Resistencia del Aire y su Impacto

Objetivos

Terminada la lección podrás:

• Explicar lo que es la resistencia del aire y su impacto.
• Proveer ejemplos sobre la resistencia del aire.

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Fuerza de arrastre

La resistencia del aire, también conocida como fuerza de arrastre o fricción del aire, es una fuerza que actúa en dirección opuesta al movimiento de un objeto que se desplaza a través del aire. Esta fuerza es una forma de fricción que depende de varios factores y puede tener un impacto significativo en la velocidad y el movimiento de los objetos.

Características de la resistencia del aire:

Dirección opuesta al movimiento:

La resistencia del aire siempre actúa en sentido contrario al movimiento del objeto, tratando de reducir su velocidad. Cuanto más rápido se mueve el objeto, mayor será la fuerza de resistencia que experimentará.

Fórmula aproximada de la resistencia del aire:

La resistencia del aire depende de varios factores, como la velocidad, la superficie del objeto y la densidad del aire. Una forma común de expresar esta resistencia es mediante la siguiente fórmula:

Donde:

• F​ es la fuerza de resistencia del aire.
• Cd​ es el coeficiente de arrastre, que depende de la forma y aerodinámica del objeto.
• ρ es la densidad del aire.
• A es el área de la superficie frontal del objeto (la parte que “choca” con el aire mientras se mueve).
• v es la velocidad del objeto.

Dependencia con la velocidad: La resistencia del aire es proporcional al cuadrado de la velocidad del objeto. Esto significa que a medida que la velocidad aumenta, la resistencia del aire se incrementa rápidamente. Por ejemplo, si la velocidad de un objeto se duplica, la resistencia del aire se cuadruplica.

Factores que afectan la resistencia del aire:

Forma del objeto:

Los objetos más aerodinámicos (como los autos deportivos o los aviones) experimentan menos resistencia del aire debido a que el flujo de aire se desplaza más suavemente alrededor de ellos.

Área frontal:

Los objetos con mayor área de superficie que enfrenta el aire (como un paracaídas abierto) experimentan más resistencia.

Velocidad:

Cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor será la resistencia del aire.

Densidad del aire:

A mayor altitud, la densidad del aire es menor, lo que reduce la resistencia. Por eso, los aviones vuelan a grandes altitudes para minimizar el arrastre.

Impacto de la resistencia del aire:

Reducción de velocidad:

La resistencia del aire tiene un impacto directo en la velocidad de un objeto. A medida que un objeto se mueve a través del aire, la resistencia tiende a frenar el movimiento. En muchos casos, la resistencia del aire es suficiente para equilibrar otras fuerzas, como la gravedad, lo que lleva a un movimiento constante en ciertos puntos.Ejemplo: Un ciclista experimenta una resistencia significativa cuando aumenta su velocidad. Para mantener una velocidad alta, el ciclista debe aplicar más esfuerzo para superar esta fuerza.

Velocidad terminal:

En el caso de un objeto que cae, como un paracaidista, la resistencia del aire aumentará a medida que aumenta la velocidad de caída. Eventualmente, la fuerza de la resistencia del aire igualará la fuerza de la gravedad y el objeto dejará de acelerar, alcanzando lo que se llama velocidad terminal. En este punto, el objeto cae a una velocidad constante.

• Ejemplo: Un paracaidista que salta sin paracaídas puede alcanzar una velocidad terminal de aproximadamente 200 km/h. Cuando abre su paracaídas, el área frontal aumenta significativamente, lo que incrementa la resistencia del aire y reduce la velocidad de caída a aproximadamente 15-20 km/h.

Diseño aerodinámico:

Para minimizar los efectos negativos de la resistencia del aire, muchos vehículos y dispositivos están diseñados con características aerodinámicas que reducen el coeficiente de arrastre. Los autos deportivos, aviones y trenes de alta velocidad están diseñados para minimizar la fricción con el aire, permitiendo velocidades más altas con un menor consumo de energía.

• Ejemplo: Los aviones están diseñados con formas aerodinámicas y alas que permiten reducir la resistencia del aire y mejorar la eficiencia en el vuelo.

Deportes y actividades físicas:

En deportes como el ciclismo, las carreras de autos o incluso en las carreras de maratón, la resistencia del aire tiene un impacto significativo. Los atletas que se mueven a alta velocidad diseñan sus equipos y posturas para reducir el arrastre y mejorar su rendimiento.

• Ejemplo: Los ciclistas profesionales a menudo adoptan posturas encorvadas y usan trajes ajustados para reducir la resistencia del aire y maximizar su velocidad.

Resumen:

A la resistencia del aire también se le conoce como la resistencia aerodinámica.  Se denomina resistencia aerodinámica, o resistencia, la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire en la dirección de la velocidad relativa entre el aire y el cuerpo. La resistencia es siempre ocurre en sentido opuesto a dicha velocidad.  Esta fuerza se opone al avance de un cuerpo a través del aire.

La resistencia del aire es una fuerza que actúa en dirección contraria al movimiento de un objeto en el aire, y su magnitud depende de la velocidad, la forma, el área frontal del objeto y la densidad del aire. Su impacto se refleja en la reducción de la velocidad de los objetos, la determinación de la velocidad terminal durante la caída libre y en la importancia del diseño aerodinámico para vehículos y dispositivos. En resumen, la resistencia del aire juega un papel crucial en muchos fenómenos físicos y tiene aplicaciones tanto en la ingeniería como en la vida cotidiana.Un cuerpo en movimiento

La fuerza de resistencia, para un cuerpo en movimiento en un fluido cualquiera, es la resistencia fluidodinámica. En el caso del agua, por ejemplo, se denomina resistencia hidrodinámica. La imagen muestra al SkyVenture en Orlando es un túnel de viento cuyo chorro permite al sujeto flote en el aire.  Este tipo de simuladores se utiliza para enseñar a las personas a tirarse en paracaídas ya que la resistencia del aire hace que la persona que se mueve en caída libre pueda alcanzar una velocidad terminal.

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Simulación

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Enlaces externos para explorar

• Conceptos de Física: Hyperphysics
• Libros:
  • Física Moderna de Paul A. Tipler
  • Física Moderna – Raymond A. Serway
• NASA: Science Explorer Poster Series
• Recursos de NASA – Universo
• Simulaciones: PhET
• Tutorial de Física en Inglés: Physics Classroom
• Wikipedia en Español: Wikipedia

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Vídeo

El ejemplo de la pluma y un piano

La resistencia del aire y la aerodinámica

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