Enunciado

A força de arrasto sobre a Estação Espacial Internacional depende da trajetória livre média das moléculas λ (um comprimento), da massa específica ρ, um comprimento característico L, e da velocidade média das moléculas de ar c. Determine uma forma adimensional dessa relação funcional.

Passo 1

Bora lá! O problema fala sobre a força de arrasto, F D sobre a Estação Espacial Internacional e já diz pra a gente as outras variáveis que influenciam em F D , elas são:

F D = f ( λ , ρ , L , c )

Isso da pra a gente 5 parâmetros relevantes!

n = 5

Para achar a forma adimensional que o problema esta pedindo, a gente vai usar o Teorema Pi e a gente só tem que seguir nosso passo a passo!

Passo 2

Agora a gente precisa listar as dimensões primárias de cada parâmetro! Para isso vamos usar o conjunto de dimensões fundamentais M L t , mas você pode usar o F L t e no final o resultado tem que dar o mesmo!

F D = M 1 L 1 t - 2

λ = L 1

ρ = M 1 L - 3

L = L 1

c = { L 1 t - 1 }

A gente usou as dimensões M ,   L e t , então:

r = 3

Passo 3

Como vimos que r = 3 temos que selecionar 3 parâmetros dentro dos nossos parâmetros relevantes, que vão ser os parâmetros repetidos.

Relembando nossos parâmetros relevantes:

F D = f ( λ , ρ , L , c )

F D é o parâmetro dependente, então a gente já exclui ele!

λ e L tem a mesma dimensão, então só podemos escolher um deles, eu vou escolher o L .

Sobra então ρ e c ! O nosso conjunto de parâmetros repetidos ficou:

L , ρ   e   c

Passo 4

A gente tem:

m = r = 3

E:

n = 5

Então ficamos com:

n - m = 2

Logo vamos achar dois grupos π , então mãos a obra!!

Passo 5

Agora sim, vamos encontrar o nosso primeiro grupo π !!

Começando com o π 1 , onde vamos usar o F D :

π 1 = 1 = { ( F D ) × L a × ρ b × c c }

Escrevendo suas dimensões básicas:

π 1 = M 0 L 0 t 0 = { ( M 1 L 1 t - 2 ) × L 1   a × M 1 L - 3 b × L 1 t - 1 c }

Agora equacionando:

Massa:

M 0 = M 1 × M b

0 = 1 + b

b = - 1

Comprimento:

L 0 = L 1 × L a × L - 3 b × L c

0 = 1 + a - 3 b + c

0 = 1 + a + 3 + c

a + c = - 4

Tempo:

t 0 = t - 2 × t - c

0 = - 2 - c

c = - 2

Logo:

a + c = - 4

a = 2 - 4

a = 2

Substituindo a , b e c , temos:

π 1 = { ( F D ) × L 2 × ρ - 1 × c - 2 }

Organizando:

π 1 = F D L 2 ρ c 2

Passo 6

Agora vamos achar π 2 , combinando as nossas variáveis repetidas com λ :

π 2 = 1 = { ( λ ) × L d × ρ e × c f }

Escrevendo suas dimensões básicas:

π 2 = M 0 L 0 t 0 = { ( L 1 ) × L 1   d × M 1 L - 3 e × L 1 t - 1 f }

Equacionando:

Massa:

M 0 = M e

0 = e

Comprimento:

L 0 = L 1 × L d × L - 3 e × L f

0 = 1 + d - 3 e + f

0 = 1 + d + f

Tempo:

t 0 = t - f

f = 0

Logo:

0 = 1 + d + f

0 = 1 + d

d = - 1

Substituindo:

π 2 = 1 = { ( λ ) × L - 1 × ρ 0 × c 0 }

π 2 = λ L

Passo 7

Agora vamos relacionar esses dois grupos π   :

O π 1 é o grupo adimensional dependente, porque nele usamos F D que é o parâmetro dependente, então temos:

π 1 = f ( π 2 )

Que é o mesmo que:

F D L 2 ρ c 2 = f λ L

Isolando F D :

F D = L 2 ρ c 2 × f λ L

Uhuuuul!!!

Resposta

F D = L 2 ρ c 2 × f λ L

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