A física é permeada por entidades que chamamos de Forças. O
papel principal da força é realizar a interação entre dois objetos, sistemas, etc. Por exemplo, a força de atrito é responsável pela interação entre um objeto
que se arrasta sobre uma superfície e a própria superfície. A força da
gravidade é responsável pela interação entre quaisquer dois corpos que possuam
massa ou, num formalismo mais rebuscado, que também possuam energia. Neste
texto falaremos um pouco sobre as forças centrípeta e centrífuga e mostraremos
sua aplicação em naves espaciais como, por exemplo, as que aparecem no filme Interestelar e
no épico 2001 - Uma Odisseia no Espaço. Vale lembrar, sempre
tentemos fazer uma discussão o mais conceitual possível.
Para começar devemos considerar um movimento circular que neste caso
será uniforme. Um exemplo é o movimento da Lua em torno da Terra, onde o
movimento apresenta uma periodicidade e, em geral, a velocidade do movimento
pode ser considerada constante. A força gravitacional então atua como uma força
centrípeta. Deste modo, podemos generalizar e dizer que uma força centrípeta
sempre será direcionada para o centro. Se o movimento for uniforme, o módulo da
força será constante, porém sua direção e sentido são alterados, de modo que
ela sempre aponte para o centro. Veja a figura abaixo.
Acontece que, se nós estamos em um movimento uniforme como, por exemplo,
quando estamos dentro de um ônibus e este faz uma curva, sentiremos
inevitavelmente a ação de uma outra força que normalmente nos impulsiona para
"fora" (lembre o exemplo do ônibus). Esta força é denominada Força
Centrífuga, e surge devido ao fato de estarmos em um referencial não
inercial. Lembre-se, um referencial não inercial é aquele onde existe uma certa
aceleração, ou, variação da velocidade. No movimento circular uniforme, mesmo
que o módulo da velocidade de rotação seja constante, sua direção e sentido se
alteram ao longo do tempo e, portanto, surge uma aceleração centrípeta. A força
que nos impulsiona para fora do ônibus quando este faz uma curva é um exemplo
típico de força centrífuga.
Temos algo importante aqui: Se o movimento é simplesmente circular e
uniforme, o raio do movimento é constante ao longo do tempo. Isso significa que
as forças radiais devem possuir o mesmo módulo. Portanto, a força centrípeta e
a força centrífuga possuem o mesmo módulo, ou intensidade. Como vimos, a
centrípeta é sempre direcionada para o centro, ao passo que a centrífuga nos
impulsiona para fora. Assim, tais forças tem direções opostas. O módulo das
forças é crucial aqui, pois sabemos que força centrípeta é proporcional à
velocidade de rotação. Deste modo, aumentando a velocidade de rotação
aumentamos a intensidade da força centrípeta e consequentemente aumentamos a
intensidade da força centrífuga.
Note que a força centrífuga não é uma reação à força centrípeta e nem o
contrário!! Elas não se cancelam. A força centrífuga aparentemente
"surge" quando passamos a analisar o movimento a partir de um
referencial não inercial!! Por exemplo, nenhuma força atua sobre nós quando o
ônibus faz uma curva. O princípio da inércia simplesmente faz com que tendamos
a manter nosso estado de movimento, ou seja, seguir em linha reta e a isso
atribuímos a existência de uma força sobre nós.
Finalmente, vamos discutir as estações\naves espaciais citadas acima.
Como pode ser visto nos filmes, as estações\naves giram com certa velocidade de
rotação. Uma vez que a velocidade de rotação seja ajustada de modo a garantir
uma força centrífuga de intensidade 9.8 m/s^2, teremos uma força que nos
"impulsiona" para fora de mesmo valor que a gravidade terrestre.
Imagine então que a nave seja construída de modo que o seu piso fique
localizado na camada do raio externo da nave. Deste modo, a força centrífuga
fará o papel de pressionar o astronauta contra o piso, exatamente análogo ao
feito pela força da gravidade sobre nós aqui na Terra. Ou seja, através do
movimento de rotação da estação\nave, pode-se simular um efeito similar ao da
gravidade terrestre e os astronautas passam a ter a mesma liberdade de
movimento (ou restrição, na verdade) que temos na Terra. Mas lembre-se: esta é
uma força fictícia. O que realmente acontece é que o astronauta tende a manter
seu estado de movimento, ou seja, sair pela tangente, mas ao fazer isso, ele encontra
o piso da estação\nave.
O vídeo abaixo mostra a nave do filme 2001 - Uma Odisseia no
Espaço.
É claro que a complexidade de uma
estação\nave deste tipo vai muito além da rotação. Aqui focamos apenas na
física por trás da rotação deste tipo de nave marcante nos dois filmes.
Abraços e discussões são sempre bem vindas.
Referências e Sites Úteis:
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