Mecânica

Velocidade terminal

Observe a velocidade estabilizar antes de pousar e a aceleração (a) tender a 0 conforme a resistência do ar alcança a gravidade.

Velocidade terminal — simulação interativa de Mecânica. Observe a velocidade estabilizar antes de pousar e a aceleração (a) tender a 0 conforme a resistência do ar alcança a gravidade. Laboratório virtual de física gratuito no navegador com medições SI ao vivo e tutorial guiado.

velocidade terminal

À medida que um objeto em queda acelera, a resistência do ar cresce até equilibrar o peso. A aceleração cai a zero e a velocidade se estabiliza.

Antes da velocidade terminal, o peso supera a resistência e o objeto acelera. Ao aumentar a velocidade, a resistência cresce até que a força neta seja zero. Então cai na velocidade terminal quase constante.

• F_net = mg − F_drag
• Na velocidade terminal: a → 0

Resumo da investigação

Planeje a pergunta antes de abrir o laboratório

O resumo espelha a página pré-renderizada: a pergunta orientadora, as previsões concorrentes, os papéis das variáveis, as leis governantes, a configuração e os prompts de análise e extensão permanecem visíveis e nesta ordem.

Pergunta de direção

Um paraquedista cai no ar, que empurra para trás com uma força de arrasto que aumenta com a velocidade. Se o paraquedista ajusta a posição do corpo para aumentar a resistência do ar, sua velocidade de queda constante (velocidade terminal) acaba sendo maior, menor ou igual à de menor resistência?

Previsões para pesar

• Mais arrasto de ar proporciona uma velocidade terminal mais alta
• A velocidade terminal é a mesma independentemente da resistência do ar
• Mais arrasto aéreo proporciona uma velocidade terminal mais baixa

Papéis variáveis

O que você definiu:

• Missa (kg)
• Arrasto aéreo

O que você mede:

• Velocidade terminal (m/s)
• KE na velocidade terminal (J)

Como funciona a investigação

1. Abra a predefinição Terminal Velocity. Um paraquedista (bola) começa perto do topo da cena e cai sob a gravidade enquanto a resistência do ar atua sobre ele.
2. Confirme se a sonda de velocidade está acoplada ao paraquedista e, em seguida, verifique sua massa e o valor de resistência ao ar (frictionAir) no painel do Inspetor.
3. Para cada linha abaixo, defina a massa e o arrasto aéreo do paraquedista no Inspector para corresponder, execute a simulação até que a leitura de velocidade da sonda pare de mudar (ela se aproximará de um valor constante antes do paraquedista atingir o chão) e registre essa velocidade constante.

Equação governante

Segunda Lei de Newton no Equilíbrio — F = m·a

A força resultante é igual à massa vezes a aceleração. À medida que o paraquedista acelera, a força de arrasto para cima aumenta até equilibrar exatamente a força da gravidade para baixo - a força resultante (e, portanto, a aceleração) cai para zero e a velocidade para de mudar. Essa velocidade constante é a velocidade terminal que você mediu.

Energia Cinética — KE = ½·m·v²

A energia cinética é metade da massa vezes a velocidade ao quadrado. Quando o paraquedista atinge a velocidade terminal, esta é a energia cinética que ele carrega durante o restante da queda – energia que a resistência do ar remove continuamente na forma de calor, mantendo a velocidade constante.

O que a planilha para impressão pede aos alunos que resolvam

• Para cada linha, multiplique a velocidade terminal medida pelo valor de arrasto e depois por 60. Você deve chegar perto de 9.8 × (1 − arrasto), não exatamente 9.8. Por quê? A simulação aplica o arrasto uma vez por quadro em vez de continuamente, e isso custa exatamente um fator (1 − arrasto). O que esse equilíbrio ainda diz sobre as forças quando o paraquedista para de acelerar?
• Cada linha usa a mesma massa. A massa aparece em algum lugar do relacionamento que você encontrou na pergunta anterior? Com base nos seus dados, um paraquedista mais pesado atinge uma velocidade terminal diferente de um paraquedista mais leve nesta simulação?

Onde isso aparece além do laboratório

• A resistência real do ar aumenta com o quadrado da velocidade, não diretamente com a velocidade, e sua força depende da área da seção transversal e da massa do objeto. Preveja como a velocidade terminal de um paraquedista real mudaria entre uma posição de 'águia espalhada' de barriga para baixo e um mergulho com os pés para baixo - e por que a massa é importante para um paraquedista real, mesmo que isso não aconteça nos dados acima.
• Um paraquedista abre um pára-quedas, o que aumenta drasticamente a resistência do ar. Usando a relação que você encontrou, preveja o que acontece com a velocidade de queda deles logo após a abertura do velame e explique por que eles não saltam instantaneamente para a nova velocidade terminal.

• AP Physics 1 — Unit 2: Force and Translational Dynamics
• AP Physics C: Mechanics — Unit 2: Force and Translational Dynamics
• IB Physics — A.2 Forces and momentum
• General High School Physics — Forces & Newton's laws
• NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law

1. Bem-vindo à velocidade terminal
2. Selecione o paraquedista
3. Pressione Reproduzir
4. A velocidade se estabiliza
5. Abra os dados
6. Você conseguiu!

Abra a simulação interativa para construir a cena, pressione Reproduzir e explore com medições em tempo real e um tutorial guiado.

Abrir laboratório interativo →

Baixe a planilha do laboratório →

Segunda Lei de Newton