Como uma montanha-russa funciona sem motor

Página inicialA Física da Montanha Russa!

Por Elisiane Campos de Oliveira Albrecht

Muitos passam pela euforia e apreensão ao andar em uma montanha russa. Ao fazer isso você deve ter se perguntando por que sempre há no inicio uma grande subida, a qual é seguida de uma sucessão de abismos abruptos e curvas inesperadas. A física pode dar uma explicação para esta questão

Neste tipo de brinquedo, temos a energia potencial gravitacional aumentando, à medida que o carrinho sobe e, como conseqüência, a velocidade diminuindo. Quando o carrinho desce ocorre o contrário, ou seja, a energia potencial diminui, transformando-se em energia cinética e, com isto, aumentando a velocidade. Se considerarmos que não há atrito entre o carrinho e o trilho, podemos dizer que a energia mecânica se mantém constante, sendo esta, a soma das energias potencial e cinética.

Podemos relacionar a energia potencial gravitacional com a altura e energia cinética com velocidade, ou seja, se imaginarmos um objeto em duas alturas diferentes, suas energias potenciais também serão diferentes. A energia potencial gravitacional relaciona-se com a altura, a massa e a aceleração da gravidade através da seguinte expressão:

Ep = m.g.h

onde m é a massa, g a aceleração gravitacional e h a altura do objeto. 

Suponhamos que o carrinho está na altura do solo, este será nosso ponto de referencia e possuirá uma energia potencial nula. Agora imaginemos que ele sobe até uma altura de 10m a partir do ponto de referência. Neste caso, existe uma energia potencial que é igual a 10m (altura) multiplicado pela massa do carrinho e pela aceleração gravitacional.

No caso da energia cinética, quanto maior a velocidade de um corpo, maior será sua energia. A expressão abaixo relaciona a massa, a velocidade e a energia cinética de um corpo:

Nas imagens a seguir temos dois exemplos: na primeira figura vemos um corpo situado a uma altura h a partir do solo. Neste caso, ele possui uma certa quantidade de energia potencial. Na segunda imagem, vemos a energia potencial sendo transformada em energia cinética ao longo do percurso.

Existe um sistema simples em que também podemos observar a conservação de energia como acontece na montanha russa. Imagine uma corda com massa desprezível e, em uma de suas extremidades, uma massa (uma bola, por exemplo), a passo que a outra ponta está fixa no teto, conforme mostra a figura a seguir:

Deslocando a bola da posição natural de equilíbrio e mantendo a corda esticada, armazenamos energia potencial nela. Quando a esfera é solta, faz um movimento pendular ganhando energia cinética. Ao passar pelo ponto mais baixo (ponto inicial) sua energia cinética é máxima, sendo esta, agora, transformada em energia potencial. Ao chegar a sua altura máxima (máxima energia potencial) a bola volta a descer aumentando novamente a energia cinética, e assim sucessivamente. De acordo com o principio de conservação de energia, no retorno a bola não terá uma energia potencial maior que sua energia inicial. Se tivéssemos um sistema ideal  (sem interferências externas) o pêndulo oscilaria eternamente. 

Na próxima vez em que você passar pela montanha russa, veja esses detalhes: a primeira subida é muito maior (para armazenar energia potencial que compense as perdas pela resistência do ar e atrito com os trilhos) e todas as subidas e descidas são sucessivamente menores que a anterior.

REFERÊNCIAS:

Torres, C. M. A, Ferraro, N. G, Soares, P. A. de T. Física: Ciência e Tecnologia. V. 1, p. 220 a 223.

http://www.infoescola.com/fisica/lei-da-conservacao-de-energia/

Como é a física desses super-brinquedos e porque são tão atrativos para várias pessoas?

A amiga Carol Mantovani, do blog Nas Asas do Dragão, fez um post super didático e interessante sobre o que acontece com o nosso corpo quando estamos diante de uma Montanha-Russa (que você pode e deve conferir aqui). Aproveitando a ocasião, o Ciência Nerd resolveu explorar este mesmo tema, mas do ponto de vista físico.

Um pouco sobre Energia

Para entender melhor sobre a física das Montanhas-Russas, precisamos relembrar alguns conceitos básicos.

Se eu tenho uma bola de futebol na minha frente e quero que ela chegue até o gol eu preciso chutá-la. Ao fazer isso, eu estou transferindo energia para a bola e, com isso, ela poderá se mover até o gol (desde que minha mira não seja péssima). Essa energia que a bola passou a ter depois do meu chute é chamada Energia Cinética:

Energia Cinética é capacidade que um corpo tem de se movimentar. Ela está associada à velocidade. Quanto mais rápido um corpo está, significa que mais Energia Cinética ele possui.

Existe alguma outra forma de dar Energia Cinética a um corpo (ou seja, dar velocidade a ele) sem precisar chutá-lo, empurrá-lo ou jogá-lo?

Bom, experimente pegar uma caneta, erguê-la sobre o chão do seu quarto e soltá-la. Naturalmente, ela vai cair, ou seja, ganhar velocidade. O que fez com que a caneta ganhasse velocidade, ou seja, Energia Cinética, foi uma outra forma de energia, chamada Potencial:

Energia Potencial é uma forma de energia que está relacionado com a altura do objeto em relação ao chão. Quanto mais alto um corpo estiver, maior será sua Energia Potencial.

E a grande mecânica que rege o movimento de quaisquer corpos, incluindo as Montanhas-Russas, é baseada na conversão de uma dessas formas de energia em outra. Por exemplo: quando eu ergo a caneta eu estou fornecendo a ela Energia Potencial. Logo que eu a solto, a caneta irá cair, o que significa que a Energia Potencial está sendo convertida em Energia Cinética, ou seja, em velocidade.

Vamos, então, para o caso das Montanhas-Russas.

A Primeira Subida (ou “Aquele Momento Que Você Pensa Em Desistir, Mas Não Tem Mais Jeito”)

“Tek, tek, tek, tek, tek” é o conhecido barulho das correntes puxando os carrinhos na primeira subida da Montanha-Russa. Lembra-se do exemplo da caneta? Ao elevá-los a uma grande altura, os carrinhos estão acumulando Energia Potencial.

Esse é o momento fisicamente mais importante de todo o percurso, pois é onde os carros irão acumular a energia que precisam para chegar até o final do trajeto.

Até que chegamos no topo, onde não será mais necessário o uso das correntes e a Energia Potencial é máxima.

A Primeira Descida (ou “Aquele Momento De Maior Desespero”)

Quando o carrinho começa a primeira descida, quem faz o trabalho de puxá-lo é apenas a gravidade (e assim será até o final da viagem).

E, então, queda livre. Toda a Energia Potencial que estava armazenada será convertida em Energia Cinética.

Quanto mais alto for o primeiro topo (ou seja, mais energia potencial), mais velocidade o carrinho vai ganhar na descida (ou seja, mais energia cinética).

As demais subidas e descidas

Na maioria das Montanhas-Russas o primeiro ponto é o mais alto do percurso. Se houver algum pico mais alto do que o primeiro, ele com certeza terá correntes para fornecerem MAIS energia para os carrinhos subirem.

Então, passada a primeira descida, fique tranquilo (tranquilo? Até parece) porque nenhuma descida será mais rápida que a primeira.

Looping – O momento mais esperado da Montanha-Russa, ou não

Pelo que já aprendemos, a altura do looping PRECISA ser mais baixa que a do primeiro topo. Os engenheiros especializados nesses super brinquedos projetam a Montanha-Russa para que o carrinho chegue com a velocidade perfeita no looping.

Se os carrinhos não chegam com velocidade suficiente, eles correm risco de cair antes mesmo de chegar no topo do loop. No entanto, se eles chegam muito rápidos (com muita energia cinética) a estrutura metálica da Montanha-Russa pode não aguentar a força que os carrinhos farão nela, e com isso ruir.

A imagem abaixo mostra como as Energias Potencial (barrinha azul) e Cinética (barrinha verde) variam ao longo do trecho de uma Montanha-Russa:

Observe com atenção que o primeiro morro é o mais alto e a energia potencial é máxima. Quando ele começa a descer, a Potencial vai se convertendo em Cinética, até que ele começa a subir o segundo morro, fazendo o processo inverso. Ao chegar no ponto mais baixo do looping o carrinho está com uma alta velocidade (alta energia cinética). E, na medida em que ele sobe no looping, essa Energia Cinética vai diminuindo, convertendo-se em potencial. Ao descer do looping, ocorre o processo inverso.

A Aceleração e as Experiências Radicais

Quando estamos dentro de um veículo temos duas formas de perceber seu movimento. Uma delas é a visual: se a paisagem ao nosso redor estiver parada, é sinal de que também estamos parados.

A outra forma de perceber o movimento é pelo tato. Quando você está em um ônibus e o motorista freia o seu corpo vai para frente, por inércia. Da mesma forma, quando o motorista arranca, você sente como se algo te empurrasse para trás.

Essa sensação que seu organismo registra, e que parece uma força invisível que te empurra para frente ou para trás, é provocada pela aceleração, ou seja, pela variação da velocidade.

Sempre que você está em um veículo e ele varia a sua velocidade, você vai perceber essa variação. É claro que quando a variação é muito pequena é difícil perceber. Mas se for muito grande, você provavelmente tomará até um susto.

Muitos dos brinquedos radicais que vemos em um parque (Montanhas-Russas, as Torres de Queda Livre, os barcos que deixam as pessoas de cabeça para baixo, etc.) se baseiam nesse princípio.

Quanto mais aceleração um veículo tiver (ou seja, quanto mais brusca forem as variações de velocidade), mais intensa será a sensação que você vai experimentar.

E é exatamente isso que torna esses brinquedos tão atrativos, porque não são muitas coisas no nosso dia-a-dia que provocam sensações similares.

Porque os carrinhos de montanha russa não tem motores e nem freios?

Como explicar o funcionamento de uma montanha russa?

Que tipo de energia é usada em uma montanha russa?

O que segura a montanha russa?