Ya que Javelin y Shot Put ya están ocupados y usted pregunta sobre deportes que solo involucran movimiento de proyectiles, iría con un deporte más civilizado: el golf
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Por supuesto, para distancias más largas habrá una cierta cantidad de resistencia en la pelota debido al aire y al viento.
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En 1949, Davies realizó experimentos para determinar la magnitud de las fuerzas de arrastre y elevación que se producen en una pelota de golf al dejar caer las bolas de golf giratorias en un túnel de viento. Davies descubrió que “la resistencia aumentaba casi linealmente de aproximadamente 0.06 lb sin giro a aproximadamente 0.1 lb a 8000 rpm” y que “la elevación variaba con la velocidad de rotación” (Davies, 1949)
En 1959, Williams utilizó los hallazgos anteriores de Davies y realizó un análisis sobre el transporte de pelotas de golf en función de la velocidad. Williams demostró que la fuerza de arrastre variaba linealmente con la velocidad. La fuerza de arrastre sobre una pelota de golf se puede calcular mediante la ecuación (7).
Ecuación 7
Donde CD es el coeficiente de arrastre, A es el área de la sección transversal de la pelota, ρ es la densidad del aire y v es la velocidad de la pelota (en pies / s).
Williams demostró que el coeficiente de arrastre se puede estimar aproximadamente en 46 / v, lo que demuestra que a velocidades más altas el coeficiente de arrastre cae significativamente. Williams descubrió que la fuerza de arrastre sobre la pelota de golf variaba linealmente con la velocidad, y descubrió que D era la dada en la Ecuación (8).
Ecuación 8
Donde D está en libras, y 0.000783 representa la constante c, que se discutirá. Una nota es que los cálculos de Williams (1959) usaron una pelota británica con un diámetro de 1.62 pulgadas en comparación con la pelota estadounidense de 1.68 pulgadas. El cálculo más fácil es considerar el caso de una pelota de golf que no gire (sin elevación) con resistencia lineal al aire en los cálculos de rango y altura.
Propósito de hoyuelos en una pelota de golf.
Por lo general, las pelotas de golf tienen entre 330 y 500 hoyuelos en sus cubiertas Surlyn. Algunos hoyuelos son redondos, mientras que la mayoría de los fabricantes de pelotas de golf han comenzado a hacer sus hoyuelos en una variedad de formas hexagonales. Según lo establecido por el principio de Euler (Bird et al, 2007), es probable que se produzca la separación de la capa límite (la capa de moléculas de aire al lado de la superficie de la pelota de golf) en regiones donde la presión aumenta en la dirección del flujo. El siguiente video de YouTube ofrece una buena visión de una simulación de la capa límite.
La razón de la gran cantidad de hoyuelos en una pelota de golf es asegurar que la capa límite no se separe hasta la parte posterior de la pelota. Una esfera lisa generará una gran estela detrás de la pelota, ya que hay mucha menos presión detrás de la pelota que al frente. El aire se moverá para precipitarse en el área de baja presión, ejerciendo una fuerza de arrastre de presión sobre la pelota. Sin embargo, a medida que el aire turbulento gira alrededor de la pelota de golf, los hoyuelos capturan algunos de los remolinos y los mantienen cerca de la superficie de la pelota de golf. Los hoyuelos fuerzan un viaje turbulento en la superficie, asegurando una separación posterior de la capa límite que disminuye la cantidad de fuerza de arrastre sobre la pelota. Los hoyuelos en la pelota de golf no reducen el arrastre en la parte delantera de la pelota, porque el área de la sección transversal de la pelota es siempre la misma. Sin embargo, disminuyen el tamaño de la estela de baja presión detrás de la pelota, disminuyendo la fuerza de arrastre general y mejorando el vuelo. Un ejemplo de esto se muestra en la Figura 2, una simulación en Fluido entre una esfera y una pelota de golf con hoyuelos.
Figura 2.
Simulación fluida que muestra el campo de presión alrededor de una esfera lisa y una pelota de golf con hoyuelos. Las pelotas viajan hacia la izquierda. Como se muestra en ambos casos, la presión que contacta la cara frontal de ambas bolas es grande. Sin embargo, la magnitud de la diferencia de presión (lado frontal versus lado posterior de la pelota) en la caja de la esfera es mucho mayor que en la caja de la pelota de golf. La gran cantidad de alta presión (roja y amarilla) que empuja contra el vuelo de la pelota la ralentiza mucho más rápido que en la caja de la pelota de golf, donde hay menos presión detrás de la pelota. Además de este cálculo de presión, es interesante observar la distribución del esfuerzo cortante en la cara de la esfera y la pelota de golf modelada, como se muestra en la Figura 3.
El esfuerzo cortante de la pared de una pelota de golf con hoyuelos y una esfera modelada en Fluido
Como se muestra en la Figura 3, el esfuerzo cortante en la superficie de la esfera (rojo / naranja) cubre un área de superficie mayor, mostrando dónde se separa la capa límite de la esfera. Los hoyuelos en la pelota de golf mantienen la capa límite del flujo turbulento cerca de la pared de la pelota de golf y reducen en gran medida los esfuerzos de corte sobre el área de superficie de la pelota de golf. Esto significa que la pelota de golf se ralentiza menos.
Como se muestra en la Figura 4, en el caso laminar con un número bajo de Reynolds (Re = 0.1) (arriba) no tiene separación de la capa límite ya que las líneas de corriente se abrazan al exterior de la pelota. Esta situación no es realista para una pelota de golf debido a las altas velocidades a las que viaja (~ 200 pies / s) una vez que es golpeada. (Zumerchik, 2002)
El segundo caso (centro) muestra una bola suave a alta velocidad. Hay una gran diferencia de presión entre el lado frontal y posterior de la pelota, y la capa límite se separa mucho antes que la caja de la esfera con hoyuelos (parte inferior). Los hoyuelos permiten que la capa límite abrace la pelota y la separación de la capa límite no ocurre hasta el final de la bola. Cuanto más pequeña es la zona azul de baja presión detrás de la pelota, más lejos volará la pelota de golf.
Similar a una lámina de aire, los hoyuelos en una pelota de golf también permiten ejercer una fuerza de elevación sobre la pelota. Backspin, como se genera desde el desván de la cara del palo que golpea la pelota, deforma el flujo de aire alrededor de la pelota y crea una fuerza de elevación debido al efecto Magnus. El efecto Magnus es un fenómeno en el que un objeto giratorio que vuela en un fluido crea un remolino a su alrededor y experimenta una fuerza (en este caso, elevación) perpendicular a la línea de movimiento. Debido a que la parte superior de la pelota gira con la dirección del aire, el aire en la parte superior de la pelota se mueve más rápidamente que el aire en la parte inferior de la pelota. El aire en la parte inferior de la pelota se mueve contra el viento, y esto desplaza la presión detrás de la pelota hacia abajo, en la dirección del retroceso. Debido a las diferentes velocidades en la parte superior e inferior de la pelota, hay una fuerza resultante hacia arriba conocida como elevación.
El efecto magnus puede tener un gran impacto en el golf. Si dos pelotas de golf son golpeadas con la misma velocidad, una pelota con retroceso permanecerá en el aire 2 o 3 segundos más y puede viajar de 18 a 30 metros más (Zumerchik, 1997).
A pesar de los beneficios del efecto de retroceso, el uso de demasiados giros puede ser un problema porque parte del impulso se imparte en el alto giro de la pelota de golf. A medida que una pelota viaja más rápido, necesita menos retroceso para generar elevación. (Zumerchik, 2002).
Referencia: La ciencia en profundidad del golf
Espero que esto ayude
