Come calcolare la resistenza dell'aria di un oggetto in caduta

Ogni volta che gli oggetti si muovono rispetto all'aria, gli oggetti sperimentano a forza resistiva che è nella direzione opposta alla velocità del corpo rispetto all'aria. Questa forza resistiva è chiamata resistenza dell'aria. Ad esempio, considera un foglio di carta che cade. Rispetto all'aria, la carta si muove verso il basso, e quindi sulla carta sarà presente una forza resistiva verso l'alto.

Come calcolare la resistenza dell'aria di un oggetto in caduta quando l'oggetto cade lentamente in aria

Per oggetti che si muovono lentamente rispetto all'aria (come particelle di polvere cadenti), la forza resistiva è direttamente proporzionale alla velocità dell'oggetto  relativo all'aria. Quindi, possiamo scrivere:

Il valore di  dipende dalla forma e dalle dimensioni del corpo.

Consideriamo cosa succede a un corpo quando cade dal riposo a bassa velocità attraverso l'aria. Inizialmente, la velocità del corpo rispetto all'aria è 0 e quindi non c'è resistenza all'aria. Mentre il corpo accelera sotto la risultante forza verso il basso, anche la resistenza dell'aria aumenta in proporzione.

Alla fine, il corpo raggiunge una velocità in cui il peso del corpo è esattamente bilanciato dalla resistenza dell'aria. Qui, il corpo ha raggiunto velocità terminale. La variazione della velocità con il tempo può essere mostrata su un grafico, come segue:

Si può dimostrare che la velocità terminale per questi casi è data da .

Esempio:

Supponi una grana di polline con una massa di 3,8 × 10-14 kg sta cadendo attraverso l'aria. Se il valore della costante  4,0 × 10-11 kg s-1, trova la velocità terminale.

Da ,

Nota: In realtà, il calcolo non è così semplice, con molti altri fattori che entrano in gioco. Tuttavia, per il gusto di questo esempio, abbiamo assunto che gli unici fattori che influenzano la caduta del grano pollinico sono la gravità e la resistenza dell'aria, e si presume che anche la resistenza dell'aria sia direttamente proporzionale alla velocità del grano.

Come calcolare la resistenza dell'aria di un oggetto che cade quando l'oggetto cade velocemente in aria

Gli oggetti che cadono più velocemente nell'aria (per esempio i paracadutisti) provocano considerevoli quantità di turbolenza e di conseguenza la resistenza aerea da loro sperimentata è molto maggiore. Per questi oggetti, la resistenza dell'aria è direttamente proporzionale al piazza della velocità dell'oggetto rispetto all'aria. La resistenza all'aria per questi casi è data da:

Qui,  ècoefficiente di resistenza,  è il densità d'aria (in genere circa 1,2 kg m-3), e  è il efficace sezione trasversale del corpo perpendicolare alla direzione della velocità del corpo. Tipicamente, assume valori compresi tra 0,1 e 2.

La velocità terminale per oggetti che si muovono velocemente nell'aria può essere data da .

Esempio:

Una pallina da golf che cade in aria ha un coefficiente di resistenza aerodinamica di 0,26. Dato che ha un'area della sezione trasversale effettiva di 1,4 × 10-3 m2, trova la resistenza dell'aria sulla palla quando la palla si muove alla velocità di 20 m s-1.

abbiamo 

Poi,