Como a Física explica o projeto de trem de alta velocidade
Discuta com a turma os
conceitos da Física que ajudam a entender o projeto de um sistema de transporte
que pode chegar à velocidade próxima à do som
Objetivos
- Reconhecer características comuns aos movimentos e
sistematizá-las segundo velocidades, atritos e outras variáveis
- Reconhecer causas da variação de movimentos associadas a forças
magnéticas
- Reconhecer que as leis de física aprendidas no ensino médio
determinam valores e características dos movimentos em sistemas físicos
complexos
Conteúdos
- Caracterização de atritos presentes nos movimentos do cotidiano
- Estimativas e procedimentos para movimento uniforme na ausência
de atritos
- Indução de movimento por ação eletromagnética
- Variação de movimentos relacionada à força aplicada e ao tempo de
aplicação, a exemplo de freios e dispositivos de segurança
- Identificar as dificuldades da ultra velocidade
Matérias necessários
- Cópias da reportagem Isto, sim, é trem-bala (Veja, 21 de agosto
de 2013, 2336)
- 5 bexigas
- 5 CDs ou DVDs velhos
- 5 tampinhas de garrafa PET ou tampinhas dosadoras de detergentes
ou isotônicos
- 1 tubo de cola de secagem rápida
- Pesquisa de imagens com detalhes do projeto de criação do
Hyperloop na internet
Tempo estimado Duas aulas
Anos Ensino Médio
·
Como funciona a
energia solar?
·
Velocidade e energia
em um lançamento de foguete
·
Debate sobre fontes
e geração de energia elétrica
·
Como tornar as
cidades brasileiras mais sustentáveis?
Introdução
O anúncio de um trem de
altíssima velocidade, o Hyperloop, trouxe esta semana uma grande novidade para
o debate sobre transportes no mundo. O projeto utiliza conceitos simples da
Física e é consideravelmente mais barato que outros transportes de alta
velocidade existentes no momento. A novidade pode afetar os rumos dos
transportes em diversos países, incluindo o Brasil, onde ainda há dificuldades
para reunir empreendedores e tirar do papel um projeto como o trem-bala.
Desenvolvimento
1ª etapa
No início da aula, distribua cópias da reportagem "Isto, sim,
é trem-bala" para os alunos para que eles se sintam estimulados com o tema
da aula. Após a leitura do texto, peça que eles identifiquem na reportagem e
citem as tecnologias empregadas no novo trem e os conceitos da física por trás
desse novo modelo de transporte. Diga que, ao final da sequência de aulas,
todos os detalhes da cápsula inovadora serão desvendados utilizando as noções
de física. Explique que vocês estudarão diversos aspectos do projeto e convide
os alunos a pesquisarem na internet imagens com detalhes do trem, do motor, bem
como dos túneis que esses trens irão percorrer.
O projeto do Hyperloop é
relativamente simples frente aos trens de alta tecnologia, que utilizam
levitação magnética. É possível simplificar seu projeto de funcionamento
citando três adventos da engenharia: levitação por pressão de ar, propulsão
magnética linear e redução drástica da resistência do ar.
Um dos desafios para o
desenvolvimento dos trens de alta velocidade está um elemento muito simples de
sua estrutura: a roda. Parece incrível que um elemento tão antigo e funcional
possa limitar seu alto desempenho. Os eixos, rolamentos e materiais agregados
nas rodas dos trens ultrarrápidos sofrem desgastes, perdem estabilidade
dinâmica e podem até mesmo se desfazer devido à alta rotação.
Para ter uma ideia do
tamanho do problema, seria como se fôssemos colocados em um gira-gira e
imprimíssemos uma rotação de tal forma que não conseguíssemos mais nos segurar.
A conclusão é que seríamos lançados pela tangente por não sustentarmos a
rotação. Uma roda de metal girando em altíssima velocidade e recebendo pressão
do peso do trem poderia sofrer muito atrito, perder o equilíbrio dinâmico e
despedaçar-se ao longo de uma viagem. Por mais que existam trens bem sucedidos
que já chegaram a 500km/h, atingir velocidades acima de 1000km/h seriam
impraticáveis sobre rodas que utilizem a tecnologia atual. Para visualizar esse
efeito, é possível pesquisar e observar as deformações sofridas pelo conjunto
roda e pneu de um carro de corrida no momento de sua largada.
Outra consequência
provocada pela altíssima velocidade seria o provável derretimento do sistema de
freios por causa da quantidade de energia dissipada em forma de calor gerado
pelo atrito entre as pastilhas e o disco de freio.
Para solucionar esse
problema, teríamos que reinventar a roda ou não usá-la. Esta segunda opção foi
a escolhida para o projeto que estamos analisando. O sistema baseia-se em um
conjunto de esquis que não tocam as superfícies do chão e das paredes por conta
do ar pressurizado, que cria uma espécie de bolsa de ar de alta pressão e
impede o contato entre as superfícies. Veja abaixo um desenho que exemplifica
esse item do projeto:
Esse sistema não é novo
visto que meios de locomoção chamados hovercrafts já usam tecnologia
semelhante. Clique aqui para ver a imagem de um hovercraft. A sustentação do
móvel é obtida através dos motores que inflam uma gigantesca bolsa de ar sob o
móvel, suspendendo todo o aparato.
A flutuação tem como
consequência a ausência de contato, fato que implica em inexistência de força
Normal (força que impede dois corpos de penetrar um no outro). Não havendo
força Normal, não encontraremos força de atrito entre as superfícies, já que
esta força decorre da interação entre o contato e a rugosidade das interfaces
(Fat = u.N , onde u é o coeficiente de atrito e N, a força Normal).
Proponha aos alunos um
experimento para demonstrar esse conceito. Divida-os em 5 grupos e entregue um
CD (ou DVD) já usado, uma tampinha de garrafa PET ou de detergente (seria mais
ágil se já estivesse colada ao CD antes da aula, conforme a figura abaixo) e
uma bexiga.
Depois de colada a tampinha
no CD, encaixe uma bexiga. Agora, basta encher a bexiga através do buraco do CD
e soltar o artefato sobre uma superfície plana e lisa. O ar que sai
constantemente da bexiga forma uma camada de ar pressurizada sob o CD impedindo
que ele tenha contato com a superfície. É também dessa maneira que funciona o
brinquedo conhecido como hóquei de mesa, que os alunos costumam encontros em
setores de diversões dos shoppings.
2ª etapa
Retome os conceitos
discutidos na aula anterior e reforce que a turma estudou até o momento um dos
entraves para garantir o funcionamento de um projeto como o Hyperloop.
Outro desafio para garantir
a alta velocidade é a resistência do ar sobre os corpos. Esse conceito é bem
compreendido pelos alunos visto que muitos deles já passaram por situações onde
o vento interfere bastante no deslocamento, como andar rápido de bicicleta,
skate ou patins. Há também aquele velho costume de criança um tanto quanto
imprudente, mas irresistível, que é andar com a mão para fora da janela
enquanto o carro se desloca em uma estrada. Nesse ato dá para perceber a ação
do vento sobre os corpos.
Pergunte aos alunos se eles
já notaram estratégias usadas pelos engenheiros para diminuir a resistência do
ar? Talvez alguns deles relatem exemplos como o formato dos carros. A evolução
dos automóveis é uma forma de verificar os efeitos da resistência do ar sobre
os bólidos. Basta comparar a aerodinâmica toda quadrada dos veículos no início
do século 20 com as linhas arredondadas dos modelos atuais. Nesse contexto,
lembre que as equipes de Fórmula 1 investem muitos recursos para fazer mudanças
mínimas na aerodinâmica dos seus carros para ganhar décimos de segundos
preciosos que podem valer o campeonato.
Em uma viagem acima dos
1000km/h seria praticamente inviável que um veículo como esse conseguisse
resistir à força do vento porque ele que não tem a pretensão de ser um avião e
usar jatos propulsores que consomem muito combustível. Para solucionar esse
impasse, o ambicioso projeto propõe eliminar a variável resistência do ar. Por
esse motivo, há a necessidade dos túneis lacrados em forma de tubo.
Ao longo da extensão da
linha, haverá bombas de vácuo que deixam a atmosfera interna a uma pressão de
100 Pa, aproximadamente 1000 vezes menor que a pressão atmosférica normal (10
elevado a 5 ou 100.000 Pa). Isso significa que, em uma analogia bem
simplificada, seria como se você estivesse viajando a cerca de 100km/h, mas
sentindo um ventinho de apenas 5km/h, ou seja, quase nada (isso é uma
aproximação que serve apenas como exemplo para explicar o conceito abordado,
não tem nenhum fundamento calculado com exatidão). Dessa maneira, outro entrave
do projeto foi eliminado. Além dessa função primordial, os túneis também terão
em sua parte externa placas fotovoltaicas para obtenção de energia solar que
suprirá boa parte da energia utilizada pelo sistema.
O último desafio é o motor
responsável pela propulsão de altíssima velocidade do Hyperloop. Baseado em
eletroímãs, o sistema de forças que tem pretensão de levar a cápsula acima dos
1000km/h funciona de maneira análoga aos motores lineares dos trens flutuantes
já existentes. Quando mencionamos motores, automaticamente nossos pensamentos
nos remetem a um mecanismo que gira. Porém, motores lineares possuem
funcionamento diferenciado.
Na base do Hyperloop há uma
espécie de lâmina magnetizada que o projeto chama de rotor (esse nome é dado a
um componente similar dos motores elétricos que funcionam com o mesmo
princípio, porém trabalham em rotação). Para ajudar os alunos a visualizar
todos esses componentes do projeto, peça que eles apresentem as imagens que
pesquisaram com os detalhes do projeto e ajude-os a relacioná-las aos conceitos
apresentados.
No tubo, há eletroímãs
(estatores) distribuídos ao longo da via por onde a lâmina magnetizada
percorre. O funcionamento é relativamente simples: como o rotor é um elemento
magnético, ele é atraído por outros imãs, dependendo de suas polaridades. Os
estatores, por serem eletroímãs, podem ser ligados e desligados com a
polaridade desejada. Para acelerar a cápsula, os estatores à frente da lâmina
estão sempre dispostos em polaridade de modo a atraí-la. Desse modo, assim que
a força puxa o rotor e ele chega ao elemento que o atrai, automaticamente ele é
desligado e o estator à frente é ligado em polaridade de atração. E assim vai
acelerando, ganhando impulso a cada elemento alcançado até atingir a velocidade
desejada. Como os atritos são reduzidos, o sistema fica inoperante e viaja em
movimento uniforme.
Para frear, o sistema usa o
mesmo sistema, mas ao invés dos estatores serem ligados à frente, eles são
ligados imediatamente após a passagem da lâmina, logo atrás do rotor. Dessa
forma, a força resultante fica no sentido oposto ao movimento, brecando a
cápsula. De maneira muito simplificada, explique aos alunos que seria como se
usássemos um imã para atrair uma moeda, mas antes que ela grude o imã é puxado
de forma que mantenha a moeda em perseguição.
Avaliação
Verifique se a turma
compreendeu os principais conceitos de física por trás do Hyperloop. Pergunte
quais são as expectativas dos alunos frente a esse novo meio de transporte e de
que forma ele pode transformar nossa realidade. Ressalte que o projeto
baseia-se em conceitos de física abordados no Ensino Médio e que qualquer um,
claro que com empenho e pesquisa, poderia vislumbrar projetos inovadores como o
Hyperloop. Grandes cidades como São Paulo enfrentam sérios problemas de
locomoção e, apesar do trem apresentado ser projetado para distâncias maiores,
ele poderia ser adaptado para grandes centros urbanos. Nesse contexto, peça
para os alunos desenvolverem em grupos um projeto que envolvesse inovação
(fundamentada em conceitos da Física) e pudesse oferecer alternativas de
transporte para as grandes cidades.
Ilton Miyazato
Professor de física do
Colégio Exatus, em São Paulo (SP)
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