Velocidad terminal

Hace unos días, en Migui.com, publicaron la entrada ¿Por qué da igual caer de un piso décimo que de un piso cincuenta?, donde hablan sobre velocidad terminal. Aunque no es cierto que da lo mismo diez pisos o cincuenta (como lo notó la mula Francis), sí es cierto que un objeto moviéndose dentro de un fluído viscoso (el aire, por ejemplo) bajo una fuerza constante (la de gravedad, por ejemplo), alcanzará una velocidad límite, o terminal.

Un objeto, en caída libre, por ejemplo, alcanza su velocidad límite cuando la fuerza de gravedad es igual a la fuerza de arrastre, opuesta a su movimiento. Esta fuerza de arrastre es directamente proporcional, y opuesta, al cuadrado de la magnitud de la velocidad del cuerpo, 

F_a = k v^2.

La constante k depende de diversos parámetros, como la densidad del fluído y el área seccional del objeto en movimiento. Por la primera ley de Newton, si la fuerza de arrastre F_a es igual a la fuerza de gravedad F_g = mg, entonces la velocidad del objeto es constante. Por lo tanto, la velocidad terminal v_T satisface

mg = k v_T^2,

y por lo tanto 

v_T = \sqrt{\dfrac{mg}{k}}.

Una pregunta interesante es cuál es la rapidez con la cual un objeto alcanza esta velocidad terminal, y no es muy difícil mostrar que lo hace exponencialmente, como lo hacemos a continuación.

Por la segunda ley de Newton, la aceleración \dot{v} = \dfrac{dv}{dt} del objeto en caída libre satisface

m \dot{v} = F_a - F_g = k v^2 - gm,

donde notamos no sólo que las fuerzas actúan en direcciones opuestas, sino que hemos tomado la dirección positiva hacia arriba. No es muy difícil resolver esta ecuación diferencial, ya que escribiéndola de la forma

\displaystyle \frac{m\dot{v}}{ky^2 - gm} = 1,

podemos integrar para obtener

\displaystyle \log\Big( \frac{\sqrt{gm/k} - v}{\sqrt{gm/k}+v} \Big) = 2\sqrt{\frac{gk}{m}}\, t.

Entonces, resolvemos para v y obtenemos

\displaystyle v(t) = - \sqrt{\frac{gm}{k}} \cdot \frac{e^{2\sqrt{\frac{gk}{m}}\, t}-1}{e^{2\sqrt{\frac{gk}{m}}\, t}+1} = - \sqrt{\frac{gm}{k}} \Big( 1 - \frac{2}{e^{2\sqrt{\frac{gk}{m}}\, t}+1} \Big),

y entonces

\displaystyle v(t) \approx - \sqrt{\frac{gm}{k}} \big( 1 - 2 e^{-2\sqrt{gk/m} \, t} \big).

1 comentario

Archivado bajo Matemáticas

Una Respuesta a Velocidad terminal

  1. La aerodinámica es muy importante para un objeto en caída libre ya que velocidad terminal depende significativamente de la forma del objeto, ej. una esfera o una roca muy angulosa.

Deja un comentario

Fill in your details below or click an icon to log in:

Logo de WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Cambiar )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Cambiar )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Cambiar )

Connecting to %s