Física da navegação à vela

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2016, ano de jogos olímpicos. Vou escrever alguns posts sobre como funcionam alguns esportes. Mas não vou falar de regras. Vou falar de como as coisas funcionam fisicamente. Começo falando sobre a vela, esporte que estou AVRM (Assistant Venue Results Manager - Analista de Resultados das Instalações).

É pesado, mas não afunda!

Como um barco não afunda na água? Imagine você entrando no metrô ou num elevador lotado. Você empurra as pessoas e elas te empurram de volta. É assim que acontece com a água. Quando você empurra um objeto para dentro d'água ela o empurra para fora. O nome dessa força que a água faz  é empuxo e essa força é igual ao peso da quantidade de água deslocada. Com isso temos 3 situações:

  1. o objeto afunda: o empuxo da água é menor que o peso do objeto (E < P);

  2. o objeto fica no mesmo lugar: o empuxo da água é igual ao peso do objeto (E = P);

  3. o objeto flutua: o empuxo da água é maior que o peso do objeto (E > P).

Faça a experiência

Encha um balde, a pia da cozinha ou do banheiro com água. Pegue um pote de plástico e coloque-o na água. Ele vai flutuar, certo?

Agora tente afundar o pote o empurrando por dento para baixo. Você sentirá uma resistência da água. Essa resistência é a água "empurrando" o pote para fora.

Faça uma marca na altura até onde você mergulhou o pote. Encha o pote de água até essa marca. O peso desse pote com água é igual a força que a água estava fazendo para levantar o pote.

Mas um barco é muito mais pesado que um potinho!!! Sim, e também muito maior e desloca muito mais água. Água o suficiente para o empuxo ser maior que o peso do barco. Só devemos ter em mente que 1 litro de água pesa 1 quilo e ocupa o espaço de um cubo medindo 10 cm em cada lado. Parece pouco mas, confie, não é.
Só para você ter uma noção do que é um cubo de 10x10x10 centímetros. Cabe um litro aí dentro.
O Manual do Mundo construiu um barco de papelão que não afunda. Fazendo contas simples e rápidas com base no modelo disponível em pdf, esse barco é capaz de suportar aproximadamente 500 quilos de peso, ou seja, meia tonelada!

Se quiser ver os cálculos, clique aqui
Para calcular a força de empuxo máxima que o barco faz, devemos calcular o volume total do barco. Esse volume é a quantidade de água que ele vai deslocar e o peso dessa quantidade de água é igual a força que a água vai fazer para levantar o barco.

Essas são as dimensões do barco. Podemos separá-lo em duas formas simples, um triângulo e um retângulo.
A área do triângulo é $\frac{base \times altura}{2} = \frac{73,6 \times 64,3}{2} = 2366,24 cm^2$

A área do retângulo é $base \times altura = 73,6 \times 259,1 = 19069,76 cm^2$

Para achar o volume de cada peça, basta multiplicar a área pela altura, que é 25,4 cm

Volume do triângulo: 2366,24 x 25,4 =  60102,496 cm3

Volume do retângulo: 19069,76 x 25,4 = 484371,904 cm3

O volume total é a soma dos dois volumes: 60102,496 + 484371,904 = 544474,4 cm3

Para passar de cm3 (mililitros) para dm3 (litros), basta dividirmos por 1000, ou seja, andar com a vírgula 3 casa para a esquerda

544474,4 cm3 = 544474,4 dm3 = 544,4744 litros = 544,4744 quilos (se for água)


"Navegando" contra o vento, sem lenço, sem documento...

Nas competições, as regatas, a linha de largada dos barcos e orientação do percurso é definida conforme a direção do vento. Os barcos sempre começam a regata indo contra o vento. Mas como podem ir contra o vento sem motor? É verdade, não podem. Os barcos à vela só conseguem navegar contra o vento se forem em zigue-zague, o chamado "cambar".

A vela funciona como a asa de um avião. O lado da vela que está a favor do vento tem uma pressão menor que o lado que está de onde vem o vento. Isso empurra o barco praticamente em uma direção perpendicular à posição da vela. Se fosse só isso o barco continuaria indo em um sentido próximo para onde o vento sopra. A quilha faz uma força para o outro lado que faz o barco andar para a frente. Veja a figura abaixo.

Outro vídeo bem interessante é o Como um veleiro pega vento, também do Manual do Mundo, em que conversam com a  Fernanda Decnop, velejadora da Seleção Brasileira.

Mais rápido que o vento

A vela pode assumir 3 posições distintas em relação ao vento:
  1. perpendicular ao vento: nesta posição o barco consegue chegar no máximo até a velocidade do vento, já que temos a força de resistência do ar na vela e da água no casco do barco. A quilha não é necessária somente neste caso.

  2. quase paralela ao vento: o quase é porque se a vela ficar completamente alinhada com o vento, ela vai "embandeirar", ficar balançando de um lado para o outro. O barco não vai andar assim. Uma leve inclinação em relação a direção do vento já vai fazer o barco andar, mas muito pouco.

  3. entre as duas posições: aqui é realmente quando o barco anda. O ângulo ideal é quando a vela faz 45º em relação ao vento. Neste ângulo o barco atinge as maiores velocidades e pode até ir mais rápido que a velocidade do vento.
Mas como mais rápido que o vento? No caso em que a vela está inclinada em relação ao vento, a pressão na parte "de fora" da vela é sempre menor que na parte " de dentro". Assim a resistência do ar fica muito pequena e o barco vai cada vez mais rápido. É possível chegar a velocidades 20-30% mais rápido que o vento. Iceboats, barcos que velejam sobre o gelo, podem chegar a velocidades de 150 km/h com ventos de apenas 50 km/h, já que o gelo quase não oferece resistência ao movimento.

O velejador também sente um "vento aparente", que é a combinação do sentido real do vento com sentido do deslocamento.

E o barco não vira?

Vira sim, se não tomar cuidados. O vento empurra a vela e o barco pode virar, mas a quilha possui um bulbo de chumbo que faz um contrapeso. Além disso o velejador também serve de contrapeso para evitar que o barco vire. Por isso em regatas sempre vemos o velejador na ponta do barco e às vezes completamente para fora dele!

A vela em números

  • há 116 anos nos jogos olímpicos. Desde 1900 em Paris. Iria estreiar antes, em 1896, mas as condições meteorológicas não deixaram.

  • em 2016 10 classes diferentes: RS:X masculino, RS:X feminino, Laser (masculino), Laser Radial (feminino), Finn (masculino) 470 (dupla masculino) 470 (dupla feminino), 49er (dupla masculino), 49er FX (dupla feminino), Nacra 17 (dupla misto).

  • até 380 atletas competindo nos jogos Rio 2016, podendo ser até 15 brasileiros.

  • o Brasil possui 17 medalhas olímpicas na vela, 6 de ouro.

  • Robert Scheidt foi 10 vezes campeão mundial da classe Laser. Possui 5 medalhas olímpicas e 5 Pans.

  • Torben Grael tem 5 medalhas olímpicas e 3 Pans.

  • Cláudio Biekarck é o recordista do Pan, com 9 medalhas. A última foi bronze em Toronto 2015, com 64 anos de idade.
O Brasil possui grandes números na vela. Pena não ser tão divulgado por aqui.

Assista abaixo o vídeo do Aquece Rio - Vela, do Rio 2016.

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