A CIÊNCIA VAI AO PARQUE
Por A. C. Taborda, com Katia Zero, de Washington
Os projetistas das montanhas-russas usam princípios descobertos há pelo menos 300 anos para criar os mais
vertiginosos percursos, deixando os passageiros até de cabeça para baixo, a 100 quilômetros por hora.
Com uma mistura de entusiasmo e apreensão, os passageiros do pequeno vagão vêem o alto dos trilhos se aproximar
lentamente. Atingindo o cume, começa uma arrepiante sucessão de abismos abruptos, curvas inesperadas e subidas de tirar o
fôlego. Tudo isso acontece em cerca de dois minutos numa montanha- russa, embora para os passageiros pareça uma eternidade.
O objetivo dos projetistas, naturalmente, é criar o trajeto mais emocionante, de modo a proporcionar o maior número possível
de sobressaltos por metro de viagem, sem o menor risco pois nisso está toda a graça do brinquedo. A velocidade dos carros
parece muito maior que a real, pela proximidade dos trilhos e os apavorantes loops não passam de bem planejadas estruturas,
tudo graças ao concurso das leis da Física.
Começa o passeio e o pequeno vagão é lentamente puxado até o ponto mais alto da montanha-russa. Quanto mais alto
for esse ponto, maior será a energia do carro no caso, trata-se da energia potencial, que ao se transformar em energia cinética
durante a descida aumentará progressivamente a velocidade do vagão. Qualquer objeto levantando do solo contém energia
potencial, criada pela força da gravidade. Mas a corda de um relógio por exemplo, ou um pedaço de elástico esticado também
possuem energia potencial armazenada. Em Física clássica, energia potencial e energia cinética são as duas faces da energia
mecânica.
A palavra energia foi usada pela primeira vez num texto científico em 1807 pela Royal Society inglesa, por sugestão do
médico e físico Thomas Young (1773-1829). Outra de suas idéias brilhantes, mas que permaneceu despercebida nos arquivos da
ciência, foi a definição de energia como a capacidade de realizar trabalho, ou seja, deslocar determinada massa por uma
distância. Essa definição é o ponto-chave para a compreensão do conceito e também para se entender os segredos da montanha
russa. Depois de ultrapassar o topo do ponto de partida, o vagão escorrega em desabalada viagem ladeira abaixo sem a ajuda de
motores ou máquinas, como um carrinho de rolimã ou um skate.
Durante o trajeto, a energia mecânica do vagão é também utilizada de forma inteligente ela serve para mover uma série
de geradores que fornecem eletricidade às lâmpadas que iluminam a montanha russa. A energia excedente é canalizada para os
acumuladores (baterias), onde é convertida em energia química. Esta poderá ser novamente transformada em eletricidade,
sempre que necessário. Alguém poderia pensar que assim se obtém energia de graça. Mas, como dizia Lord Keynes em relação
aos fatos da economia, nada é gratuito no Universo a energia necessária para o guincho puxar o vagão até o início do percurso é
muito superior à energia gerada na descida. A diferença transformou-se em calor.
O mesmo acontece com uma bola de pingue-pongue: ao ser largada sobre uma superfície qualquer, voltará quase à
altura original e irá quicando cada vez mais até parar na superfície. Se não houvesse perdas, a bola voltaria sempre à altura
inicial, mas a energia se dissipa sob a forma de calor. Uma das mais importantes propriedades da energia com lugar cativo nas
montanhas-russas é o intercâmbio entre suas várias formas. Os físicos não conseguem imaginar uma exceção sequer à regra de
que qualquer forma de energia pode ser convertida em outra. No caso da montanha-russa, o movimento das rodas gera
eletricidade. São elas ainda as responsáveis pela velocidade desenvolvida.
A única força capaz de deter o trem é o atrito. Na ausência total de atrito, os passageiros embarcariam numa viagem
sem fim, subindo e descendo os obstáculos incansavelmente (desde, é claro, que tenham sido levados até o início do trajeto).
Por outro lado, se o atrito fosse máximo, o trem não sairia do lugar. As rodas, embora consigam diminuir grande parte do efeito
do atrito, não chegam a eliminá-lo. Por esse motivo, todos os veículos se detêm após certo tempo. Descobrir o mistério que
mantém os corpos em movimento sempre foi um dos maiores desafios para a ciência. Suponha-se que, cessada a força, cessasse
também o movimento.
Mas, em 1638, o físico italiano Galileu Galilei deduziu que a suposição era falsa. Quatro anos mais tarde nasceria o
homem que resolveria de vez a questão o inglês Isaac Newton (1642-1727). A lei da Inércia, ou Primeira Lei de Newton, diz
que um corpo permanecerá no estado em que estiver até que alguém venha dar-lhe um impulso. Mas o que aconteceria com o
corpo se, no lugar do impulso, fosse empurrado continuamente? Essa força produziria um aumento progressivo na sua
velocidade. É a aceleração, descrita na Segunda Lei de Newton. No parque de diversões, em queda livre, o vagão sofre a ação
da força da gravidade, portanto acelera. No entanto, não cai na vertical, mas percorre um longo plano inclinado, disfarçado
pelos vales e picos do trajeto.
“A velocidade obtida na descida é usada para superar a próxima subida. E é tão elevada a velocidade desses
carrinhos que, antes ainda da primeira curva, os freios precisam entrar em ação. Eles andam mais porque são que pontos de
grande atrito e, numa montanha-russa moderna, estão permanentemente acionados pois, na posição de repouso, freiam os
vagões.
Nos primeiros modelos, do começo do século, um funcionário era encarregado de frear o carro quando ele se
aproximava de pontos predeterminados. “Nos trechos de alta velocidade dos modelos atuais, um mecanismo desengata os
freios; havendo algum problema, automaticamente o vagão é brecado ao voltarem os freios à posição desligada”, explica o
engenheiro Laerte de Souza, responsável pelos equipamentos do Playcenter, em São Paulo. Nesse instante, a pastilha do freio
que está junto aos trilhos morde uma lâmina de metal que sai da lateral dos vagões, aplicando o atrito máximo para impedir o
movimento. A energia mecânica do vagão é assim transformada em calor.
Outro grande aliado dos engenheiros é o acelerômetro, um pequeno instrumento que, levado na mão do
passageiro, permite medir a intensidade e a direção das forças em diversos pontos do percurso. As leituras são feitas em g, que
representa o valor da aceleração da gravidade. Os pilotos de jatos, quando obrigados a manobras mais arriscadas, conseguem
suportar até 11 g - onze vezes a força da gravidade antes de perder a consciência. Os acelerômetros são bastante usados pelos
desenhistas que se dedicam a renovar montanhas-russas antigas, a fim de torná-las mais seguras.
O motivo de tanto arrebatamento é um novo traçado: o loop, que permite ao carrinho ficar literalmente de cabeça para
baixo. Fazer um trem viajar de ponta-cabeça era uma velha aspiração dos projetistas. A primeira tentativa ocorreu no século
passado, em Coney Island, Nova York, no ano de 1887. Mas o que parecia ser a escolha mais lógica o círculo de 360 graus não
funcionou. O problema é que, quando o vagão entra em alta velocidade num círculo perfeito, a subida é muito brusca, gerando
uma força centrífuga de tal intensidade que pressiona os passageiros violentamente contra o assento. No topo ocorre o inverso: o
carro desacelera subitamente e se a velocidade cair abaixo de certo limite, a gravidade irá puxar os passageiros de seus assentos,
quando estiverem de cabeça para baixo.
A solução matemática para esses inconvenientes já existia, porém, desde o longínquo ano de 1744. Uma curva especial,
chamada clotóide, ou espiral de Cornu, havia sido descoberta então por um dos mais prolíficos e geniais matemáticos de todos
os tempos, o suiço Leonhard Euler (1707-1783). Mas só em 1977 os projetistas se deram conta de que a curva de Euler era a
solução perfeita o seu raio variável controla a velocidade do vagão, de acordo com a Lei da Conservação do Momento Angular.
Esta se manifesta, por exemplo, quando se gira uma pequena pedra na ponta de um barbante, de modo a fazê-la enrolar no dedo
indicador. À medida que diminui o barbante, aumenta a velocidade.
Assim, o vagão entrando num loop em forma de gota move-se a uma velocidade inferior à que teria num círculo,
diminuindo também a força centrífuga sobre os passageiros. No topo, o raio da curva é bem menor. com isso, o vagão gira mais
rápido do que num círculo. Cria-se uma força centrífuga mais elevada, capaz de superar a atração da gravidade, o que mantém
os passageiros seguros nos assentos. Essa inovação permitiu loops bastantes altos, já que os carros não perdem velocidade. O
maior loop do mundo, com 40 metros de altura, é o da montanha-russa chamada Shock Wave (Onda de Choque), em Illinois,
Estados Unidos.
A Shock Wave é também a mais alta e mais veloz montanha-russa do mundo: o ponto inicial do passeio está a 52
metros de altura (o equivalente a 17 andares); logo em seguida vem uma queda de 47 metros, quando a velocidade chega a 113
quilômetros por hora. O grande loop é apenas o início de uma série de enlouquecidas manobras que duram 2 minutos e 20
segundos. No total, os passageiros ficam sete vezes de cabeça para baixo. “É uma loucura”, orgulha-se seu criador, Ronald
Toomer, ex-desenhista de foguetes, responsável também por uma série de inovações na construção das montanhas-russas
americanas.
Os especialistas, como Toomer e Ruben, apontam uma diferença fundamental entre as montanhas-russa
tradicionais e as que possuem um loop: nas primeiras, pequenos carrinhos transportam sucessivamente até quatro passageiros; já
no segundo tipo, um só comboio leva até 28 passageiros. Segundo os físicos, não é preciso maior massa para vencer o loop. Mas
os projetistas usam a massa do comboio, por exemplo, para ajudar a vencer o atrito de uma roda defeituosa e completar a volta.
Do mesmo modo, nem todas as modificações baseadas na Física garantem total segurança o cinto e outros equipamentos
similares devem ser usados, ainda que a própria força centrífuga mantenha o passageiro firmemente grudado no assento.
A Terceira Lei de Newton, também conhecida como a Lei da Ação e Reação, pode também explicar que tipo de forças
atuam durante o loop. Ela diz que, para toda a força exercida sobre um corpo, surge outra igual, em sentido contrário. No
interior de um parafuso, como o do Tivoli Park, o passageiro sofre uma aceleração centrífuga de 2 g, ou seja, seu peso dobra.
Segundo a Terceira Lei de Newton, se os trilhos não segurassem o vagão, ele sairia voando pelo espaço. A reação (centrípeta)
de apoio do trilho sobre o carrinho equivale à força (centrífuga) com que o carrinho comprime o trilho.
Foi o projetista americano Ronald Toomer quem, em 1975, conseguiu pela primeira vez colocar um carrinho de cabeça
para baixo, usando um grande parafuso. Na hora do teste inicial ele ficou só olhando já que odeia os rápidos movimentos das
montanhas-russas e outros equipamentos dos parques de diversões: “Passo mal”, justifica-se ele.
Fonte: Revista Superinteressante
Questionário
1- Copie a parte do parágrafo que descreve a transformação da energia potencial e vice versa.
2- Qual é a definição de energia que aparece no texto?
3- Cite três transformações de energia observadas no texto.
4- Escreva a definição das três leis de Newton descritas no texto.
5- Por que uma bola de ping-pong quicando no chão alcança alturas cada vez menores até parar?
6- Qual é a única força capaz de deter o trem numa montanha-russa?
7- Quais são as dimensões da maior montanha-russa. Qual a sua localização?
8- Os pilotos de jato conseguem suportar até 11g antes de desmaiar. O que significa 11g?
9- Por que nas montanhas-russas que possuem loop, os carrinhos possuem um número maior de passageiros?
10- Qual força mantém os passageiros grudados nos assento de alguns brinquedos?