Enunciado
Física - Física para Cientistas e Engenheiros - Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica: Volume 1 - 6ª Edição - Mosca, Tripler- Ed: 6º - Capítulo 5.1 - Ex. 98
Você está em um balão flutuante de ar quente quando você joga uma bola de baseball diretamente para baixo com uma rapidez inicial de . A bola cai com uma rapidez terminal de . Assumindo o que o arrasto do ar é proporcional ao quadrado da rapidez, use o método de Euler (planilha) para estimar a rapidez da bola depois de . Qual é a incerteza nessa estimativa? Você deixa cair uma segunda bola, essa solta a partir do repouso. Quanto tempo ela leva para atingir da sua rapidez terminal? Por qual distância ela cai durante esse tempo?
Passo 1
Vamos começar escrevendo as forças que atuam sobre a bola durante a queda:
E precisamos escrever como uma função proporcional a , e a aceleração como a derivada da velocidade em relação ao tempo:
No instante em que a aceleração é nula, é a rapidez terminal , então:
Agora vamos reescrever nossa equação diferencial:
Passo 2
Beleza, agora vamos usar o método de Euler para extrair resultados dessa equação diferencial, usando intervalos de tempo .
A cada passo nós vamos atualizar os valores, começando com , (ou ), e (ou ).
A aceleração vai variar seguindo a seguinte fórmula:
Para a rapidez vamos usar o seguinte:
E para a posição:
Passo 3
Então temos que montar uma planilha em que cada linha corresponde a um instante de tempo , que aumenta em passos de .
Para dar um exemplo de como interpretar as fórmulas, vamos dar uma olhada nessa:
Ela diz que, em cada linha, o cálculo da aceleração vai se basear na rapidez da mesma linha (na primeira se usa a rapidez inicial ):
Com a planilha feita, podemos consultar o resultado em e verificar a rapidez:
E como estimar a incerteza desse resultado? Vamos reduzir o tamanho dos passos para , nesse caso, encontramos:
A diferença percentual entre esses resultados será a nossa incerteza:
Passo 4
Para considerar o caso em que a bola cai a partir do repouso, vamos trocar a rapidez inicial da nossa planilha para .
E queremos saber quanto tempo ela demora para atingir de :
Consultando a planilha, vemos que essa velocidade só é ultrapassada em , a linha completa é:
Resposta
A rapidez da bola depois de é próxima de . A incerteza é de aproximadamente . Quando solta a partir do repouso, a bola leva para atingir da rapidez terminal, e nesse instante a distância percorrida é próxima .