Olha só esse físico: as fórmulas e conceitos nos bastidores do ciclismo!
Na última década, a utilização de bicicletas tem se tornado cada vez mais comum. Seja enquanto meio de transporte cotidiano, ou, ainda, como fonte de exercício, o ciclismo tem se popularizado de tal maneira que muitas cidades têm projetado e implementado ciclovias - em uma tentativa de estimular essa prática que, vale ressaltar, tem o potencial de reduzir diversos problemas atrelados não só à poluição, como também ao trânsito dos grandes centros urbanos.
Contudo, semelhante popularização não se resume apenas ao "mundo real", difundindo-se também em diversas modalidades de entretenimento, tais como filmes, séries, animações e, inclusive, quadrinhos!
Leis de Newton: o motivo de a bicicleta sair do lugar
No caso da bicicleta, a aplicação desta lei é menos dolorida e, inclusive, imprescindível para seu movimento! Em linhas gerais, ao rolar sobre o chão, a roda da bicicleta desempenha sobre ele uma força, cujo sentido é oposto ao do movimento desejado. Sendo assim, como consequência da 3ª Lei de Newton, o chão irá desempenhar sobre a roda uma força de reação, denominada força de atrito, de mesmo módulo, mas de sentido oposto ao da primeira. Semelhante força de atrito é a grande responsável por fazer a roda - e, portanto, a bicicleta como um todo - deslocar-se para a frente.
Esta postagem se baseou em informações retiradas das seguintes fontes:
Nesse contexto, há cerca de duas semanas, enquanto procurava por um novo título na plataforma de quadrinhos WebToon, deparei-me com uma história chamada "Wind Breaker", criada por Yongseok Jo. Em suma, seu enredo gira em torno da vida de Jay Jo, um estudante do 2° ano do Ensino Médio que apresenta um enorme talento para o ciclismo. Sendo assim, a história explora as diversas experiências e desafios enfrentados pela personagem - que vão desde a conciliação entre uma rotina de estudos e de treinos intensos, até as descobertas e decisões típicas da adolescência.
Com efeito, enquanto lia um dos capítulos da série em quadrinhos, uma de suas ilustrações chamou a minha atenção:
Ao analisá-la com mais calma, percebi que ela ilustrava - mesmo que de forma bastante informal - um conceito que eu havia estudado em Física I na semana anterior: os efeitos da força de resistência do ar. Semelhante fato, por sua vez, me fez perceber que, ao andar de bicicleta, um ciclista aproveita-se de uma série de conceitos físicos extremamente interessantes, muitas vezes baseando-se unicamente em sua intuição!
Diante disso, a postagem dessa semana pretende, mais uma vez, mostrar que a física não se resume aos livros, já que pode explicar uma série de fatos envolvendo o ciclismo 🚴🏻
Leis de Newton: o motivo de a bicicleta sair do lugar
Em meados de 1687, Isaac Newton enunciou, na icônica obra "Principia: Princípios Matemáticos de Filosofia Natural", as três leis da dinâmica - isto é, o estudo do movimento. Com enunciados que, atualmente, podem parecer óbvios, as três leis de Newton significaram uma revolução no estudo da Física, tornando possível a explicação de diversos fenômenos envolvidos em nossa vida cotidiana, como, por exemplo, o motivo de nossos passos nos levarem para frente. São elas:
- Lei da inércia
- Princípio fundamental da dinâmica
- Lei da ação e reação
A inércia pode ser definida enquanto a tendência dos corpos em resistir à mudança de seu estado de movimento original. Em outras palavras, é em virtude da inércia que um corpo em movimento tende a permanecer em movimento, ao passo que um corpo em repouso tende a permanecer em repouso. Tal fato pode ser facilmente observado quando um carro freia bruscamente. Nessa situação, os passageiros dão uma guinada para frente, uma vez que seus corpos tendem, justamente, a continuar desempenhado o movimento subitamente interrompido pelo carro. Essa é, inclusive, a importância da utilização do cinto de segurança, visto que, ao aplicar uma força de contato com sentido oposto ao do movimento (ou melhor, da aceleração) dos passageiros, ele impedirá que esses continuem seu movimento para a frente.
No caso de uma bicicleta, a inércia explica o porquê de o ciclista continuar em movimento mesmo após deixar de pedalar. Neste caso, esse continuará se deslocando - em situações ideais, com velocidade constante - até que, mediante a utilização dos freios, desempenhe uma força com sentido oposto ao seu movimento e, portanto, capaz de contrabalanceá-lo.
Já o Principio fundamental da dinâmica indica que o módulo da aceleração (a) desempenhada por um corpo pode ser calculada ao dividir-se sua massa (m) pelo módulo da força resultante (F) aplicada sobre ele - ou, por outra, a "soma" das forças que atuam sobre ele. Se você teve a oportunidade de estudar física enquanto estava no colégio, deve conhecer a 2ª Lei de Newton através da fórmula: 
. Tendo isso em vista, vamos estudar a figura a seguir, que representa as principais forças que atuam sobre a bicicleta (e o ciclista) durante uma corrida:
Nela, percebemos que as forças que atuam na direção horizontal são a força de resistência do ar (force of air resistance) e a força de atrito em relação ao solo (force of kinetic road friction) - ambas para a esquerda -, bem como a força aplicada pelo ciclista nos pedais (force applied) - para a direita. Assim, com base na 2° Lei de Newton, concluímos que, para que a bicicleta se mova para a direita - isto é, para que a sua aceleração (a) "aponte" para a direita -, o ciclista deve desempenhar uma força que supere a soma das forças de resistência do ar e de atrito em relação ao solo. Caso o contrário, a aceleração passaria a se direcionar para a esquerda e, depois de um tempo, o ciclista começaria a ir para trás.
Por fim, a Lei da ação e reação enuncia que, para toda a ação - ou seja, para toda a força aplicada sobre um corpo -, existe uma reação de mesmo módulo, mesma direção, porém de sentido oposto. A fim de simplificar esse raciocínio, lembre-se da última vez em que você bateu o dedinho do seu pé na quina de um móvel. O motivo de isso doer tanto é o fato de que, quando seu dedinho bate na quina do móvel, ele desempenha uma determinada força sobre ele, digamos, de módulo F. Como consequência, a quina do móvel irá desempenhar uma força dotada de mesma intensidade F em seu dedinho - a qual, por sua vez, irá deslocá-lo bruscamente e, com isso, o deixará dolorido.
No caso da bicicleta, a aplicação desta lei é menos dolorida e, inclusive, imprescindível para seu movimento! Em linhas gerais, ao rolar sobre o chão, a roda da bicicleta desempenha sobre ele uma força, cujo sentido é oposto ao do movimento desejado. Sendo assim, como consequência da 3ª Lei de Newton, o chão irá desempenhar sobre a roda uma força de reação, denominada força de atrito, de mesmo módulo, mas de sentido oposto ao da primeira. Semelhante força de atrito é a grande responsável por fazer a roda - e, portanto, a bicicleta como um todo - deslocar-se para a frente.
Velozes e furiosos: como a física pode, em uma corrida, ajudar a reduzir os efeitos do atrito e da resistência do ar
A bicicleta é considerada um dos meios de transporte mais eficientes em termos de energia. A depender do modelo, ela pode chegar a converter até 90% da energia do nosso corpo, empregada na pedalada, em energia cinética - ou seja, a energia associada ao movimento! Um carro, por exemplo, é capaz de "converter em movimento" apenas 25% da energia química armazenada nos combustíveis, de modo que os 75% restantes são perdidos, por exemplo, no aquecimento dos motores. Sendo assim, uma grade parte de tão impressionante eficiência se deve ao planejamento de pequenos detalhes da estrutura de uma bicicleta, os quais contribuem para uma melhor aerodinâmica, e, assim, para menores taxas de perda de energia para fatores como a resistência do ar e o atrito com o solo.
A intensidade da força de resistência do ar, para corpos em velocidades muito altas, pode ser descrita pela da fórmula: 
, onde v é a velocidade do corpo e k é uma constante que aumenta a medida que a área de seção transversal do corpo - isto é, a área que se encontra perpendicular ao vento - também aumenta. Sendo assim, conforme mostrado na figura acima, uma menor área seção transversal contribui para que os efeitos de resistência do ar sejam minimizados. Dessa forma, o ciclista precisa aplicar uma força menor nos pedais para desempenhar um movimento dotado de uma determinada aceleração. Além disso, o formato de determinadas peças da bicicleta (tais como o quadro da bicicleta e o próprio capacete do ciclista) podem fazer com que o fluxo de ar fique mais, ou menos, turbulento. Assim, quanto mais "aerodinâmico" - neste caso, mais "triangular" - for o seu formato, menos turbulento será esse fluxo de ar, de maneira que o ciclista apresentará uma maior estabilidade.
O tamanho das rodas, principalmente a traseira, também influencia diretamente o desempenho do ciclista. Para isso, basta recordar que o comprimento de uma circunferência de raio R é dado por 
. Com base nisso, pode-se inferir que, ao dar uma volta de 360° em torno de seu eixo, uma roda dotada de um raio menor irá percorrer uma distância menor do que outra que apresente um raio maior.
Recomendação:
Se você se interessou pelas aplicações da física no desenvolvimento das estruturas das bicicletas, gostaria de recomendar o vídeo "The physics of cycling", produzido pela physicsworld. Nele, Steve Haake - um físico que se tornou engenheiro - explica os conceitos por trás da construção de uma bicicleta de alta performance. O vídeo pode ser acessado a partir deste link: https://physicsworld.com/a/the-physics-of-cycling/.
Comentários
Postar um comentário