Quando soltamos uma maçã e uma pena, vemos a maçã chegar antes ao chão. Mas cuidado: isso não acontece porque a maçã é mais pesada do que a pena! Veja a foto abaixo.
Nessa foto, a maçã e a pena caem ao mesmo tempo, apesar da maçã ser mais pesada. Isso acontece, pois a maçã e a pena foram soltas numa câmara de vácuo, ou seja, numa câmara onde todo o ar foi retirado. Assim, eliminamos a força de resistência do ar sobre a pena e a maçã, fazendo com que elas caiam ao mesmo tempo.
São vários os exemplos do efeito da força de resistência do ar sobre os mais diferentes corpos. Existem aqueles corpos que tentam aumentar a força de resistência do ar sobre eles, diminuindo suas velocidades, como os paraquedistas. Por outro lado, existem também aqueles corpos que tentam diminuir a força de resistência do ar, de maneira que se movimentem o mais rápido possível; são exemplos disso os carros de fórmula 1 e todas as novidades da Jabulani, a bola da Copa do Mundo de Futebol de 2010, exemplos que dizem respeito à aerodinâmica.
Antes de vermos alguns exemplos para entendermos os efeitos da força de resistência do ar, assista abaixo um divertido vídeo sobre queda livre.
Apesar de se chamar Queda livre, o vídeo acima não trata exatamente da queda livre. Isso porque a queda livre é aquela que os corpos sofrem quando a força de resistência do ar não atua sobre eles, o que não acontece no vídeo. O quati sofre o efeito da força de resistência do ar durante todo o seu movimento de queda, aumentado esse efeito quando seu paraquedas é aberto.
Felizmente, hoje o paraquedas é um equipamento muito seguro e são poucos os acidentes fatais (cerca de uma morte para cada 100 mil saltos, um risco bem menor do que dirigir um carro). Para a Física, o importante é entender o movimento do paraquedista em termos das forças atuando sobre ele e saber o que determina a força de resistência do ar. Na figura abaixo, as setas indicam as forças que agem sobre o paraquedista: a força para baixo é a força da gravidade e a força para cima é a força de resistência do ar. É por causa da força de resistência do ar que a queda dos paraquedistas é amortecida. Esse amortecimento, por sua vez, é tanto maior quanto maior for a área de contato do paraquedas com o ar, fazendo com que o paraquedista caia mais devagar.
Existem relatos de uso de paraquedas na China há mais de 2.000 anos. Porém, o primeiro projeto de uma paraquedas que conhecemos é do famoso Leonardo da Vinci, de 1.483. Já o primeiro salto de paraquedas foi realizado em 1.797, na cidade de Paris, quando Andrew Jacques Guarnerin realizou um salto de 600 metros de altura. No ano 2.000, o paraquedista inglês Adrian Nicholas realizou um salto de 3.000 metros de altura num paraquedas construido a partir do projeto de da Vinci, feito de madeira, cordas e tecido de algodão cru, em forma de pirâmide e que pesava 85 kg.
Entre o projeto de da Vinci, à esquerda, e o salto de Nicholas, à direita, foram esperados 517 anos.
Antes do homem inventar o paraquedas, alguns animais já se utilizavam do efeito da força de resistência do ar para planar ou realizar uma queda amortecida. São exemplos desses animais a serpente voadora, o lagarto voador, o esquilo voador e a rã voadora.
A serpente voadora (Chrysopelea paradisi) é encontrada em países asiáticos como Tailândia, Singapura e Filipinas. Para planar, ela achata seu corpo, aumentando ao máximo a área de contato com o ar e também a força de resistância do ar, como nas fotos logo acima. Balançando seu corpo, ela ainda consegue controlar seu planar, fazendo até curvas de 90º. A serpente voadora plana para fugir ou capturar animais, conseguindo ancalçar distâncias de até 100 metros.
Nas imagens acima, da esquerda para direita: um desenho do esqueleto do lagarto voador (Draco volans), suas asas e seu vôo. Suas asas consistem de uma continuação de pele que sai das costelas, além de pregas de pele no pescoço, que se abrem durante o vôo. O lagarto voador usas suas asas para ir de uma árvore para outra, a distâncias que chegam a 10 metros.
Os esquilos voadores (Glaucomys volans) se utilizavam do efeito da força de resistência do ar para planarem por 20 a 30 metros de uma árvore para outra. Reparem nas fotas da direita, em que podemos ver que suas asas são constituidas por uma pele que se estende das patas dianteiras às traseiras.
Os esquilos voadores tiveram um papel importante e engraçado no filme A era do gelo 3. Assista a um trecho desse filme na página http://www.youtube.com/watch?v=-W2mJpXEPf8.
Se os esquilos nos proporcionam boas risadas, como no filme acima, podemos literalmente imitá-los e isso nos proporcionar uma boa dose de adrenalina. Trata-se do wingsuit (wing = asa, suit = macacão), também conhecido como terno de esquilo, equipamento que permite realizar um salto amortecido e controlado, coisa que começou a ser realizada no final da década de 90.
A Noruega é um dos lugares preferidos para a prática desse esporte; possui uma cadeia montanhosa alta e íngrime próxima aos famosos fiordes, como mostra a foto acima. O wingsuit faz com que a queda seja amortecida, dando um incrível controle de plano e que permite ao atleta passar menos de meio metro da montanha, às vezes até encostando a mão, isso a quase 200 km/h! Vale mais um vídeo:
O último exemplo de animal voador é uma espécie de rã. Ao contrário de todos os outros animais, essa rã não plana, apenas realiza uma queda amortecida, como num salto com paraquedas. Ela consegue pular de alturas de até 15 metros abrindo as palmas das patas.
Mas não é só o mundo animal que se aproveita do efeito dessa força; o mundo vegetal também o faz e muito bem. Alguns frutos e sementes apresentam uma estrutura que aumenta força de resistência do ar sobre eles, fazendo-os cair mais devagar e permitindo que o vento os leve para mais longe. Essas estruturas de frutos e sementes superam muitas vezes as feitas pelo homem, pois podem suportar uma carga maior do que o seu próprio peso e mesmo assim estabilizarem-se durante a queda. As figuras abaixo mostram exemplos desses frutos e sementes.
O fruto da sâmara e a semente alada do ipê amarelo.
A enorme estrutura da semente do araribá.
Se nesses exemplos a resistência do ar é usada propositalmente para diminuir o movimento, em muitas outras situações isso não é desejado. O ar constitui um obstáculo e tanto no movimento de carros, animais e no lançamento de mísseis e foguetes.
Na figura abaixo, você vê duas curvas, uma maior tracejada e outra menor contínua. A curva maior representa o movimento de uma bala de um rifle lançada a 45º, com uma velocidade inicial de 2.200 km/h, se não houvesse ar; nesse caso, a bala atingiria uma altura de 10 km e um alcance de 40 km. Por sua vez, a linha contínua representa o movimento da bala sofrendo o efeito da força de resistência do ar: seu movimento diminui 10 vezes.
Tudo que diz respeito à diminuição da força de resistência do ar se refere ao que chamamos de aerodinâmica.
Os animais terrestres mais rápidos são os felinos, que alcançam velocidades superiores a 100 km/h. O guepardo, também conhecido como chita, é um desses animais.
Os guepardos possuem focinhos finos e a cabeça chata, o que ajuda a diminuir a força de resistência do ar durante sua caçada. Além disso, como mostra a foto da direita, quando correm os guepardos alinham ao máximo sua cabeça, seu pescoço e sua coluna, de maneira que diminuam a força de resistência do ar, numa posição a mais aerodinâmica possível.
Esquiadores e ciclistas também utilizam essa posição para se movimentarem mais rápido. Nessa posição, esquiadores conseguem alcançar velocidades superiores a 250 km/h.
Porém, o guepardo não é o animal mais rápido do mundo, tampouco esse animal é terrestre: o animal mais rápido é o falcão, que pode alcançar velocidades superiores a 200 km/h.
Na foto acima, um falcão realiza um mergulho provavelmente durante sua caçada. Repare como ele encolhe suas asas e, assim como o guepardo, deixa a cabeça, a coluna e o pescoço alinhados para diminuir a força de resistência do ar. Nessa posição, sua velocidade pode ultrapassar os 300 km/h.
Porém, depois de fazer mergulhos a 300 km/h, o falcão tem que diminuir sua velocidade e para isso ele também se utiliza da força de resistência do ar. Na foto acima, antes de capturar um peixe, uma águia diminui sua velocidade próxima à superfície da água abrindo suas asas, o que aumenta a área de contato dela com o ar e, consequentemente, a força de resistência do ar. Inspirado nisso, hoje usamos mecanismos parecidos para diminuir a velocidade de dragsters e naves espaciais.
E não foi só isso que imitamos da natureza. Cada vez mais, as formas mais aerodinâmicas da natureza são repetidas pelo homem em aeronaves, trens, carros e até em maios de natação. Veja alguns exemplos abaixo do que chamamos de biomimetismo.
Outro exemplo aerodinâmico tirado da natureza matou a vontade do homem voar. Além dos aviões possuirem uma forma parecida com a dos pássaros, a forma de suas asas também foi tirada desses animais, permitindo que surgisse um movimento para cima capaz de fazê-lo voar.
Na foto acima à direita, o efeito da resistência do ar sobre o carro é analisado num túnel de vento; outros exemplos você vê abaixo.
A força de resistência do ar também é a responsável pela aerodinâmica dos carros. As fotos acima foram tiradas em túneis de vento e mostram que a força de resistência do ar sobre o carro esporte é menor do que a força de resistência do ar sobre a caminhonete. Veja a figura abaixo, em que FR é a força de resistência do ar.
Foi também em túneis de vento que cientistas desvendaram o mistério por trás da bola oficial da Copa do Mundo de Futebol da África do Sul de 2010, a Jabulani.
A partir de 1970, a Adidas começou a ser a responsável pela bola da Copa e praticamente até 2002 não houve grandes mudanças: todas as bolas tinham 32 gomos, dos quais 20 eram hexágonos regulares e 12 pentágonos regulares. Em 2006, na Alemanha, com a bola chamada Teamgeist, o número de gomos diminuiu de 32 para 14. Além disso, a Teamgeist não possui costuras externas entre os gomos. Depois, em 2010 na África do Sul, o número de gomos diminuiu ainda mais: a Jabulani tem apenas 8 gomos, também sem costuras externas.
Ao contrário do que muita gente diz, a Jabulani e a Teamgeist têm praticamente o mesmo peso e tamanho. A grande diferença entre essas bolas está na superfície: além da Jabulani ter apenas 8 gomos, sua superfície possuí ranhuras e é encrespada, ao contrário da Teamgeist, que é totalmente lisa.
Detalhes das superfícies da Jabulani e da Teamgeist: enquanto a Jabulani tem ranhuras, a superfície da Teamgeist é totalmente lisa; em comum, a duas não possuem costuras externas, tendo um formato mais redondo que as bolas anteriores.
É, portanto, na superfície da Jabulani que devemos encontrar seu mistério. Essas ranhuras da Jabulani são chamadas de sulcos aerodinâmicos, que permitem que o ar que passa pela bola não caia por trás dela. Veja a figura abaixo realizada num túnel de vento.
Nas fotos da esquerda, as regiões verde e amarela são aquelas por onde o ar passa; já na região azul, forma-se uma zona de baixa pressão, pois por ela o ar não passa, conforme as imagens da esquerda.
Por causa disso, a Jabulani consegue se sustentar no ar por mais tempo, é mais rápida do que a Teamgeist e isso permite que ela vá mais longe, podendo também nesse caminho fazer curvas imprevisíveis que confundem os goleiros. E podemos dizer que, por causa de seus sulcos aerodinâmicos, a resistência do ar que a Jabulani sofre é menor do que a Teamgeist, possuindo uma melhor aerodinâmica.
E qual seria o formato mais aerodinâmico, cuja força de resistência do ar seria a menor possível? É o formato em gota, encontrado por exemplo em alguns modelos de capacetes, como o da figura abaixo.
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