Edição 1945, 1é de março de 2006

Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias – Física

Como voam os balões e dirigíveis

Explique as leis da Física que empurram os aerostatos e conte a história desses veículos mais leves que o ar

"O Zepelim do Futuro", pág. 86 de VEJA Duas aulas de 50 minutos Leis de Newton e Teorema de Arquimedes Entender a dinâmica de vôo dos balões e dirigíveis e acompanhar sua evolução histórica

Voar é um dos sonhos mais fascinantes já concretizados pela humanidade. E o desenvolvimento dos mecanismos que nos permitiram sair do chão constitui um capítulo à parte dessa aventura. Segundo a mitologia grega, Ícaro criou asas de cera para escapar da prisão e tentar — sem sucesso — aproximar-se do Sol. Na Renascença, Leonardo da Vinci projetou uma espécie de embrião dos atuais helicópteros. Com o 14-Bis, Santos Dumont provou que o céu é mesmo o único limite. A reportagem de VEJA anuncia que, num futuro próximo, um transatlântico voador inspirado nos antigos zepelins cruzará a troposfera a 250 quilômetros por hora, levando a bordo até 250 passageiros confortavelmente instalados. Batizada de Aeroscraft, a aeronave vai dispor de restaurante, salas de relaxamento, suítes luxuosas e até cassino. Pode parecer loucura, mas não custa lembrar que tal expressão foi usada por muitos no passado para descrever outras invenções flutuantes. Aproveite essa nova promessa da indústria aeronáutica americana para explicar à turma os princípios físicos envolvidos no deslocamento dos dirigíveis. Identifique além disso o combustível ideal para essas máquinas maravilhosas.

Preparação da aula

Providencie dois balões de borracha, desses usados em festas de aniversário, idênticos. Um deve estar cheio de hélio e o outro, vazio.

Para começo de conversa

Uma vez concluída a leitura do texto de VEJA, solicite que os alunos destaquem aspectos físicos como velocidade e peso do Aeroscraft, pressão do ar nas cabines, potência das turbinas e quantidade de gás necessária para encher o invólucro do dirigível. Em seguida, relembre o Teorema de Arquimedes: "Todo corpo, total ou parcialmente imerso em um fluido (líquido, gás ou vapor), recebe deste uma força vertical, de baixo para cima, denominada empuxo". Recorde ainda que a intensidade — ou módulo — da força empuxo é igual ao módulo do peso do fluido deslocado. Portanto, a intensidade do empuxo (E) depende da densidade (d) e do volume (V) de fluido deslocado e da aceleração da gravidade (g). O conceito é representado pela fórmula E = d·V·g. Revise ainda a primeira lei de Newton, também conhecida como princípio da inércia: "Todo corpo tende a manter seu estado de repouso ou de movimento retilíneo e uniforme a menos que seja obrigado a alterar esse estado por ação de uma força resultante externa".

Desenhe no quadro o esquema abaixo para explicar como um balão dirigível se move na posição vertical. As forças atuantes são o peso do invólucro, o peso do gás que o preenche e o empuxo aplicado pelo ar. Se preferir, considere só uma força peso, dada pela soma dos pesos do invólucro e do gás em seu interior. Na situação de equilíbrio, quando o balão fica em repouso ou está em movimento retilíneo e uniforme, o empuxo deve equivaler ao peso do conjunto balão + gás. Se o módulo do peso do conjunto é maior que o módulo do empuxo, o balão desce. Caso contrário, ele sobe.

Atividades

Apresente à sala o balão com hélio, segurando-o pelo nó que o fecha. Peça que um estudante encha o outro balão, soprando-o até que atinja o tamanho do primeiro. Só então, o jovem deve fechá-lo. Forneça a densidade — ou massa específica — dos gases: 1,29 kg/m³ para o ar e 0,18 kg/m³ para o hélio. Ressalte que as duas bexigas estão sujeitas a empuxos de mesma intensidade, pois deslocam volumes praticamente iguais de ar. Por isso, ambas são forçadas para cima com forças de intensidade idêntica. Pergunte o que acontece se soltarmos os dois balões de uma mesma altura. Ouça as hipóteses e confirme que a bexiga cheia de hélio é mais leve que a outra. Assim, a primeira apresenta uma força resultante dirigida para cima e sobe mais rápido.

Explore a linha do tempo que ilustra este plano de aula. Diga que os veículos mais leves que o ar chamam-se aerostatos e podem ser de dois tipos. Pergunte quais são e o que os diferencia. Ensine que os balões não precisam de impulso para sair do chão. O primeiro deles, projetado por um padre brasileiro no século XVIII, voava com auxílio de ar quente emitido por uma fogueira. O invento foi exibido em Portugal e não agradou à Inquisição. Já os dirigíveis, para subir, exigem que seus invólucros sejam preenchidos com gases específicos. A variação semi-rígida desses veículos, desenvolvida simultaneamente no final do século XIX na França e no Brasil, foi fundamental no estudo da relação entre atmosfera e altitude. Nos dirigíveis rígidos, armações metálicas sustentam o invólucro. Depois da tragédia que destruiu o Hindenburg, em 1937, os dirigíveis saíram de circulação por um bom tempo. Nos modelos atuais, o hidrogênio foi substituído por hélio. A classe sabe por quê? Mesmo tendo a densidade mais leve do universo, o primeiro possui uma altíssima reatividade. O outro, segundo gás menos pesado da natureza, é do tipo inerte: não reage nem mesmo com chamas ou faíscas. Por isso revelou-se o combustível ideal dos dirigíveis que desde os anos 1990 sobrevoam as principais capitais do país. Nesses outdoors aéreos, usados por uma emissora de TV, jornalistas observam o trânsito e cinegrafistas gravam partidas de futebol e desfiles de Carnaval. Além do Aeroscraft, o que o futuro reserva para esses veículos?

Leves e soltos Os aerostatos surgiram no século XVIII e até hoje foram fundamentais para o estudo das relações entre atmosfera e altitude. Estes são alguns dos principais balões e dirigíveis já criados. Apresente-os à garotada

1709 — Passarola Primeiro balão da história, criado pelo padre brasileiro Bartolomeu de Gusmão, levantou vôo em Lisboa. Poucos desenhos seus sobreviveram à censura da Inquisição

1785 - Balão de calor Inflado por ar quente proveniente de fogueiras, também surgiu na Europa. A imagem remete ao primeiro aerostato que cruzou o Canal da Mancha

1852 - Dirigível semi-rígido Era guiado por um leme e impulsionado por um motor a vapor. O primeiro vôo ocorreu na França, quando o veículo percorreu um trajeto de 24 quilômetros

1900 - Graf Zeppelin Abastecido por hidrogênio, foi fabricado na Alemanha. Carregava os passageiros numa gôndola suspensa. Visitou diversos países mundo afora — inclusive o Brasil — em 1930

1936 - Hindenburg O maior charuto flutuante do mundo transportava até 235 toneladas. Em 1937, explodiu quando tentava atracar na torre do aeroporto de Nova Jersey, nos Estados Unidos

1996 - Dirigível publicitário Tem capacidade para até seis pessoas. Desse outdoor voador usado por uma emissora de TV, são feitas imagens aéreas de jogos de futebol e desfiles de Carnaval

Roteiro proposto por Paulo Cesar Martins Penteado, professor de Física do Colégio Coração de Jesus, em Florianópolis