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Ciência

A ciência das coisas banais

Não é preciso ir muito longe para achar dilemas científicos. Basta fazer as perguntas certas.

A ciência está em todo lugar. Mas, às vezes, é preciso ter lentes de cientista para enxergar perguntas profundas – que, por vezes, persistem por séculos – até mesmo nas coisas mais simples.

Bicicletas são um exemplo particularmente duradouro de mistério científico. Humanos criaram o hábito de se equilibrar nelas há pelo menos dois séculos – a versão mais antiga, batizada pelos franceses de vélocipède, veio ao mundo em 1818. Mesmo depois de tantos anos, uma questão simples sobre as bikes jamais foi desvendada: como elas conseguem manter a estabilidade quando estão em movimento.

Em um primeiro momento, você, leitor, pode imaginar que o piloto é a peça responsável por garantir o equilíbrio. Afinal, enquanto passeamos sobre duas rodas, nosso cérebro está o tempo todo fazendo cálculos: se a bicicleta começa a inclinar para a direita, puxamos o guidão na direção oposta para alinhar as duas rodas de novo, por exemplo.

Mas isso não conta a história inteira. Caso seja arremessada da maneira certa, uma bicicleta pode se mover normalmente por alguns bons metros sem ninguém no controle – até perder a velocidade que ganhou com o empurrão e tombar de lado.

Explicar a física por trás disso seria, então, um trabalho para as Leis da Mecânica de Isaac Newton, e que garantem que um corpo tirado da inércia e colocado em movimento tende a continuar em movimento. Seria simples assim… Não fosse um detalhe. Bicicletas conseguem corrigir eventuais desvios de percurso por conta própria, permanecendo em linha reta – como um piloto humano faria.

Quando aparece algum obstáculo, como um buraco ou desnível no terreno, a reação do veículo é instantânea: a roda da frente vira na direção oposta ao estímulo, a fim de corrigir seu curso e retomar a estabilidade. Eis aí a questão de um milhão de dólares, observada ainda no século 19, mas que segue sem um porquê definitivo até hoje.

“Uma bicicleta, na verdade, é extremamente complexa. Entender sua estabilidade, numa comparação muito simplificada, é equivalente a resolver uma equação matemática de quarto grau”, explica Andy Ruina, professor de engenharia mecânica da Universidade Cornell, nos Estados Unidos. O que isso significa? Bem, basta imaginar aquela fórmula de Bhaskara que você aprendeu nas aulas de matemática do colégio. “Só que com uma dose de esteroides anabolizantes”, brinca.

Cientistas costumavam culpar dois fenômenos físicos diferentes pelo mistério das bikes. O primeiro era o “efeito giroscópico” – o mesmo visto quando um peão se mantém estável girando, mesmo que mexa um pouquinho para cá, um pouquinho para lá. O segundo era o efeito caster. É possível vê-lo em carrinhos de supermercado ou cadeiras de escritório, por exemplo. Se você os empurra em uma direção, suas rodinhas se alinham naturalmente de acordo com o sentido do movimento.

Parece fazer sentido, não é? Por muito tempo, acreditou-se que o problema estava resolvido. Isso durou até 2011, quando a hipótese foi enterrada por um trabalho do próprio Andy Ruina e sua equipe, que contava com nomes como o engenheiro holandês A.L Schwab e Jim Papadopoulos, cientista americano fissurado por bicicletas – que apresentou o dilema das bikes a Ruina ainda em 1985.

Primeiro, o grupo criou um modelo matemático que identificou todos os parâmetros possíveis que poderiam permitir que uma bike se estabilizasse por si só. Chegaram a uma lista de 25 itens. Feito isso, os cientistas se perguntaram qual era a bike mais simples que poderiam construir e que, ainda assim, fosse estável por conta própria. O modelo, criado na Holanda, reunia apenas oito dos 25 fatores – possibilitando descartar todos os demais como explicações essenciais do fenômeno. O mais importante, porém, é que a bicicleta foi projetada para anular tanto o efeito giroscópio quanto o efeito caster… E, ainda assim, ela se mantinha alinhada. Nenhum dos dois efeitos estava na raiz do equilíbrio da bike. Foi o primeiro entre dezenas de estudos a perceber isso, literalmente 200 anos depois do primeiro artigo publicado sobre a mecânica de bicicletas, em 1818.

Hoje, os cientistas desconfiam que a explicação não está em um efeito físico específico, e sim na interação entre os vários fenômenos presentes quando uma bicicleta se move. Descrever essa dinâmica com precisão, porém, ainda desafia físicos, engenheiros e matemáticos. “O problema é que muitos buscavam por uma resposta simples, quando ela não existe”, conclui Ruina.

Se o mistério do equilíbrio das bikes segue em aberto, há outros problemas da ciência de “dia a dia” que já conseguimos explicar na sua totalidade. Tudo porque houve gente disposta a levar assuntos banais a sério, a ponto de encontrar grandes respostas para perguntas que pareciam simples demais.

A arte de quebrar macarrão cru em (apenas) dois pedaços

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(Dulla/Superinteressante)

Richard Feynman, físico americano que lançou as bases da eletrodinâmica quântica e ganhou o Nobel de Física em 1965, era um fã convicto de espaguete. Certa noite, enquanto cozinhava com o amigo e cientista da computação Danny Hillis, Feynman se deparou com um problema curioso. A singela tarefa de quebrar os fios de macarrão ao meio para acomodá-los na panela se revelou impossível de ser replicada com precisão científica. Não importa o quão determinado seja o cozinheiro: um único fio seco de massa, quando pressionado pelas pontas, sempre acaba se espatifando em três ou, às vezes, quatro fragmentos de tamanhos diferentes. E nunca, nunca mesmo, quebra em duas metades perfeitas. Como é possível?

“Gastamos duas horas tentando imaginar as teorias mais malucas. Fizemos experimentos, como quebrar embaixo d’água, porque pensamos que isso poderia amortecer as vibrações. Terminamos com macarrão quebrado pela cozinha inteira e nenhuma ideia de por que o espaguete quebrava em três”, relembra Danny Hillis no livro Gênio Fora do Comum, que fala da trajetória de Feynman.

O físico morreu em 1988 sem solucionar o problema. Mas o destaque que Feynman deu à questão contribuiu para que o estudo de fraturas em pedaços de macarrão ganhasse novas abordagens à luz da ciência.

Fios de espaguete têm uma forma toda própria de
se espatifar – Richard Feynman que o diga.

Em 2005, dois pesquisadores franceses fizeram a primeira contribuição de destaque à causa, descrevendo as forças que agem no espaguete no momento da quebra. Funciona assim: quando alguém pressiona as duas pontas de um fio solitário, gerando uma curvatura, o objeto se parte próximo ao centro, no exato ponto onde a curva é mais acentuada. Só que, quando o meio do fio se rompe, há uma baita liberação de energia. Essa energia, por sua vez, faz vibrar as moléculas da área vizinha. O resultado é outra fratura na massa – e um novo pedaço de macarrão indo para os ares (a etapa 2 do esquema abaixo).

“Apesar disso, queríamos saber se era fisicamente possível quebrar o espaguete em dois, e se dava para controlar o processo de fragmentação”, explica Vishal Patil, que estuda matemática no MIT e assina um estudo de 2018 que colocou um ponto final ao dilema culinário. Spoiler: sim, é possível obrigar um macarrão a quebrar exatamente em dois. Mas não sem uma mãozinha da engenharia, é claro.

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(Dulla/Superinteressante)

Mais de 500 fios de massa foram quebrados em laboratório – o grupo criou, inclusive, um dispositivo especial de entortar e quebrar macarrão só para isso. Cada teste foi filmado com a ajuda de uma câmera de alta velocidade, que capta 1 milhão de quadros por segundo. “Isso permitiu que enxergássemos como uma fissura se propaga pelo espaguete”, diz Patil. E permitiu, também, que chegassem a uma conclusão simples. Para conseguir a quebra perfeita, é preciso torcer a massa. Fios que estavam retorcidos a um ângulo de 330 graus, como você vê no esquema acima, quebravam exatamente ao meio.

“Se você torce o espaguete primeiro, não é preciso curvá-lo até quebrar. Então, o estalo libera menos energia”, sem causar fraturas extras. Segundo a teoria do grupo, qualquer vareta cilíndrica que seja minimamente elástica quebra da mesma maneira que o espaguete – o que pode ser até perigoso, como no caso de varas usadas em competições de salto, por exemplo. O estudo de como essas rachaduras se formam poderia ajudar a tornar qualquer material menos propício a quebras do tipo.

Se o mesmo princípio se aplica a outros tipos de massa? Aí o buraco é mais embaixo. “Tentamos quebrar linguini, mas ele parece se comportar de forma um pouco diferente. Suspeito que a largura maior adicione um ingrediente extra à teoria.”

O suicídio ornamental de uma gota d'água

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(Dulla/Superinteressante)

O que manchas de sangue na cena de um crime, o café que você derramou no teclado e a goteira no apartamento do vizinho têm em comum? Resposta: em todos esses cenários, surge um fenômeno físico conhecido como “splash”. Não faz ideia do que se trata? Basta entendê-lo como uma onomatopeia: é o que acontece quando uma gota de um líquido qualquer espirra após se espatifar em uma superfície.

Quando uma gota de chuva cai no solo, por exemplo, ela não se espalha umedecendo a terra logo de cara. Parte dela, primeiro, voa para cima, formando várias minigotas em uma espécie de “coroa” (o ponto 2 do esquema abaixo). Então, o líquido assume sua forma mais relaxada e se esparrama de vez, escorrendo pelo chão (4).

Uma gotinha, quando cai, não se esparrama pelo chão. Primeiro, ela espirra.

Conforme desenvolvemos câmeras fotográficas mais potentes, foi possível flagrar esse momento com cada vez mais nitidez. Apenas recentemente, porém, um estudo conseguiu descrever a física de por que a interação entre a superfície e o líquido causa o splash.

Entram na conta aspectos como o tamanho e a viscosidade do líquido em questão, além das propriedades físicas do local onde ele cai, naturalmente. A resposta para a questão, porém, só pode ser encontrada em nível microscópico: em uma fina camada de ar formada entre a superfície e o líquido (3), e que a gota não consegue ultrapassar. Ela existe por apenas milionésimos de segundo, mas é capaz de interferir na dinâmica de gotas com proporções infinitamente maiores que as dela.

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(Dulla/Superinteressante)

Uma camada de ar com 1 micrômetro de espessura – 50 vezes menor que um cabelo humano – pode obstruir uma gota de 1 milímetro. Um adversário mil vezes maior, diga-se de passagem. É como se uma camada de ar de 1 centímetro conseguisse impedir que um tsunâmi se espalhasse por uma praia, diz James Sprittles, matemático da Universidade de Warwick, em um artigo comentando a descoberta.

A partir de conceitos da teoria cinética dos gases, que analisa a dinâmica das moléculas de ar da camada, Sprittles estabeleceu qual velocidade as moléculas devem ter para que um líquido espirre sobre uma superfície sólida. Se a velocidade for muito baixa, o efeito de splash não aparece e o líquido se esparrama tranquilamente.

A teoria explica, por exemplo, por que reduzir a pressão do ar pode reprimir o splash. Quando a pressão é baixa demais, o ar escapa mais fácil do espaço entre a superfície e a gota espatifada, oferecendo menos resistência para o líquido.

“Uma gota que espirra no pé do Monte Everest não vai fazê-lo da mesma forma no topo da montanha, onde a pressão atmosférica é muito menor”, conclui Sprittles.

Bolas de papel e sua personalidade própria

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(Dulla/Superinteressante)

Uma frase atribuída ao filósofo grego Heráclito diz que uma pessoa não pode tomar banho no mesmo rio duas vezes – a água que corre ali não será a mesma no instante seguinte, muito menos a pessoa. Estranhamente, dá para falar algo parecido de bolinhas de papel. “Não é possível amassar o mesmo papel duas vezes. Acredite, nós tentamos!”, lê-se no site do Laboratório de Física de Sistemas Complexos da Universidade Harvard.

“Alguns sistemas podem parecer simples à primeira vista, mas têm propriedades surpreendentemente complexas”, diz Christopher Rycroft, professor de matemática aplicada em Harvard. “Bolas de papel são um bom exemplo – o ato de amassá-las é trivial. Mas os padrões aleatórios e desordenados dos amassados são complexos.”

Olhe atentamente para duas folhas A4. São exatamente idênticas, não são? Não importa se são da mesma marca (ou até se foram feitas a partir da madeira da mesma árvore) e foram amassadas de maneira precisamente igual. Ainda assim, haverá diferenças entre elas, capazes de gerar padrões de amassados completamente diversos. “Essa é uma marca registrada de sistemas complexos”, diz Rycroft.

Cientistas testaram dezenas de folhas para cravar: não existem duas bolas de papel iguais.

Duas bolas amassadas podem parecer indestinguíveis, mas cada uma responde à pressão de uma forma totalmente única. O tamanho de cada dobra, a distância entre elas, os espaços do papel que não têm dobras, o quanto cada dobra é pontuda e a quantidade de energia demandada para criar determinado vinco (2). Nada disso segue uma regra que seja possível prever, mesmo usando os equipamentos (e os cérebros) mais precisos.

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(Dulla/Superinteressante)

Os cientistas de Harvard concluíram isso esmagando dezenas de folhas de papel em um cilindro, que funciona como se fosse um pistão. Ainda que o papel fosse igual e o cilindro fosse programado para realizar a mesma ação, com a mesma força… De um amassado para o outro, o papel nunca parava de formar vincos inéditos. Depois, o trabalho foi escanear as superfícies de várias folhas de papel amassadas na busca por padrões matemáticos. Surpreendentemente, eles estavam ali, escondidos entre as dobras das folhas.

“Nossa análise mostrou que o comprimento total dos vincos em folhas diferentes, quando somado, pode seguir um padrão que é previsível”, comenta Rycroft. Ou seja: se medíssemos cada uma das dobras com uma régua, e somássemos o tamanho de todas as diferentes dobras presentes em duas folhas diferentes, teríamos um número final semelhante para as duas – ainda que a aparência das dobras nas folhas seja completamente distinta (3).

O legal é que, a partir desse comprimento total das dobras, é possível prever o futuro, estimando como os vincos vão evoluir se o papel for dobrado novamente – e colocando certa ordem no caos de uma folha recém-amassada.

Para que tanto esforço em entender bolas de papel? Bem, há projetos importantes de engenharia precisando replicar essas propriedades. Alguns satélites espaciais, como o Telescópio Espacial James Webb, que será lançado pela Nasa em 2021, contam com painéis de energia solar que precisam ser compactados de forma bem comprimida durante a decolagem – e que devem ser desdobrados quando chegarem em órbita para garantir a energia da missão.

Fica aí uma reflexão que você pode revisitar, quem sabe, da próxima vez que estiver cozinhando macarrão ou assistindo às gotas de chuva pela janela: pode não parecer agora, mas algo banal como uma bola de papel pode ser importante para tornar viagens espaciais, no futuro, tão simples quanto andar de bicicleta. Ou quase isso.