La velocidad terminal es el término para la velocidad que alcanza un objeto cuando la fuerza de arrastre, o resistencia del aire, que lo empuja es igual a la fuerza de la gravedad que lo empuja hacia abajo. Un objeto que se deja caer desde una altura se acelerará inicialmente debido a la gravedad. Sin embargo, la atmósfera ejerce una fuerza opuesta, o arrastre, que aumenta a medida que el objeto se mueve más rápido. Después de un tiempo, se llega a un punto donde las dos fuerzas opuestas son iguales, y después de esto, la velocidad del objeto permanece constante a menos que otra fuerza actúe sobre él: esta velocidad se conoce como su velocidad terminal. La velocidad final depende del peso del objeto, su forma y la densidad de la atmósfera.
El peso y la densidad atmosférica pueden variar de un lugar a otro. Si bien la masa de un objeto, que puede definirse como la cantidad de materia que contiene, es la misma dondequiera que se encuentre, su peso depende de la fuerza del campo gravitacional local. Esto no varía en la Tierra en una escala que sea directamente perceptible para los humanos, pero en otros lugares como la Luna o Marte será muy diferente. La densidad de la atmósfera disminuye con la altitud, por lo que la resistencia del aire es mayor cerca del suelo que a grandes alturas.
Peso y arrastre
La cantidad de resistencia que actúa sobre un objeto que cae depende de la densidad de la atmósfera y la forma del objeto. Cuanto mayor es la densidad de la atmósfera, más resistencia hay al movimiento. En distancias verticales cortas, la diferencia de densidad será pequeña e insignificante para la mayoría de los propósitos, pero para algo que cae de la atmósfera superior hay una gran diferencia, lo que complica los cálculos de velocidad terminal.
La resistencia también depende mucho de la forma del cuerpo que cae. Si una pieza de material pesado, como el plomo, se forma en forma de bala y se deja caer, apuntando hacia abajo, desde una gran altura, experimentará relativamente poco arrastre y alcanzará una alta velocidad terminal. Si el mismo trozo de plomo se convierte en un disco delgado y se deja caer de manera que quede plano en relación con la superficie de la Tierra, experimentará una resistencia del aire mucho mayor y alcanzará una velocidad terminal mucho menor en menos tiempo.
La cantidad de fuerza hacia abajo sobre un objeto que cae depende de su peso, que es la interacción de la masa del objeto con la fuerza de la gravedad. Cuanto mayor sea la masa, mayor será la fuerza y, por tanto, mayor será la velocidad terminal. Si el experimento anterior se realiza con un material ligero, como el aluminio, las velocidades finales para ambas formas serían menores que para las formas de plomo. Sin embargo, es importante comprender que la aceleración debida a la gravedad es la misma para todos los objetos; es el factor de arrastre el que causa las variaciones con el peso y la forma. Si el experimento con diferentes formas de plomo y aluminio se lleva a cabo en el vacío, todos los objetos se acelerarán al mismo ritmo, independientemente de su peso o forma, porque se ha eliminado el factor de resistencia debido al aire.
Cálculo
Determinar la velocidad terminal de un objeto que se deja caer desde una altura determinada puede resultar complicado. Algunos de los factores, como la masa y la aceleración debida a la gravedad, son sencillos, pero también es necesario conocer el coeficiente de arrastre, un valor que depende fundamentalmente de la forma del objeto. Para muchos objetos, el coeficiente de arrastre se determina mediante experimentos, ya que los cálculos serían muy difíciles para formas complejas. Dado que la densidad de la atmósfera varía con la altitud, esta variación también debe tenerse en cuenta, a menos que la distancia de caída sea bastante corta.
Ejemplos
Una gota de lluvia tiene una velocidad terminal de alrededor de 17 kph (27 mph). Por el contrario, una gran piedra de granizo podría alcanzar los 42 km / h (68 mph), lo que es suficiente para causar lesiones. Una bala de plomo disparada directamente al aire, al caer hacia el suelo, alcanzaría alrededor de 152 mph (245 kph).
Un paracaidista, de cara al suelo con las extremidades extendidas para maximizar la resistencia del aire, típicamente tendrá una velocidad terminal de aproximadamente 124 mph (200 km / h). Buceando con la cabeza primero, con los brazos y las piernas metidos hacia adentro, el mismo paracaidista podría alcanzar unas 200 mph (320 km / h) o más. Las velocidades precisas dependen de la altitud inicial, y se pueden alcanzar velocidades mucho más altas buceando desde altitudes extremas, donde la atmósfera es mucho más delgada. Para objetos que caen hacia la Tierra desde fuera de la atmósfera, por ejemplo meteoritos, la velocidad terminal puede ser menor que la velocidad inicial relativa a la Tierra. En estos casos, el objeto se ralentiza hasta alcanzar la velocidad final.