Velocidad terminal: caída por arrastre

1 · Predecir

Un paracaidista cae por el aire, que lo empuja hacia atrás con una fuerza de arrastre que crece con la velocidad. Si el paracaidista ajusta la posición de su cuerpo para aumentar la resistencia del aire, ¿su velocidad de caída constante (velocidad terminal) termina siendo mayor, menor o igual que con menos resistencia?

• Una mayor resistencia del aire da una mayor velocidad terminal.
• La velocidad terminal es la misma independientemente de la resistencia del aire.
• Una mayor resistencia del aire da una velocidad terminal más baja.

2 · Configurar

1. Abra el ajuste preestablecido de Velocidad terminal. Un paracaidista (bola) comienza cerca de la parte superior de la escena y cae bajo la gravedad mientras el aire actúa sobre él.
2. Confirme que la sonda de velocidad esté conectada al paracaidista, luego verifique su masa y el valor de resistencia del aire (frictionAir) en el panel Inspector.
3. Para cada fila a continuación, configure la masa y la resistencia del aire del paracaidista en el Inspector para que coincidan, ejecute la simulación hasta que la lectura de velocidad de la sonda deje de cambiar (se acercará a un valor estable antes de que el paracaidista llegue al piso) y registre esa velocidad constante.

3 · Recopilar Datos

Grafique la resistencia del aire (eje x) frente a la velocidad terminal que midió (eje y). ¿La relación es una línea recta? ¿Qué forma tiene?

4 · Analizar

1. Para cada fila, multiplica la velocidad terminal que mediste por el valor de resistencia del aire y luego por 60. Deberías acercarte a 9.8 × (1 − resistencia), no exactamente a 9.8. ¿Por qué? La simulación aplica la resistencia una vez por fotograma en lugar de continuamente, y eso cuesta exactamente un factor (1 − resistencia). ¿Qué te sigue diciendo ese equilibrio sobre las fuerzas cuando el paracaidista deja de acelerar?
2. Cada fila usa la misma masa. ¿Aparece masa en algún lugar de la relación que encontraste en la pregunta anterior? Según sus datos, ¿un paracaidista más pesado alcanza una velocidad terminal diferente que uno más ligero en esta simulación?

5 · Ampliar

1. La resistencia real del aire crece con el cuadrado de la velocidad, no directamente con la velocidad, y su fuerza depende del área de la sección transversal y la masa del objeto. Prediga cómo cambiaría la velocidad terminal de un paracaidista real entre una posición de "águila extendida" boca abajo y una inmersión con los pies hacia abajo, y por qué la masa es importante para un paracaidista real aunque no sea así en los datos anteriores.
2. Un paracaidista abre un paracaídas, lo que aumenta drásticamente su resistencia al aire. Usando la relación que encontraste, predice qué sucede con su velocidad de caída justo después de que se abre el dosel y explica por qué no saltan instantáneamente a la nueva velocidad terminal.

La física detrás de este experimento

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