Aqui você pode pesquisar e adaptar planos já existentes

 


Como a Física explica o projeto de trem de alta velocidade

Publicado por 
novaescola
Objetivo(s) 

- Reconhecer características comuns aos movimentos e sistematizá-las segundo velocidades, atritos e outras variáveis
- Reconhecer causas da variação de movimentos associadas a forças magnéticas
- Reconhecer que as leis de física aprendidas no ensino médio determinam valores e características dos movimentos em sistemas físicos complexos

Conteúdo(s) 

 

 

Ano(s) 
Tempo estimado 
Duas aulas
Material necessário 

Reportagem de VEJA:

- Cópias da reportagem Isto, sim, é trem-bala (Veja, 21 de agosto de 2013, 2336)
- 5 bexigas
- 5 CDs ou DVDs velhos
- 5 tampinhas de garrafa PET ou tampinhas dosadoras de detergentes ou isotônicos
- 1 tubo de cola de secagem rápida
- Pesquisa de imagens com detalhes do projeto de criação do Hyperloop na internet

Desenvolvimento 
1ª etapa 

Introdução

O anúncio de um trem de altíssima velocidade, o Hyperloop, trouxe esta semana uma grande novidade para o debate sobre transportes no mundo. O projeto utiliza conceitos simples da Física e é consideravelmente mais barato que outros transportes de alta velocidade existentes no momento. A novidade pode afetar os rumos dos transportes em diversos países, incluindo o Brasil, onde ainda há dificuldades para reunir empreendedores e tirar do papel um projeto como o trem-bala.

No início da aula, distribua cópias da reportagem "Isto, sim, é trem-bala" para os alunos para que eles se sintam estimulados com o tema da aula. Após a leitura do texto, peça que eles identifiquem na reportagem e citem as tecnologias empregadas no novo trem e os conceitos da física por trás desse novo modelo de transporte. Diga que, ao final da sequência de aulas, todos os detalhes da cápsula inovadora serão desvendados utilizando as noções de física. Explique que vocês estudarão diversos aspectos do projeto e convide os alunos a pesquisarem na internet imagens com detalhes do trem, do motor, bem como dos túneis que esses trens irão percorrer.

O projeto do Hyperloop é relativamente simples frente aos trens de alta tecnologia, que utilizam levitação magnética. É possível simplificar seu projeto de funcionamento citando três adventos da engenharia: levitação por pressão de ar, propulsão magnética linear e redução drástica da resistência do ar.

Um dos desafios para o desenvolvimento dos trens de alta velocidade está um elemento muito simples de sua estrutura: a roda. Parece incrível que um elemento tão antigo e funcional possa limitar seu alto desempenho. Os eixos, rolamentos e materiais agregados nas rodas dos trens ultrarrápidos sofrem desgastes, perdem estabilidade dinâmica e podem até mesmo se desfazer devido à alta rotação.

Para ter uma ideia do tamanho do problema, seria como se fôssemos colocados em um gira-gira e imprimíssemos uma rotação de tal forma que não conseguíssemos mais nos segurar. A conclusão é que seríamos lançados pela tangente por não sustentarmos a rotação. Uma roda de metal girando em altíssima velocidade e recebendo pressão do peso do trem poderia sofrer muito atrito, perder o equilíbrio dinâmico e despedaçar-se ao longo de uma viagem. Por mais que existam trens bem sucedidos que já chegaram a 500km/h, atingir velocidades acima de 1000km/h seriam impraticáveis sobre rodas que utilizem a tecnologia atual. Para visualizar esse efeito, é possível pesquisar e observar as deformações sofridas pelo conjunto roda e pneu de um carro de corrida no momento de sua largada.

Outra consequência provocada pela altíssima velocidade seria o provável derretimento do sistema de freios por causa da quantidade de energia dissipada em forma de calor gerado pelo atrito entre as pastilhas e o disco de freio.

Para solucionar esse problema, teríamos que reinventar a roda ou não usá-la. Esta segunda opção foi a escolhida para o projeto que estamos analisando. O sistema baseia-se em um conjunto de esquis que não tocam as superfícies do chão e das paredes por conta do ar pressurizado, que cria uma espécie de bolsa de ar de alta pressão e impede o contato entre as superfícies. Veja abaixo um desenho que exemplifica esse item do projeto:

 hyperloop

Esse sistema não é novo visto que meios de locomoção chamados hovercrafts já usam tecnologia semelhante. Clique aqui para ver a imagem de um hovercraft. A sustentação do móvel é obtida através dos motores que inflam uma gigantesca bolsa de ar sob o móvel, suspendendo todo o aparato.

A flutuação tem como consequência a ausência de contato, fato que implica em inexistência de força Normal (força que impede dois corpos de penetrar um no outro). Não havendo força Normal, não encontraremos força de atrito entre as superfícies, já que esta força decorre da interação entre o contato e a rugosidade das interfaces (Fat = u.N , onde u é o coeficiente de atrito e N, a força Normal).

Proponha aos alunos um experimento para demonstrar esse conceito. Divida-os em 5 grupos e entregue um CD (ou DVD) já usado, uma tampinha de garrafa PET ou de detergente (seria mais ágil se já estivesse colada ao CD antes da aula, conforme a figura abaixo) e uma bexiga.

Depois de colada a tampinha no CD, encaixe uma bexiga. Agora, basta encher a bexiga através do buraco do CD e soltar o artefato sobre uma superfície plana e lisa. O ar que sai constantemente da bexiga forma uma camada de ar pressurizada sob o CD impedindo que ele tenha contato com a superfície. É também dessa maneira que funciona o brinquedo conhecido como hóquei de mesa, que os alunos costumam encontros em setores de diversões dos shoppings.

 hyperloop
 hyperloop
2ª etapa 

Retome os conceitos discutidos na aula anterior e reforce que a turma estudou até o momento um dos entraves para garantir o funcionamento de um projeto como o Hyperloop.

Outro desafio para garantir a alta velocidade é a resistência do ar sobre os corpos. Esse conceito é bem compreendido pelos alunos visto que muitos deles já passaram por situações onde o vento interfere bastante no deslocamento, como andar rápido de bicicleta, skate ou patins. Há também aquele velho costume de criança um tanto quanto imprudente, mas irresistível, que é andar com a mão para fora da janela enquanto o carro se desloca em uma estrada. Nesse ato dá para perceber a ação do vento sobre os corpos.

Pergunte aos alunos se eles já notaram estratégias usadas pelos engenheiros para diminuir a resistência do ar? Talvez alguns deles relatem exemplos como o formato dos carros. A evolução dos automóveis é uma forma de verificar os efeitos da resistência do ar sobre os bólidos. Basta comparar a aerodinâmica toda quadrada dos veículos no início do século 20 com as linhas arredondadas dos modelos atuais. Nesse contexto, lembre que as equipes de Fórmula 1 investem muitos recursos para fazer mudanças mínimas na aerodinâmica dos seus carros para ganhar décimos de segundos preciosos que podem valer o campeonato.

Em uma viagem acima dos 1000km/h seria praticamente inviável que um veículo como esse conseguisse resistir à força do vento porque ele que não tem a pretensão de ser um avião e usar jatos propulsores queconsomem muito combustível. Para solucionar esse impasse, o ambicioso projeto propõe eliminar a variável resistência do ar. Por esse motivo, há a necessidade dos túneis lacrados em forma de tubo.

Ao longo da extensão da linha, haverá bombas de vácuo que deixam a atmosfera interna a uma pressão de 100 Pa, aproximadamente 1000 vezes menor que a pressão atmosférica normal (10 elevado a 5 ou 100.000 Pa). Isso significa que, em uma analogia bem simplificada, seria como se você estivesse viajando a cerca de 100km/h, mas sentindo um ventinho de apenas 5km/h, ou seja, quase nada (isso é uma aproximação que serve apenas como exemplo para explicar o conceito abordado, não tem nenhum fundamento calculado com exatidão). Dessa maneira, outro entrave do projeto foi eliminado. Além dessa função primordial, os túneis também terão em sua parte externa placas fotovoltaicas para obtenção de energia solar que suprirá boa parte da energia utilizada pelo sistema.

O último desafio é o motor responsável pela propulsão de altíssima velocidade do Hyperloop. Baseado em eletroímãs, o sistema de forças que tem pretensão de levar a cápsula acima dos 1000km/h funciona de maneira análoga aos motores lineares dos trens flutuantes já existentes. Quando mencionamos motores, automaticamente nossos pensamentos nos remetem a um mecanismo que gira. Porém, motores lineares possuem funcionamento diferenciado.

Na base do Hyperloop há uma espécie de lâmina magnetizada que o projeto chama de rotor (esse nome é dado a um componente similar dos motores elétricos que funcionam com o mesmo princípio, porém trabalham em rotação). Para ajudar os alunos a visualizar todos esses componentes do projeto, peça que eles apresentem as imagens que pesquisaram com os detalhes do projeto e ajude-os a relacioná-las aos conceitos apresentados.

No tubo, há eletroímãs (estatores) distribuídos ao longo da via por onde a lâmina magnetizada percorre. O funcionamento é relativamente simples: como o rotor é um elemento magnético, ele é atraído por outros imãs, dependendo de suas polaridades. Os estatores, por serem eletroímãs, podem ser ligados e desligados com a polaridade desejada. Para acelerar a cápsula, os estatores à frente da lâmina estão sempre dispostos em polaridade de modo a atraí-la. Desse modo, assim que a força puxa o rotor e ele chega ao elemento que o atrai, automaticamente ele é desligado e o estator à frente é ligado em polaridade de atração. E assim vai acelerando, ganhando impulso a cada elemento alcançado até atingir a velocidade desejada. Como os atritos são reduzidos, o sistema fica inoperante e viaja em movimento uniforme.

Para frear, o sistema usa o mesmo sistema, mas ao invés dos estatores serem ligados à frente, eles são ligados imediatamente após a passagem da lâmina, logo atrás do rotor. Dessa forma, a força resultante fica no sentido oposto ao movimento, brecando a cápsula. De maneira muito simplificada, explique aos alunos que seria como se usássemos um imã para atrair uma moeda, mas antes que ela grude o imã é puxado de forma que mantenha a moeda em perseguição.

Avaliação 

Verifique se a turma compreendeu os principais conceitos de física por trás do Hyperloop. Pergunte quais são as expectativas dos alunos frente a esse novo meio de transporte e de que forma ele pode transformar nossa realidade. Ressalte que o projeto baseia-se em conceitos de física abordados no Ensino Médio e que qualquer um, claro que com empenho e pesquisa, poderia vislumbrar projetos inovadores como o Hyperloop. Grandes cidades como São Paulo enfrentam sérios problemas de locomoção e, apesar do trem apresentado ser projetado para distâncias maiores, ele poderia ser adaptado para grandes centros urbanos. Nesse contexto, peça para os alunos desenvolverem em grupos um projeto que envolvesse inovação (fundamentada em conceitos da Física) e pudesse oferecer alternativas de transporte para as grandes cidades.

Créditos:
Ilton Miyazato
Formação:
Professor de física do Colégio Exatus, em São Paulo (SP)
Autor Nova Escola

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