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11.º ano A · Física e Química A
Resistência do ar e velocidade terminal · Queda com resistência do ar

Velocidade terminal

Quando salta de um helicóptero, um paraquedista acelera durante alguns segundos, mas depois deixa de ganhar velocidade, embora a Terra continue a puxá-lo. Gotas de chuva caem de nuvens a milhares de metros de altura e não chegam ao chão a centenas de quilómetros por hora. O que as impede de acelerar sempre?

Porque deixa a velocidade de aumentar

Na queda com resistência do ar não desprezável, atuam duas forças verticais no corpo:

  • o peso $\vec P$, para baixo, com intensidade $P = mg$, que não depende da velocidade;

  • a resistência do ar $\vec R_{ar}$, para cima, cuja intensidade aumenta com a velocidade.

Vê o que acontece ao longo da queda. Orientamos o eixo $y$ para baixo, logo o peso é positivo.

Três instantes da queda de um corpo: no início só o peso, a meio a resistência do ar cresce, no fim as duas forças têm a mesma intensidade. Início A meio Velocidade terminal P P R P R = P R = 0; a = g R < P; a diminui FR = 0; a = 0
  1. Início: a velocidade é nula, logo $R_{ar}\approx 0$. A resultante é o peso e $a = g$.

  2. A meio: o corpo ganha velocidade, $R_{ar}$ aumenta, a resultante $F_R = P - R_{ar}$ diminui e, pela 2.ª Lei de Newton, a aceleração também diminui. A velocidade continua a aumentar, mas cada vez mais devagar.

  3. Final: $R_{ar}$ atinge a intensidade de $P$. A resultante é nula, logo $a = 0$ e a velocidade deixa de variar.

Pratica★☆☆Por começar
Um paraquedista salta de um helicóptero parado e cai verticalmente, ainda com o paraquedas fechado. No início da queda, o módulo da sua velocidade aumenta, mas, passado…

Um paraquedista salta de um helicóptero parado e cai verticalmente, ainda com o paraquedas fechado. No início da queda, o módulo da sua velocidade aumenta, mas, passado algum tempo, deixa de aumentar e mantém-se constante, apesar de a força gravítica continuar a atuar sobre ele.

  1. a) Explica, com base nas forças que atuam no paraquedista, por que razão a velocidade deixa de aumentar.
  2. b) Indica como se designa o valor constante de velocidade que o paraquedista atinge.
  3. c) Indica, justificando, o valor da resultante das forças e o valor da aceleração do paraquedista nessa fase final da queda.
Resolver

Calcular a resistência do ar na fase final

Na velocidade terminal, $R_{ar} = P = mg$. Não precisas de conhecer a fórmula da resistência do ar: basta a condição de resultante nula.

Pratica★★☆Por começar
Um paraquedista com o equipamento tem massa total de $80\ \text{kg}$. A figura representa, fora de escala, o paraquedista num instante em que já cai com velocidade…

Um paraquedista com o equipamento tem massa total de $80\ \text{kg}$. A figura representa, fora de escala, o paraquedista num instante em que já cai com velocidade constante. Considera $g = 10\ \text{m/s}^2$.

v constante m = 80 kg P = ? F = ?
  1. a) Calcula o peso do paraquedista com o equipamento.
  2. b) Determina, justificando, a intensidade da força de resistência do ar que atua no paraquedista no instante representado.
  3. c) Após a abertura do paraquedas, a velocidade terminal diminui para cerca de $5\ \text{m/s}$. Explica porquê, relacionando a área exposta ao ar com a força de resistência do ar.
Resolver

De que depende a velocidade terminal

A resistência do ar é maior quando o corpo expõe mais área ao ar e tem uma forma menos aerodinâmica. Como $R_{ar}$ cresce também com a velocidade, a condição $R_{ar} = P$ é atingida:

  • mais cedo (a velocidade menor) se a área exposta for grande;

  • mais tarde (a velocidade maior) se o corpo for pesado e compacto, porque é preciso uma resistência maior para equilibrar um peso maior.

Por isso, a mesma pessoa tem velocidades terminais muito diferentes consoante a posição que adota. Ao abrir o paraquedas, a área exposta aumenta muito, $R_{ar}$ passa a ser maior que $P$, a resultante aponta para cima e o paraquedista trava até uma nova velocidade terminal, bem menor.

Gráfico velocidade-tempo de um paraquedista: aumenta até uma velocidade terminal, diminui após a abertura do paraquedas e estabiliza numa velocidade terminal menor. v terminal (fechado) v terminal (aberto) abertura t v
Pratica★★☆Por começar
A velocidade terminal de um corpo em queda no ar depende da sua massa, da sua forma e da área que expõe ao ar. A tabela indica valores aproximados da velocidade terminal…

A velocidade terminal de um corpo em queda no ar depende da sua massa, da sua forma e da área que expõe ao ar. A tabela indica valores aproximados da velocidade terminal de vários corpos.

Corpo Velocidade terminal
Gota de chuva pequena $7\ \text{m/s}$
Gota de chuva grande $10\ \text{m/s}$
Bola de ténis $25\ \text{m/s}$
Paraquedista com o paraquedas fechado $55\ \text{m/s}$
Paraquedista com o paraquedas aberto $5\ \text{m/s}$
  1. a) Converte para $\text{km/h}$ a velocidade terminal do paraquedista com o paraquedas fechado.
  2. b) Indica um par de corpos da tabela que mostre que, para corpos da mesma forma, a velocidade terminal aumenta com a massa.
  3. c) Compara a velocidade terminal do paraquedista antes e depois da abertura do paraquedas e explica a diferença com base na área exposta ao ar.
  4. d) Uma pedra e uma gota de chuva caem da mesma altura. Explica por que razão a gota chega ao solo com uma velocidade muito inferior à da pedra.
Resolver

Em resumo

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