FI.ME.002-01. Aplicações da Física.

By decioadams in Estática, Física, Hidrostática, Mecânica, Ótica 13 de fevereiro de 2017

Aplicações da Física.

Muito antes de as leis da física serem elaboradas, suas equações serem demonstradas, os princípios estabelecidos e explicados, muita coisa se fazia em termos de sua aplicação. O que se deduz daí é que muitos conhecimentos eram do domínio humano, apesar da inexistência de uma compilação de tudo na forma de ciência única e coerente. Não existiam compêndios de física como os temos hoje, onde é possível estudar desde o início até os níveis mais aprofundados. Os conhecimentos existiam, mas de forma isolada, como se não guardassem relações entre si. O que aconteceu mais recentemente foi uma organização de todos esses fragmentos, estabelecimento das relações entre as partes, de modo a formar um conjunto harmônico.

O filósofo, matemático, físico, engenheiro, enfim um dos mais destacados cientistas de todos os tempos, Arquimedes, nasceu na cidade de Siracusa, Grécia, em 287 a.C. Em geral ele é mais conhecido na física pelo princípio, que leva seu nome. Ele descobriu a existência da força de empuxo, ao buscar a solução de um problema que o rei Hierão II lhe havia imposto. Sem danificar, deveria provar que uma coroa encomendada a um artífice, era feita de ouro maciço.

p1_clip_image012 — Representação de Arquimedes tomando banho na banheira

Tomando banho em sua banheira, Arquimedes atinou com a solução do problema da coroa. Descobriu o empuxo.

Eureka descoberta — Arquimedes correndo nu pelas ruas de Siracusa, após descobrir a solução do problema da coroa

Ao estar em sua banheira, um objeto usado para a higiene, parece que era uma forma de sabão, caiu e ele observou o movimento do objeto ao afundar. Nesse momento teve a ideia de usar água para testar a coroa. Pelo que conta a história, ele descobriu que a coroa era feita na verdade de um outro metal, apenas recoberto de ouro. Como o metal usado era menos denso (mais leve) do que o ouro, haveria diferença no comportamento ao ser submersa em água.

Ao deparar com a solução do problema, Arquimedes teria saído gritando pela rua: “Eureka! Eureka!” O que significa na língua grega: “Achei! Achei!” Na senda dessa descoberta, ele estabeleceu um princípio conhecido como Princípio de Arquimedes. Seu teor é:

“Todo corpo imerso em um fluido (líquido ou gasoso), fica sujeito a uma força vertical, dirigida para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado”.

Esse princípio permite analisar o comportamento dos corpos no interior dos líquidos. Também é usado para estudar a densidade dos materiais, sendo o líquido geralmente usado a água. Os corpos mais densos que o líquido, afundam. Os de mesma densidade, permanecem em equilíbrio em qualquer ponto e os menos densos emergem. Depois de emergir, ficam flutuando, tendo apenas uma parte de seu volume imerso na água. A porção do volume que fica imersa, depende da densidade do corpo e do líquido.

Desenho de barco antigo, indicando centro de gravidade, importante informação sobre flutuação e equilíbrio do veículo.

A flutuação e estabilidade dos barcos e navios, está intimamente ligada ao fenômeno da densidade. Mesmo usando aço na confecção do casco, o barco consegue ter densidade aparente menor que o líquido, por ser oco e a maior parte do volume submerso é preenchida de ar. A distribuição adequada do volume submerso e da carga útil, determina o equilíbrio do barco. Se você observar um cargueiro chegar ao porto. Inicia-se a descarga e quando o navio ficar vazio de sua carga, notará que ele terá subido um pouco. A linha d’água estará um pouco mais baixa do que ao chegar. Se ele receber carga novamente, à medida que a quantidade aumenta, ele irá descer. Dessa forma ele mantem o peso e o empuxo em equilíbrio.

nemiship — Barco Nemiship projetado e construído sob o comando de Arquimedes. Um pedido do rei Hierão II

Podemos usar um exemplo mais simples. Uma canoa vazia, fica com seu volume quase todo fora da água. Cada pessoa que embarca, provoca um “afundamento” do casco. Tendo capacidade para várias pessoas, é importante a distribuição delas em posições adequadas para garantir o equilíbrio. Um descuido nessa distribuição pode causar a “virada” e consequente naufrágio da mesma. Isso está relacionado com o chamado “centro de gravidade” ou seja a distribuição uniforme do peso, garantindo o equilíbrio.

Outro invento de Arquimedes, utilizado até os dias de hoje, é o chamado Parafuso de Arquimedes. Uma “rosca sem fim” colocada em um tubo, com uma extremidade na água. Ao ser girada, conduz água para cima. Foi e é largamente usada com essa e outras finalidades até os dias de hoje. Seu funcionamento é tão eficiente que chega a ser aplicado em sistemas modernos de compressão de líquidos. Pode-se fazer um modelo caseiro. É suficiente enrolar uma mangueira na forma de mola ao longo de uma haste ou tubo. Sendo colocado imerso na água e girado no sentido conveniente, na velocidade adequada, fará sair água na extremidade superior.

parafusos-de-arquimedes — Usando Parafuso de Arquimedes para elevar água de um reservatório mais baixo, para um nível acima.

parafuso_01_500px — Parafuso de Arquimedes, usando bolinhas coloridas, demonstra funcionamento

parafuso arquimedes 3 — Tubo de plástico transparente, enrolado em forma de parafuso, funciona para elevar água.

arquimedes02 — Figura esquemática do Parafuso de Arquimedes

Também é atribuída a Arquimedes a destruição de navios romanos que tentavam conquistar Siracusa. Para isso teria usado um determinado número de espelhos planos, convenientemente posicionados. Eles dirigiam os raios solares sobre um ponto do navio. A concentração de luz em um ponto, elevava a temperatura, provocando o incêndio. Um grupo de pesquisadores realizou uma montagem demonstrativa e comprovou-se a viabilidade da ação. Dessa forma ficou refutada a afirmação de muitos estudiosos modernos, de que a não disponibilidade de espelhos convexos na época, teria impedido de fazer incidir em um ponto uma quantidade suficiente de luz para causar o incêndio.

Espelhos devidamente posicionados, fazem convergir luz solar para um ponto

Um grande número de espelhos, colocados em posições tangentes à superfície de uma esfera, convergem o sol para um ponto, provocando incêndio.

eulipilia-17 — Ilustração de luz dirigida sobre navio a ser incendiado

Criou um sistema de roldanas, que acionavam um guindaste, tendo na extremidade um cabo com gancho metálico. Esse gancho era lançado nos navios e ali se enroscava. Parelhas de bois acionavam as roldanas, provocando o levantamento do navio, retirando-o da água. Também foi comprovada a viabilidade do projeto de modo experimenta.

arquimedes-15-638 — Desenhos ilustrativos da “Garra de Arquimedes”

É atribuída a Arquimedes a afirmação: “Dai-me uma alavanca e um ponto de apoio, que eu moverei o mundo”. Embora o equacionamento teórico envolvido tenha sido feito em épocas mais recentes, o filósofo estabeleceu o funcionamento das balanças de braços, sistemas de alavancas, os guindastes e outras máquinas. Construiu armas de defesa, dificultando a conquista de sua cidade pelos romanos. Quando finalmente ocorreu a conquista, os soldados romanos levavam a recomendação expressa do general comandante das tropas, de não fazerem qualquer dano ao cientista, pois tinha interesse em seus serviços. Como vivia de modo simples e sem ostentação, um soldado ao vê-lo, imaginou tratar-se de um escravo ou pessoa comum e o matou sem ao menos perguntar quem ele era.

Alavanca de Arquimedes. — Arquimedes movendo o mundo com uma alavanca e um ponto de apoio (Ilustração)

Assim, o grande defensor de Siracusa, encontrou seu fim, sem ao menos ter esboçado um gesto de defesa ou agressão. O general romano lamentou profundamente a morte do cientista. Entre tantos combatentes, foi impossível identificar quem foi o autor da morte de Arquimedes.