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Forças Centrípeta e Centrífuga e Estações Espaciais

Física: Conceito e história — By on setembro 7, 2015 at 22:20

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.

2001 - Uma Odisseia no Espaço

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.

Força Centrípeta

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/s², 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.

Link: https://www.youtube.com/watch?v=UqOOZux5sPE

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.

Referências e sites úteis:

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/Cinematica/mc.php

http://www.brasilescola.com/fisica/forca-centrifuga.htm

https://www.youtube.com/watch?v=hU6ej6aPEuA

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4 Comments

  1. Santo Lara disse:

    Realmente, muito bom.

    [Responder]

  2. jorge claudio disse:

    Gravidade artificial
    Segundo meus estudos sobre a gravidade artificial , ela não funcional na ausência de gravidade terrestre usando uma centrifuga, como mostra nesse filme
    Por quê?
    Por causa da inercia, no espaço a inercia é muito menor.
    https://www.youtube.com/watch?v=A7WJ9FPEYU4
    Veja que a corda onde está a ferramenta não apresenta deformação causada pela força centrifuga, isso porque no espaço ai na ISS onde foi feito o experimento, não tem gravidade e quando se usa a centrifuga, aqui na terra temos gravidade, e o que a centrifuga faz, é desviar a força da gravidade vertical para o plano horizontal, dai desvia a gravidade para o horizontal e não se geral como muito pensam. Uma prova é só ver o filme ai e veja que a ferramenta é um pouco pesada de aproximadamente 3kg, e mesmo assim, não se nota nenhum esforço na corda que mantem ela presa quando ela faz um giro. Dai pra produzir gravidade para manter uma pessoa fixa igual na terra produzindo força de 1G. Falta muito. Outra observação, porque essa força não funcionaria, por que a velocidade quando a aceleração acabasse, voltaria ao normal, prova disso é que mesmo você viajando a uma velocidade mais de 27.700km por hora que é a velocidade da estação espacial internacional já teria gravidade suficiente para gerar muitas forças G, e colocado os astronautas no fundo da estação direção oposta ao movimento. e porque isso não acontece, simplesmente porque você também está na mesma velocidade que a estação espacial, isso só poderia acontecer se saísse de um estado estacionário e mesmo assim , quando você estivesse na mesma aceleração, as forças G cessariam.

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    Julio Resposta:

    Você confundiu as coisas.

    O exemplo da estação espacial está totalmente errado.
    A estação espacial está em equilíbrio, se encontra na distancia e velocidade ideais para se manter em órbita.
    É completamente diferente de um sistema fechado pra uso da força centrípeta na simulação de gravidade.

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  3. Kelly disse:

    Me ajudou a entender a diferença entre as duas forças.

    [Responder]

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