Comment calculer la résistance à l'air d'un objet qui tombe

Chaque fois que des objets se déplacent par rapport à l'air, ils subissent une force de résistance qui est dans la direction opposée à la vitesse du corps par rapport à l'air. Cette force de résistance s'appelle résistance à l'air. Par exemple, considérons une feuille de papier qui tombe. Par rapport à l'air, le papier se déplace vers le bas et il y aura donc une force de résistance vers le haut sur le papier.

Comment calculer la résistance à l'air d'un objet qui tombe lorsque l'objet tombe lentement dans l'air

Pour les objets qui se déplacent lentement par rapport à l'air (comme les particules de poussière qui tombent), la force de résistance est directement proportionnelle à la vitesse de l'objet.  par rapport à l'air. Donc, on peut écrire:

La valeur de  dépend de la forme et de la taille du corps.

Voyons ce qu’il advient d’un corps qui tombe du repos à basse vitesse dans les airs. Initialement, la vitesse du corps par rapport à l'air est 0 et il n'y a donc aucune résistance de l'air. Au fur et à mesure que le corps s’accélère sous la force résultante vers le bas, la résistance de l’air augmente également.

Finalement, le corps atteint une vitesse où son poids est parfaitement équilibré par la résistance à l'air. Ici, le corps a atteint vitesse terminale. La variation de la vitesse en fonction du temps peut être représentée sur un graphique, comme suit:

On peut montrer que la vitesse limite pour ces cas est donnée par .

Exemple:

Supposons un grain de pollen d'une masse de 3,8 × 10-14 kg tombe dans l'air. Si la valeur de la constante  4.0 × 10-11 kg s-1, trouver la vitesse terminale.

Puisque ,

Remarque: En réalité, le calcul n’est pas si simple, de nombreux autres facteurs entrent également en ligne de compte. Cependant, aux fins de cet exemple, nous avons supposé que les seuls facteurs qui affectent la chute du grain de pollen sont la gravité et la résistance à l'air, et la résistance de l'air est également supposée être directement proportionnelle à la vitesse du grain..

Comment calculer la résistance à l'air d'un objet qui tombe lorsque l'objet tombe rapidement dans l'air

Les objets qui tombent plus rapidement dans les airs (par exemple, les parachutistes) provoquent des turbulences considérables. Par conséquent, leur résistance à l'air est bien plus grande. Pour ces objets, la résistance de l'air est directement proportionnelle à la carré de la vitesse de l'objet par rapport à l'air. La résistance de l'air pour ces cas est donnée par:

Ici,  estcoefficient de traînée,  est le densité de l'air (typiquement environ 1,2 kg m-3), et  est le section efficace du corps perpendiculaire à la direction de la vitesse du corps. Typiquement, prend des valeurs comprises entre 0.1 et 2.

La vitesse limite pour les objets se déplaçant rapidement dans l'air peut être donnée par .

Exemple:

Une balle de golf qui tombe dans l'air a un coefficient de traînée de 0.26. Etant donné que sa section efficace est de 1,4 × 10-3 m2, trouver la résistance de l'air sur le ballon lorsque celui-ci se déplace à une vitesse de 20 m s-1.

On a 

ensuite,