El arrastre es un fuerza de fricción que surge a través del fricción entre el cuerpo y el fluido. Esta fuerza actúa en una dirección paralela a la superficie del cuerpo y, en muchos casos, es proporcional al cuadrado de la velocidad a la que se mueve el cuerpo en relación con el fluido.
¿Qué es la fuerza de arrastre?
Hay tres tipos diferentes de fuerzas de arrastre, estas fuerzas se denominan arrastre de superficie, forma de arrastre y arrastre de onda.
En términos generales, la fuerza de arrastre, también conocido como resistenciadellíquido, tanto puede ser aerodinámica como hidrodinámica, para los casos en los que el cuerpo se mueve en medios gaseosos y líquidos, respectivamente.
El arrastre es, en la mayoría de los casos, proporcional al cuadrado de la velocidaddel cuerpo en relación con el entorno en el que se mueve, pero también directamente proporcional al área del cuerpo transversal al flujo de las líneas de fluido.
Además de estos factores, la forma del cuerpo es capaz de alterar en gran medida la forma en que la fuerza de arrastre actúa sobre él, todo lo cual depende de cómo fluyan las líneas de fluido. Explicaremos cuáles son más adelante.
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líneas de fluidos
las líneas de fluido son características utilizadas para facilitar la comprensión de las fuerzas de arrastre. Estas son construcciones geométricas, también llamadas líneas dinámicas de fluidos. Indican cómo se mueven las capas de un fluido.
En el caso de que las líneas de dinámica de fluidos sean superpuesto y paralelo, el flujo de fluido es laminar y se ejerce muy poca fuerza de arrastre sobre un cuerpo que se mueve sobre él. En este caso, solo hay fricción entre las capas del fluido, por lo que decimos que solo tiene viscosidad.
Cuando las líneas de dinámica de fluidos no son paralelas entre sí, decimos que el flujo de fluido que pasa a través del cuerpo es caótico. Este tipo de flujo es capaz de Reducir en gran medida la velocidad a la que se mueve el cuerpo. a través de este medio, parecido al caso en el que un nadador intenta nadar contra la corriente de un río turbulento.
arrastre de superficie
El arrastre superficial es la fuerza causada por mover un cuerpo en direcciónopuesto al fluido. Surge gracias al contacto entre el fluido y el cuerpo, a través de una capa de contacto inmediato en su superficie.
Este tipo de arrastre surge debido a la rugosidad de la superficie del cuerpo que se mueve en el fluido, ya que la propia rugosidad proporciona una áreaencontactomás grande entre ambos.
El arrastre de superficie se explora ampliamente en competiciones profesionales de natación, que se usa ropaliso, capaz de reducir considerablemente la resistencia del fluido mientras el nadador se mueve en medio líquido.
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forma de arrastre
El arrastre de forma resulta de una diferenciaen presión entre diferentes partes de un cuerpo que se mueven a través de un fluido.
Cuando un cuerpo se mueve lo suficientemente rápido a través de un fluido, región turbulenta, cuya presión es menor que la presión frente al cuerpo. Esta diferencia de presin da como resultado una arrastrarcontrariohaciasentidodel movimiento corporal.
Para reducir el arrastre de la superficie, los objetos que están diseñados para viajar en fluidos se dibujan en formas aerodinámicas, y esta condición se obtiene cuando el área del cuerpo que es perpendicular al flujo de las líneas de líquido.
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arrastre de onda
El arrastre de las olas solo ocurre cuando cualquier cuerpo se mueve cerca de la superficie del agua, como cuando los nadadores empujarel agua abajo, ser empujadoporarriba, pero tambien perdiendo parte de tu energía cinética debido a la "barrera" de agua que se forma frente a él.
Otro ejemplo sería un barco, que forma olas de arrastre frente a su proa cuando está en movimiento. El arrastre de las olas no ocurre cuando los cuerpos se mueven completamente sumergidos en agua.
Fórmula de fuerza de arrastre
Verifique la fórmula utilizada para calcular la fuerza de arrastre:
C - coeficiente de arrastre
ρ - densidad del fluido (kg / m³)
LA - área del cuerpo transversal a las líneas de dinámica de fluidos (m²)
v - velocidad corporal (m / s)
La fórmula relaciona la fuerza de arrastre con la densidad del medio, el área de la sección transversal del cuerpo y el cuadrado de la velocidad de ese cuerpo, pero también se refiere a un coeficiente de arrastre C - una cantidad adimensional que depende directamente de la forma del objeto, en el caso de objetos esféricos, por ejemplo. El coeficiente de arrastre es igual a 0.5.
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velocidad terminal
Cuando un objeto de tamaño significativo cae desde grandes alturas, la fuerza de arrastre se equilibra con la fuerza Peso del objeto. De esta manera, la fuerza resultante sobre el objeto se vuelve nula y continúa su movimiento en línea recta, con velocidad constante, de acuerdo con la Primera ley de Newton, la ley de la inercia.
La velocidad a la que un objeto golpea el suelo después de ser lanzado al aire, llamado velocidadTerminal, se puede calcular usando la siguiente expresión, nota:
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Ejercicios resueltos sobre fuerza de arrastre
Pregunta 1) Un objeto esférico (C = 0.5) con un área de sección transversal de 7.0 cm² (7.0.10-4 m²) viaja por el aire a una velocidad de 10.0 m / s. Sabiendo que la densidad del aire es aproximadamente 1.0 kg / m³ y que la densidad del objeto es 800 kg / m³, determine la magnitud de la fuerza de arrastre sobre ese objeto.
a) 0,750 N
b) 0,0550 N
c) 0,0175 N
d) 0,2250 N
e) 0,5550 N
Plantilla: Letra C
Resolución:
El ejercicio nos pide que calculemos la intensidad de la fuerza de arrastre, para ello basta con reemplazar los datos informados en la fórmula, observar:
Pregunta 2) Revise las declaraciones sobre la fuerza de arrastre, luego marque la alternativa correcta:
I - La fuerza de arrastre es proporcional al cuadrado de la velocidad del cuerpo.
II - A mayor densidad del medio, mayor intensidad de la fuerza de arrastre ejercida por un cuerpo que lo atraviesa.
III - La velocidad terminal de un cuerpo que se mueve en un medio fluido no depende de la masa del objeto.
Ellos son cierto:
a) Solo yo
b) I y II
c) I, II y III
d) Solo II
e) II y III
Plantilla: Letra b
Resolución:
Las alternativas correctas son I y II. En relación con la alternativa II, la densidad del medio es directamente proporcional a la fuerza de arrastre, por lo que la alternativa correcta es la letra b.
Pregunta 3) Un cuerpo de masa m se libera desde cierta altura en relación al suelo, en una región donde hay presencia de gases atmosféricos, cayendo bajo el efecto de su peso y la fuerza de arrastre del aire. Un segundo cuerpo, de la misma forma y tamaño, pero cuatro veces la masa, se deja caer desde la misma altura en las mismas condiciones. Determine la relación entre la velocidad terminal del segundo cuerpo (v ') y la velocidad terminal del primer cuerpo (v).
a) v '= 3v
b) v '= v / 4
c) v '= 4v
d) v '= v / 2
e) v '= 16v
Plantilla: Letra C
Resolución:
Dado que la masa del segundo cuerpo es cuatro veces la masa del primer cuerpo y la velocidad terminal depende de la raíz cuadrada de la masa, la velocidad terminal del cuerpo que es cuatro veces más masivo será el doble, es decir: v '= 4v.
Por Rafael Hellerbrock
Profesor de física
