A Física das Montanhas-Russas
Escrito por Victor de Albuquerque Araújo
Seg, 04 de Agosto de 2008 19:22
Quem pensa que o brinquedo mais famoso dos parques de diversão é só aventura, gritos e emoção, está muito enganado. Por trás do universo das montanhas-russas existe um verdadeiro mundo de cálculos e conversões energéticas.
Antes, precisamos entender alguns conceitos físicos:
Energia Mecânica: é aquela que um corpo apresenta por causa de sua posição ou de sua velocidade.
Energia Potencial: é aquela armazenada em um corpo em relação a um nível de referência quando sobre esse corpo atua uma força. Um corpo com essa energia é capaz de realizar um trabalho apenas mudando de posição.
Energia Potencial Gravitacional: é aquela que o sistema possui em virtude da posição ocupada dentro do campo gravitacional.
Energia Cinética: é aquela relacionada ao movimento. Tudo que se move no universo tem energia cinética.
Tentaremos entender da forma mais simples e prática como tudo isso ocorre em cada parte deste magnífico equipamento.
1- Primeira subida
O começo do trajeto começa com o trem sendo puxado por algum mecanismo até o ponto mais alto do equipamento (na maioria dos casos). A força aplicada pelos motores se encarrega da transformação de energia elétrica em energia potencial gravitacional. Esta energia faz com que os carrinhos sejam levados até a primeira descida.
2- Primeira descida
Na primeira subida, o trem encontra-se em máxima energia potencial. Durante esta descida, a força peso faz com que o carro ganhe energia cinética enquanto perde potencial. No final, o trem é trazido de volta ao chão e ao repouso. Considerando que o trem se comporta como uma peça única, a velocidade máxima a ser alcançada, isto é, a velocidade teórica obtida desconsiderando atritos de toda a espécie, é determinada pelo princípio de conservação da Energia Mecânica:
/\E potencial = /\E cinética
Na prática, atrito aerodinâmico devido ao ar e atrito ao longo dos trilhos reduz um tanto tal valor. O interessante é que a velocidade de queda independe da massa que estão no trem: tanto faz se o trem estiver vazio ou não, o “prazer” do passeio será o mesmo. A aceleração será máxima quando todo o trem estiver na região central da queda.
3- Looping
Para a execução do looping, é necessário que os carrinhos não tenham nem muita velocidade, para que não ocorra deslizamento lateral, nem pouca, para que não corra risco de cair.No cálculo dessa velocidade, são utilizados o raio da circunferência, a gravidade e o coeficiente de atrito estático. Esse mesmo conceito pode ser utilizado nos circos, com o Globo da Morte.
A tensão na parte de entrada no looping é muito elevada, da ordem de 6 vezes o peso (cada passageiro irá sofrer esta força mas a pista deverá estar preparada para esta solicitação). Esta é uma força muito elevada, que causa desconforto aos passageiros. A solução foi usar um outro tipo de curva, não mais circular. A solução mais comum é uma pista helicoidal que tem um raio de curvatura menor no alto que na base, o que reduz todas as velocidades e reduz as forças sobre os passageiros.
4- Demais subidas
Geralmente, as subidas que sucedem a primeira, não são feitas por mecanismos que elevam o trem a certo ponto. À medida que mais carros começam a subir a colina, a velocidade do trem começa a diminuir, alcançando sua menor velocidade no topo da mesma. Sem as perdas por atrito, o trem seria capaz de subir qualquer número de colinas de mesma altura que a colina inicial. Como isto não é o caso, a solução é fazer com que as colinas seguintes sejam todas menores.
5- Demais descidasAs demais descidas acontecem, geralmente, da mesma forma da primeira. O que pode diferenciar são as diferenças de altura. Fora isso, o trem continua ganhando energia cinética e perdendo potencial, por conta da força peso.
6- Fim do trajeto
Para que os carrinhos possam parar, são acionados sistemas de freios. O que poucos sabem, é que nesta etapa também ocorre troca energética. Nestes últimos instantes, a energia cinética se transforma em energia térmica devido à força de atrito no sistema de freios. A física também pode explicar uma das perguntas mais famosas sobre montanhas-russas: qual é o melhor lugar para ficar, no primeiro assento ou no último?
Um passageiro colocado no primeiro carro do trem começará a sentir a queda lentamente, pois sua velocidade inicial é baixa, já que o restante do trem está ainda no trecho anterior. Por outro lado, a sensação e a emoção da queda livre são inegáveis, visto que nada o separa do chão. Um passageiro colocado no último carro começa a queda com velocidade maior. Pois a maior parte do trem já está deslizando para baixo na pista. Por outro lado, o número de cabeças a sua frente reduz a sensação da queda livre, sendo, uma posição mais confortável do ponto de vista psicológico.
Com essas explicações você não vai temer mais a montanha-russa, vai?
Por: Marcelo Lobo
