A física na montanha-russa

Física na Montanha-russa - Profa. Elisabete de Araújo

História

As mais antigas montanhas-russas descendem da Rússia. Os passeios de trenó no inverno prendiam-se em montes especialmente construídos no gelo, principalmente em torno de São Pitsburgo. Foram construídas de 20 a 24 metros de altura e consistiam em uma queda de 50º. Sua popularidade era tão grande que empreendedores de outra parte resolveram copiar a ideia e fizeram carros com rodas construídos em trilhas. Uma dessas companhias foi a Les Montagnes Russes à Belleville que construiu uma montanha-russa de gravidade em Paris em 1812.

O primeiro looping foi, provavelmente, construído em Paris de um projeto inglês em 1846 com uma única pessoa no carrinho que dava uma volta de 3,96 metros de diâmetro, aproximadamente, ou 13 pés. Nenhuma dessas trilhas eram circuitos completos. A partir daí, em muitos idiomas (dinamarquês, português, espanhol e francês) passaram a se referir à atração como “Montanha-russa”.

Tipos de Montanha Russa

 Existem três tipos de montanhas-russas. Em uma delas, a pista é baseada em estrutura de madeira, fazendo com o que o carrinho trepide um pouco mais. Já as montanhas-russas cuja estrutura é baseada em metal possuem pistas com o maior número de inversões, incluindo loops e parafusos. Além dessas, há as montanhas-russas invertidas, nas quais as pessoas ficam como se estivessem penduradas, com as pernas de fora. Com 139 metros de altura, equivalente a um prédio de 40 andares, a montanha-russa mais alta do mundo é feita em metal tubular e fica em New Jersey, nos Estados Unidos. Já a mais extensa fica no Japão, e tem aproximadamente 2,5 km de comprimento. 

                                                               Funcionamento

 Os carros comuns de montanha-russa não são puxados todo o tempo sendo somente agarrados às pistas para não escaparem. Normalmente são erguidos através de cabos mecânicos sendo soltos ao topo da primeira “montanha” para adquirirem força. Então a energia potencial se transforma em energia cinética e permite aos carros completarem o percurso, ou parte dele, através desta força adquirida. A energia cinética é novamente transformada em energia potencial enquanto o trem se move novamente para o segundo pico, mas desta vez, dependendo da velocidade restante no inicio da subida do segundo pico, a energia pode ser convertida no meio da subida e não necessariamente no sopé. Isto é necessário independente da quantidade de energia perdida devido ao atrito. Então o trem desce novamente e levanta e assim por diante.

                                                                        

                                                            Energias aplicadas

 A energia que move os carrinhos é dada por um sistema que puxa o trem para cima da primeira colina (chamada colina de elevação), com a intenção de fornecer certa quantidade de energia potencial. A energia potencial, como discutido na teoria, é proporcional à altura, assim à medida que elevamos o carrinho em relação ao solo aumentamos sua energia potencial. 

Em seguida o carrinho é solto da colina de elevação (que é a mais alta de todo percurso da montanha-russa)  e a energia potencial acumulada é então transformada em energia cinética, que possibilita o movimento do carrinho.Quando o carrinho entra no looping, sua energia cinética é máxima, isto é, move-se à velocidade máxima. No topo do looping, a gravidade de certa forma desacelerou o carrinho, que agora tem mais energia potencial e menos energia cinética, e move-se com velocidade reduzida.

Reações do corpo

Altura e alta velocidade, ingredientes que, quando combinados, dão, literalmente, fio na barriga. Na montanha-russa não é diferente. Quando o corpo é submetido a uma situação de estresse, algumas transformações acontecem. Uma delas tem a ver com os instintos, que é o aumento da adrenalina, uma forma de preparar a pessoa para duas coisas: lutar, ou fugir. Nesse caso, presenciamos também a pupila dilatada, forma que o corpo tem de observar melhor o ambiente a sua volta.

Em situações identificadas como de perigo, há o aumento da frequência cardíaca, pois é preciso mais oxigênio circulando na musculatura esquelética. Como o sangue é finito, ele é redistribuído no corpo, tendo um aporte maior do fluxo sanguíneo para a musculatura esquelética. Dessa maneira, o sangue deixa de estar presentes em locais menos vitais nesse tipo de situação, como o sistema digestivo. Assim que a situação de estresse passa, o sangue flui da musculatura esquelética para o resto do corpo, dando aquela sensação de ‘fraqueza’ nas pernas.

Por que o carrinho não precisa de motor?

O carrinho da montanha russa não precisa de motor porque a estrutura do brinquedo é projetada para que o carro acumule energia potencial e libere na forma de energia mecânica - movimento. 

Ou seja, quando todo mundo embarca, o carro tem um impulso inicial, promovido por uma máquina na estação. Durante o trajeto, o carro sobe e, como o atrito do trilho é muito pequeno, uma boa parcela da energia cinética (mecânica) do impulso inicial é convertida em energia potencial gravitacional à medida que o carro sobe. Quanto ele chega ao ápice do movimento, toda a energia se transforma em potencial - é por isso que o carro praticamente para. 
Quando começa a decida, toda aquela energia armazenada na forma potencial gravitacional é liberada, convertendo-se em energia mecânica. 
É por isso que o carrinho de montanha russa não precisa de motor.

Sistemas conservativos

O movimento de um carrinho não pode ser considerado um sistema conservativo, pois ao longo do movimento, parte da energia mecânica do carrinho se dissipa na forma de calor, devido às forças de atrito com os trilhos e com o ar. Sem o funcionamento de energia externa ao sistema, a cada descida e subida o carrinho jamais irá alcançar a mesma altura anterior. A estrutura da montanha russa deve ser montada, levando em consideração essa perda de energia durante o trajeto, ou seja, os diversos picos devem seguir uma sequencia decrescente de altura.

Sistemas dissipativos

Os sistemas dissipativos, ao contrário dos sistemas conservativos, são aqueles em que a energia não é conservada. Nos sistemas dissipativos as transformações sofridas pela energia geram calor, o qual é dissipado para o meio externo. Um exemplo disso é a montanha russa em movimento em uma descida, logo apos na subida o carrinho vai perdendo sua energia mecânica transformando-a  em térmica, e não alcançando a mesma altura de onde desceu por esse motivo nenhuma montanha russa tem subidas de mesma altura.

Imagens

·         O Pepsi Max Big One, em Blackpool Pleasure Beach: na primeira colina o trem precipita-se numa queda de 62 m a 119 km/h.

·         Um carrinho de montanha russa realizando um looping: No ponto mais alto do looping o carrinho ainda possui energia cinética para completar o looping e continuar seu movimento.

  Referências 

Essa postagem foi retirada do meu trabalho de Física, feito no dia 07/03.