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Um barco a vela pode ser impelido pelo ar soprado sobre as velas por um ventilador instalado no próprio barco?

JUSTIFIQUE. O ventilador é a pilha ou bateria, sei lá… não tem piadinha sobre ele “sair da tomada”, ok ??

Pergunta originalmente feita em http://br.answers.yahoo.com

Nosso artigo respondendo em detalhe a pergunta  Um barco a vela pode ser propulsionado por um ventilador solidário ao barco que sopra em sua vela?  encontra-se em www.if.ufrgs.br/~lang/

propulsao

 
Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/

PODE SIM SER IMPELIDO PELO VENTO SOPRADO SOBRE AS VELAS POR UM VENTILADOR PRESO AO BARCO!

Para que o barco não sofresse qualquer impulsão, o ar DEPOIS de colidir com a vela deveria estar em repouso ou ter sido espalhado de forma que a sua quantidade de movimento total seja nula. Como de fato a colisão do ar com a vela é uma colisão que faz o ar retornar (colisão parcialmente elástica), além de o espalhar em direções variadas, o barco será impelido em sentido contrário do ar que retorna, ou seja no mesmo sentido do ar que sai do ventilador.

De fato se quisermos uma impulsão maior, não é conveniente fazer o ar colidir com a vela.O barco nem deve ter vela caso se deseje o propulsionar com um “ventilador” de grande potência (hélice tipo de avião acionada por motor potente), tal qual são usados, por exemplo, nos pântanos do sul da Flórida (Everglades).

Uma vela recebendo o fluxo de ar o refletirá em direções variadas e também absorverá parte da energia do fluxo, resultando em uma impulsão com intensidade menor do que se o fluxo de ar for dirigido para fora do barco, sem colidir em nada que está no barco.

As turbinas dos aviões usualmente não podem ser revertidas mas o jato de gás que de lá sai pode ser revertido para fins de frenagem do avião. Um anteparo atrás da saída da turbina reflete preferencialmente para a frente o jato, freiando o avião. Ora, tal dispositivo é análogo à vela no barco que, ao receber o sopro do ventilador, o reflete, empurrando o barco para frente.

Para se convencer de que a resposta à questão é positiva pode-se olhar o vídeo seguinte no qual demonstramos experimentalmente o efeito: Barco a vela com ventilador

Outro vídeo mostrando a influência do formato da vela está em  Fan Cart with Saill

Nosso artigo respondendo em detalhe a pergunta  Um barco a vela pode ser propulsionado por um ventilador solidário ao barco que sopra em sua vela?  encontra-se em www.if.ufrgs.br/~lang/

Vide também a postagem Barco com ventilador solidário, desloca-se ou não?

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COMENTÁRIOS NO Facebook: 

– O Prof. Alexandre C. Tort (UFRJ) comentou ao ver o vídeo: Acho que nessas situações o problema é a ambigüidade na definição do sistema. Se o sistema é o carrinho+ventilador+vela este não será um um sistema isolado, pois interage com o ar circundante. O vídeo é ótimo. Parabéns aos autores.

– Prof. Ciclamio Barreto (UFRN) comentou: Excelente demonstração experimental. Mas há um aspecto a considerar, Fernando. Quando sem o prato de alumínio, o carrinho se movimenta para a sua esquerda, porque, como você bem explicou, pela terceira lei de Newton, há uma força exercida pelo ar sobre o ventilador que o impulsiona e este, estando fixo ao carrinho, assim o leva junto. Mas quando é instalado o prato de alumínio, essa mesma força continua atuando sobre o ventilador, pois é a mesma quantidade de ar que escoa a partir do ventilador em direção ao prato, de modo que há uma força (a mesma de antes) que contribui para o conjunto mover-se para a sua esquerda. No entanto, o conjunto move-se efetivamente na direção da sua direita. Creio que isso se deve ao fato de que a área efetiva do prato que reflete o ar é maior (afinal o prato não tem furos e é opaco) e por isso mais eficiente em receber o impulso promovido pelo ar. Neste caso, a terceira lei de Newton garante que o ar é impulsionado pelo prato para a sua esquerda. Então duas forças competem sobre o conjunto, uma que o impele para sua esquerda (a original), outra que o impele para a sua direita, sendo esta de maior magnitude. Por isso mesmo, o carrinho agora se desloca para a sua direita. Desprezando qualquer atrito, a aceleração do carrinho está associada à resultante dessas duas forças.

– Minha resposta ao Ciclamio: Sim Ciclamio Barreto, tens razão há duas forças sendo exercidas pelo ar no carrinho (desprezando-se outras forças exercidas pelo ar, como por exemplo o arrasto aerodinâmico do ar na vela quando o carrinho já se movimenta em relação à mesa).

A seguir vai a pergunta de um aluno da Engenharia Elétrica da UFRGS sobre as duas forças com a minha resposta.

– Pedro Stürmer perguntou : A força que existia no primeiro caso deixa de existir quando se coloca a vela? Ou ela ainda está presente, mas a força na direção da vela acaba sendo maior?

– Minha resposta ao Pedro: Boa pergunta! A força na direção da vela acaba sendo maior, no máximo o dobro da primeira caso a reflexão na vela faça o ar voltar na mesma direção e em sentido contrário sem alterar a sua velocidade em módulo.

– Meus comentários adicionais:
A força exercida pelo ar que bate na vela é no mínimo igual em intensidade à força que o ar faz sobre o ventilador e ambas tem sentidos contrários. Se for igual o carrinho ficará em repouso. E quando ela é igual? Quando o ar é espalhado pela vela de modo que o momento linear total do ar espalhado seja nulo. Portanto a resposta canônica encontrada sobre a situação, a de que o carrinho não se movimenta, até pode estar correta mas somente em nesta situação excepcional.

A vela que o Prof. Antonio Endler (IF-UFRGS) construiu para o carrinho é côncava para minimizar tal espalhamento, minimizando os fluxos de ar perpendiculares à direção do movimento do ar soprado pelo ventilador.

No caso de a colisão do ar com a vela fazer com que o ar retorne na mesma direção, em sentido contrário do fluxo do ar antes de bater na vela, a força que o ar faz sobre a vela é máxima, e o dobro da que o ar faz no ventilador, resultando então em uma força de mesmo módulo que a força existente na ausência da vela.

Os reversores de fluxo em turbinas de aeronaves perseguem fazer essa reversão perfeita para fins de maior frenagem do avião!

Como expliquei no vídeo o que de fato interessa para a FORÇA TOTAL DE IMPULSÃO do ar no carrinho é o movimento do ar APÓS colidir com a vela pois como o ar está em repouso ANTES de o ventilador o impulsionar e está em movimento DEPOIS de colidir com a vela é esta situação final que explica a impulsão do carrinho. O momento linear do ar antes de interagir com o sistema carrinho-ventilador-vela é nulo. Se ele tem momento linear no final, então o sistema carrinho-ventilador-vela ganhou (desprezando-se outras forças, forças resistentes ao movimento do carrinho-ventilador-vela) o mesmo momento em sentido oposto!

– Prof. Luciano Denardin (PUCRS) perguntou: Fernando Lang da Silveira, considerando que a vela, barco e ventilador sejam um corpo só. O ventilador aplica uma força no ar; reação, o ar aplica uma no ventilador (para trás). O ar aplica uma força na vela (para frente), reação, a vela aplica uma força no ar.No caso específico da força que o ar faz no ventilador tiver a mesma intensidade que a que o ar aplica na vela, ele não poderia ficar em repouso?

– Minha resposta ao Luciano: Sim, poderia. Entretanto se todo o ar que emerge do ventilador atinge a vela, isto é quase impossível pois neste caso se pode demonstrar que a força realizada pelo ar sobre a vela é maior ou igual à força que o ar faz em sentido contrário no ventilador.

Daniel Ruschel Dutra – Como disse o professor Fernando Lang da Silveira em um vídeo sobre o assunto, a maneira mais simples é pensar justamente que o ar está, no final das contas, indo para trás, logo o barco deve ir para frente pela terceira lei de newton, ou pela conservação de momentum linear.

Se tu quiser analisar pedaço por pedaço o raciocínio é mais ou menos esse, supodono que o ar está inicialmente parado com relação ao barco: o momentum inicial do ar é 0 e o ventilador o confere um momentum p > 0, logo o impulso que o ventilador recebe é -p. O ar agora viaja até a vela, chegando lá ele precisa ou ir para o lado ou voltar em direção ao ventilador, ou uma combinação destes. Se a molécula de ar voltasse reto para trás então o impulso que a vela sofreria seria 2p, por que ela teve que reverter o movimento do ar completamente. Se a molécula passase a se deslocar para o lado então a vela receberia um impulso p para o outro lado, mas se qualquer lado é tão provável quanto o outro essa componente se anula. Na realidade cada molécula vai estar entre estes dois estremos, de forma que o impulso I que a vela recebe na direção do vento é p < I <2p. Em outra palavras, existe uma força resultante sobre o barco por que o impulso que o ventilador sofre para trás é igual ou menor do que o impulso que a vela sofre para frente.
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COMENTÁRIO SOBRE COMO ESTE PROBLEMA APARECE EM DIVERSOS SÍTIOS DA INTERNET

Prolifera em diversos endereços da web a resposta canônica ERRADA afirmando que o barco não pode se movimentar quando o ventilador solidário com o barco sopra contra a vela. Inclusive o equívoco aparece em uma questão de vestibular da UFPEL.

Entretanto há uma ótima resposta ao problema, afirmando que o barco pode se mover, em um dos melhores livros de Física para o ensino médio que eu conheço. O livro do GREF do IF-USP:http://books.google.com.br/books?id=O75bMA7KxeAC&pg=PA250&lpg=PA250&dq=barco+vela+ventilador+f%C3%ADsica&source= bl&ots=59ucdw5D8A&sig=IWsCW8g9v19qzchJZ_-pJ7t3UI8&hl=pt-BR&sa=X&ei=nCepUbntJaj00QHO_oH4Dg&ved=0CCoQ6AEwAA 
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Teste dos Mithbusters

O teste dos Mithbusters sobre o “barco a vela com ventilador”!

A vela plana que eles utilizaram de fato não é a melhor opção pois o barco anda mas com pouca dirigibilidade!

Se fosse possível implementar em grande escala uma vela côncava com a que utilizamos no nosso vídeo, parece-me que o resultado seria mais estável. Mas o importante é que anda!

http://www.youtube.com/watch?v=uKXMTzMQWjo

Acessos entre 27 de maio de 2013 e novembro de 2017: 9147.


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