, coches y avionesmás eficientes, y una captación más eficaz de la energía eólica e hidroeléctrica.
Tipos de fuerza de arrastre
Existen diferentes tipos de fuerza de arrastre, especialmente cuando se considera el vuelo de los aviones:
- Arrastre parásito: arrastrecausado por la forma, el material y el tipo de construcción del objeto.
- Arrastre de forma-Elarrastre debido a la forma del objeto que se mueve a través del fluido.
- Resistencia por fricción de la piel:resistencia debida a la rugosidad de la superficie del objeto.
- Resistenciapor interferencia: la resistencia resultante del encuentro e interferencia de dos flujos de aire de velocidades diferentes.
- Resistenciainducida: la resistencia resultante de la sustentación.
- Resistenciaondulatoria: la resistencia debida a las ondas de choque.
Si se tuviera en cuenta la densidad de las palabras, este artículo tendría una enorme fuerza de arrastre.
Ejemplos de fuerza de arrastre
Ya estamos otra vez:aún más ejemplos. Es como caminar por la miel.
La resistencia se produce cuando hay un movimiento relativo entre un objeto y un fluido. Algunos ejemplos de fuerza de arrastre son los siguientes
- Cualquier objeto que cae por el aire. Por ejemplo, los paracaidistas utilizan los principios de la fuerza de arrastre para moverse y posicionarse en el aire, y cuando abren sus paracaídas, la mayor fuerza de arrastre que se crea les ayuda a frenar para aterrizar.
- La fuerza de arrastre frena a los coches, aviones y barcos cuando se mueven. Por eso los ingenieros aumentan la aerodinámica de estos vehículos para reducir la resistencia y aumentar su eficacia.
- Los nadadores luchan contra la fuerza de resistencia cuando nadan. Incluso afeitándose pueden reducir la resistencia y aumentar la velocidad de los nadadores.
- Las ardillas voladoras utilizan su piel parecida a las alas para usar la fuerza de arrastre para controlar su vuelo y sus aterrizajes.
- Si te pusieras encima de un tren que se mueve rápidamente, no sería tan fácil pararse o correr como muchas películas hacen parecer, porque habría una fuerza de arrastre empujando contra ti.
- La fuerza de arrastre hace que las cometas vuelen. Debes correr hacia delante con la cometa para que la fuerza de arrastre empuje contra ella y la eleve en el aire.
Ecuación de la fuerza de arrastre
La ecuación o fórmula habitual de la fuerza de arrastre es la siguiente
$$D=\frac{1}{2}\\C\rho Av^2\mathrm{.}$$
Esta ecuación sólo es exacta en determinadas condiciones: el movimiento es lo bastante rápido como para que el fluido detrás del objeto sea turbulento, el fluido no es más denso que el aire y el objeto no es diminuto. Como ocurre con otras fuerzas, la fuerza de arrastre se mide en \(\mathrm{newtons}) \(\mathrm{N}).
Fórmula de la fuerza de arrastre
Arriba, probablemente hayas visto un montón de variables que nunca habías visto antes. Para ayudarte a comprender qué es la fuerza de arrastre, repasaremos cada una de estas variables.
\(C\) es el coeficiente de arrastre, que es un número sin unidades que se ha determinado experimentalmente. \(\rho\) representa la densidad del fluido en \(\mathrm{kg/m^3}\); a medida que aumenta la densidad, aumenta la fuerza de arrastre. En nuestro ejemplo inicial, el agua contribuye a una mayor fuerza de arrastre que el aire, porque tiene mayor densidad.
\(A\) es el área efectiva de la sección transversal del objeto en \(\mathrm{m^2}\)-esel área del objeto que es perpendicular al movimiento. Así, por ejemplo, al sacar la mano por la ventanilla de un coche en movimiento, si inclinas la mano, de modo que el lado quede orientado hacia la parte delantera del coche, sentirás menos fuerza que si sacas la mano con la palma hacia la parte delantera: esto se debe a que la mano tiene una sección transversal menor en la primera orientación.
\(v\) es la velocidad relativa entre el objeto y el fluido en \(\mathrm{m/s}\). Si metes la mano en el agua y la bajas de golpe, sentirás más fuerza de resistencia que si la bajas lentamente. La fuerza de arrastre difiere del rozamiento porque éste no depende de la velocidad del objeto.
Ley de Stokes
¿Te han gustado los terribles juegos de palabras hasta ahora? No es mi intención avivar aún más el fuego que arde en tu corazón por todos estos chistes de papá, pero tengo que hacerlo.
Cuando las condiciones no cumplen los requisitos enumerados anteriormente, podemos utilizar la Ley de Stokes para hallar la fuerza de rozamiento:
$$F_s = 6\pi \eta r v$$
donde \(\eta \) es la viscosidad del fluido en unidades SI de Pascal-segundo \(\mathrm{Pa\,s}\), que es lo mismo que kilogramos por metro-segundo \(\mathrm{kg/m\,s}\), \(r\) es el radio del objeto en metros, y \(v\) es la velocidad en metros por segundo \(\mathrm{m/s}\). En este caso, la fuerza de arrastre es proporcional a la velocidad y no a la velocidad al cuadrado. Con esta ecuación, la fuerza de arrastre puede denominarse fuerza de arrastre viscosa, en la que la fuerza de arrastre depende de la viscosidad del fluido.
Fuerza de arrastre en caída libre-Velocidad terminal
Si dejas caer una pelota saltarina desde el edificio Empire State, inicialmente la fuerza que actúa contra la pelota es despreciable , ya que la velocidad comienza en cero. En cambio, la principal fuerza que actúa sobre ella es la fuerza de la gravedad, que tira de ella hacia abajo y hace que se acelere. A medida que aumenta la velocidad, aumenta la fuerza de arrastre que actúa contra la caída de la pelota. Esta fuerza opuesta hace que la aceleración de la bola disminuya hasta que, finalmente, la fuerza de arrastre iguala a la fuerza de gravedad y la bola deja de acelerar. En este punto, la bola alcanzará una velocidad constante en su velocidad terminal.
Ejemplo de problema utilizando la fuerza de arrastre
Ha llegado el momento de poner un ejemplo.
Una caja cae por el aire a una velocidad de \(12\,\mathrm{m/s}\). Sus dimensiones son \(0,5,\mathrm{m} \cdot 0,5,\mathrm{m} \cdot 2,\mathrm{m}), orientada verticalmente como muestra la imagen de abajo. La densidad del aire es \(1,225,\mathrm{kg/m^3}\), y el coeficiente de arrastre de la caja es \(2,1\). ¿Cuál es la fuerza de arrastre?
Fig. 3 - Caja que cae con un área transversal de \(0,5,\mathrm{m}\cdot 0,5,\mathrm{m}\)
La mayoría de las variables se explican por sí mismas, y podemos introducirlas directamente en nuestra ecuación de fuerza de arrastre. La más complicada para saber qué números utilizar es el área. Necesitamos el área efectiva de la sección transversal, que es el área de la caja que se enfrenta al movimiento;en este caso, podemos pensar que es el área que se enfrenta al viento cuando cae. Esta área es \(0,5,\mathrm{m} \cdot 0,5,\mathrm{m}), o \(0,25,\mathrm{m^2}). Ahora podemos escribir nuestra ecuación
$$D=\frac{1}{2}\ C\rho A v^2\mathrm{,}$$
e introducimos todo
$$D=\frac{1}{2}\\(2.1)(1.225\,\mathrm{kg/m^3})(0.25\,\mathrm{m^2})(12\,\mathrm{m/s^2})^2\mathrm{,}$$
lo que nos da la respuesta
$$D=46.3\,\mathrm{N.}$$
Si volvemos a comprobar las unidades de nuestra ecuación, veremos que todas se cancelan para darnos \(\mathrm{kg\,m/s^2}\), que es lo mismo que \(\mathrm{newtons}\).
Esperemos que terminar este artículo no haya sido demasiado pesado: másparecido a caminar entre una brisa exuberante que entre la fría miel. Si tu respuesta fue la miel, que no cunda el pánico, ya casi has terminado: aquí tienes los puntos más importantes que debes recordar.
Fuerza de arrastre - Puntos clave
- La fuerza de arrastre es la fuerza que se opone al movimiento relativo entre un objeto y un fluido.
- La dirección de la fuerza de arrastre es siempre opuesta al movimiento relativo.
- Los tipos comunes de fuerza de arrastre incluyen el arrastre parásito, el arrastre de forma, el arrastre por fricción de la piel, el arrastre por interferencia, el arrastre inducido y el arrastre ondulatorio.
- En la mayoría de los casos sencillos (si la velocidad es alta, la viscosidad del fluido es baja y el objeto no es diminuto), la ecuación de la fuerza de arrastre es \(D=\frac{1}{2}\C\rho Av^2\).
- Podemos utilizar la Ley de Stokes para hallar la fuerza de arrastre cuando una situación no cumple los requisitos necesarios para utilizar la fuerza de arrastre.
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