Ensino de Física – A física do Barco à vela

Um relato para a prática do ensino.

 

 

 

 

 

Trabalho completo abaixo (sem correções):

A Física do Barco à Vela

 

A Física do Barco à Vela

IFBA, Campus de Paulo Afonso

Engenharia Elétrica – Turma 2014.1

 

 

 

Ana Clara Guerra

Guildys Raniere

Nicolau Junior

Thainá Matos

 

 

Trabalho desenvolvido durante a disciplina de Física Geral I pelo professor Welber Miranda.

 

Figura 1: Anemômetro em Prática. 13

Figura 2: Preparando o barco. 14

Figura 3: Começando a Navegar 14

Figura 4: Trajetória Calculada por GPS (RunKeeper) 15

Figura 5: Gráfico do Ritmo em relação ao Espaço x Tempo. 15

Figura 6: Tempo Decorrido para cada Km Percorrido. 16

Figura 7: Analisando (Tracker Analysis) 17

 

Lista de Tabelas

Tabela 1: Velocidades Medidas no Anemômetro. 7

Tabela 2: Conclusões Sobre as Medidas. 8

Tabela 3: Cronograma. 12

 

 

Introdução

Barco a vela: Um pouco de história.

A utilização de navios como meio de transporte se alastrou a 5.000 anos atrás, na civilização ocidental, com a invenção do Barco a Vela. A utilização da força do vento tornou possível o deslocamento de pessoas e mercadorias por distâncias cada vez maiores. Por volta de 2.500 a.C. barcos egípcios estabeleceram o comércio entre a foz do Nilo e a Terra de Canaã, enquanto a civilização Suméria navegava entre os Rios Eufrates e Tigre, saindo do Golfo Pérsico e estabelecendo comércio com a Índia. A 800 a.C. os Fenícios estabeleciam colônias na Espanha e norte da África Galeras ou Galés, inicialmente movidas a remo, ganharam uma vela quadrada em um único mastro. Podiam assim velejar a favor do vento. Assim, a navegação no Mediterrâneo dependia da habilidade do marinheiro em reconhecer as direções do vento para a realização da travessia desejada. Nascia então a Rosa dos Ventos.

O desenvolvimento da astronomia, da geometria esférica pelos gregos e a demonstração da esfericidade da terra por Erastóstenes, possibilitaram o desenvolvimento de conceitos de latitude e longitude. Técnicas de orientação e navegação pela observação das estrelas já eram comuns no início da era cristã. Estas técnicas são perdidas pelos europeus durante a idade média, mas conservadas pela civilização árabe e reaprendidas pelos portugueses e espanhóis na era do descobrimento.
A Escola de Sagres em Portugal, no século XV, desenvolveu a tecnologia de construção das Naus e Caravelas, bem como as técnicas de marinharia e navegação, necessárias às grandes viagens de descobrimento. Como estes barcos possuíam habilidade para velejar quase perpendicularmente à direção do vento, eles possibilitaram enorme avanço na capacidade de navegação. Mas ainda não era possível velejar contra o vento. Assim a travessia do Atlântico só foi possível com a descoberta das correntes marítimas do Atlântico Norte e do Atlântico Sul. Os Portugueses a chamaram de “a grande volta do mar”. Vasco da Gama na viagem em que descobriu a volta do Atlântico Sul, encontrou sinais da existência de terras mais para o oeste. Dois anos depois Cabral aportava em Porto Seguro.

 

Para entender o seu comportamento são necessários alguns conceitos clássicos da mecânica, tais como: força, composição vetorial, torque, aceleração, inércia, conservação do momento linear, etc… Mas também conceitos mais complexos da hidrodinâmica, como viscosidade, força de arrasto, Equação de Bernoulli, Princípio de Venturi, fluxo laminar, turbulência e ondas superficiais em meios fluidos.

 

 

Problemas

• Estudar a relação peso x potência (em função da área velica) em diferentes barcos a vela do tipo olímpico (Laser e Finn);
• Quantos por cento da velocidade do vento é possível converter em velocidade do barco?
• Discutir o uso de cordas e polias em barcos;
• É possível determinar e qual é a função da potência do barco em função da área velica?
• Discutir a velocidade relativa enquanto o barco se movimenta

Hipóteses

• Consideramos a velocidade do vento constante a cada minuto.
• Desprezamos o atrito entre o barco e a água.

 

 

Objetivos

 

Temos que objetivo responder as problemáticas citadas acima através de experimentos para comprovar cada um dos tópicos. Assim, esboçamos nossas ideias para solucionar cada uma delas.

• Teremos que determinar um trajeto pelo qual o barco a vela fará seu percurso, além disso, precisaremos saber qual será a velocidade do vento no local, para isso utilizaremos um celular com o aplicativo Google Now, que indica a temperatura e velocidade dos ventos, – Porém, qualquer aplicativo relacionado a previsão do tempo poderá fazer esse cálculo – em seguida gravaremos o percurso em que o barco fará o trajeto, depois jogaremos no programa Tracker que fará a análise que o barco chegou até o percurso, fazendo uma regra de 3 saberemos a porcentagem da velocidade do vento que é convertida para o barco.

• O sistema de cordas e polias é essencial para o velejador, pois é a partir deles que ele poderá reduzir a força utilizada para deslocar a vela, fazendo com que ele possa ser mais ágil nos seus movimentos de deslocamento do barco.
 

 

Justificativa

 

Estudando a Relação Peso x Potência

 

O fator peso x potência tem por conceito a inclusão do peso físico da embarcação, representado pelo seu deslocamento real, conjugado com a área vélica real, que é a força propulsora, sua potência efetiva. A resultante tem sua representatividade valorizada, em relação à original. Para seu cálculo é utilizada a fórmula abaixo:

 

FPP = 1,1601 * ( Sef / P ) + 1

Onde:

1. FPP = Fator peso x potência
2. Sef = área vélica real, total
3. P = peso físico da embarcação

 

A operacionalização da pesagem do barco ocorrerá conforme disponibilidade: preferencialmente com uso de balança digital ou outra forma de pesagem mais simples que possa ser viabilizada. A pesagem é feita com o barco totalmente vazio.

 

Sobre o erro do anemômetro

 

A velocidade do vento estimada para o dia 05/03/2015 foi de 18 km/h e a partir do anemômetro conseguimos obter uma velocidade aproximada de 12,2 km/h. Porém, alguns dados foram compatíveis com o padrão, outros não. A incompatibilidade das informações do experimento foi devido as condições climáticas – chuva passageira – e alternâncias da ventania, através destes tópicos obtivemos variações nos dados. Podemos concluir então que o anemômetro conseguiu realizar bem as medidas, apesar de apresentar uma taxa de erro de 4% segundo – colocar o site -, houve semelhanças entre os resultados e atingimos o nosso objetivo no experimento.

 

Tabela 1: Velocidades Medidas no Anemômetro

Tabela – VELOCIDADE DO VENTO
VELOCIDADE	HORÁRIO (TEMPO)
11,4 km/h	10:18
14,5 km/h	10:19
12,6 km/h	10:20
18,6 km/h	10:21
18,1 km/h	10:22
15,9 km/h	10:23
19,8 km/h	10:24
18,9 km/h	10:25
15,7 km/h	10:26
12,4 km/h	10:27
15,2 km/h	10:28
16,3 km/h	10:29
11,6 km/h	10:30
12,8 km/h	10:31
12,6 km/h	10:32
11,7 km/h	10:33
11,6 km/h	10:34
11,9 km/h	10:35
13,4 km/h	10:36
10,4 km/h	10:37
9,8 km/h	10:38
6,8 km/h	10:39
8,5 km/h	10:40
10,4 km/h	10:41
7,3 km/h	10:42
10,9 km/h	10:43
11,1 km/h	10:44
10,2 km/h	10:45
7 km/h	10:46
6,4 km/h	10:47
7,6 km/h	10:48
7,9 km/h	10:49

 

Tabela 2: Conclusões Sobre as Medidas

CONCLUSÕES

Velocidade estimativa do vento: 12,2 km/h

Velocidade do vento aproximadamente de 18 km/h

Trajetória percorrida pelo barco: 3,58 km

Tempo percorrido no trajeto: 23 min e 45 segundos

Velocidade média do barco: 9,35 km/h

 

Quantos por cento da velocidade do vento é possível converter em velocidade do barco?

O barco consegue converter a velocidade do vento para velocidade do barco em aproximadamente 76,64%.

 

12,2 km/h ——- 100%

9,35 km/h ——- x

 

x≈ 76,64 %

 

Sobre o sistema de cordas e polias

 

O sistema de cordas e polias é essencial para o velejador, pois as forças que atuam na vela são muito intensas e torna muito difícil o deslocamento da retranca. Observamos isso em uma situação real no experimento do dia 05/03/2015 – Chácara Regina, barco do tipo laser -, na qual o professor Welber Miranda demonstrou a diferença da movimentação da retranca com e sem polias móveis. Portanto, são utilizados sistemas de polias móveis que servem para reduzir a quantidade de força aplicada pelo velejador. Assim, torna-se fácil o manuseio da retranca e é possível obter a melhor angulação para se ter o melhor desempenho do barco. Podemos observar as polias na própria retranca e na extremidade do barco.

Sobre a velocidade relativa

 

A velocidade escalar que uma das partículas possui em relação à outra (tomada como referência) é chamada de velocidade relativa(V_REL)

Admitindo o barco e o vento como duas partículas distintas podemos analisar a velocidade relativa de duas maneiras: Sentidos opostos e mesmo sentido.

Com o barco e o vento em sentidos opostos, tomando o barco como referência, é possível sentir no barco uma velocidade maior devido a velocidade relativa que, em sentidos opostos, é definida por

 

V_REL= |Va| + |Vb|

 

Diferentemente, na segunda análise, tomando o barco como referência novamente, o barco encontra-se no sentido da velocidade do vento. Então, a velocidade sentida no barco será quase nula devido a velocidade relativa que é definida por

 

V_REL= |Va| – |Vb|

 

Porém, a velocidade relativa não é totalmente nula devido a conversão de aproximadamente 76,64 % da velocidade do vento em velocidade do barco.

 

 

Referencial Teórico

Para embasamento de pesquisas e análises, tomaremos como referencial teórico o artigo “Experimental investigation of sail aerodynamic behavior in dynamic conditions” dos autores Fabio Fossati e Sara Muggiasca, “Journal of Sailboat Technology” Article 2011-02 (ISSN 1548-6559)

 

 

 

 

Metodologia

 

Fomos conhecer o local – Chácara Regina – que seria realizado o experimento. Analisamos, observamos todos os componentes do barco e como se comportava. Em seguida, construímos o anemômetro – equipamento utilizado para medir a velocidade do vento – que seria utilizado para as medições. Então, no dia 05/03/2015 realizamos todas as medidas necessárias para solucionarmos os problemas propostos: – Angulação do barco com a vela e do barco com o vento, velocidade do barco, velocidade do vento. Conseguimos obter a angulação obter através da comunicação telefônica entre o ajudante que estava com o piloto no barco e os outros componentes da equipe. A velocidade do barco foi calculada através do trajeto percorrido por ele e o tempo do percurso, na qual foi utilizado um aplicativo – RunKeeper – para fazer estas medidas. Além disso, o anemômetro foi verificado a cada 1 minuto e anotávamos as velocidades constadas no velocímetro. Então, fizemos uma velocidade estimativa – pois, havia muitas alternâncias por conta das condições climáticas – para termos uma base de estudo. Logo após, calculamos todos os dados necessários e comparamos com a literatura para testarmos a eficiência do nosso experimento.

 

Como Construir um Anemômetro

Materiais

• 1 Taco de sinuca
• 2 Rolamentos
• 1 Mandril
• 1 Parafuso
• 1 Disco de madeira
• 4 Pedaços de arame
• 4 Garrafas pet
• 1 Eixo de bicicleta
• 1 Velocímetro de bicicleta
• 1 Furadeira
• 1 Alicate

 

Modo de Preparo

1. Acople o rolamento ao eixo de bicicleta
2. Com a furadeira perfure o taco de sinuca de modo que encaixe o eixo da bicicleta e encaixe o mandril ao eixo.
3. Recorte o fundo das garrafas pet
4. Faça um furo central no disco de madeira e quatro furos menores ao redor do disco.
5. Fure cada garrafa pet, introduza um arame em cada uma delas, utilize o alicate para fixá-los.
6. Com as garrafas presas aos arames, encaixe o outro lado nos furos feitos ao redor do disco.
7. Encaixe um parafuso no furo central do disco e junte ao mandril.
8. Prenda o display do velocímetro ao suporte do anemômetro, coloque o imã no mandril e prenda o sensor do velocímetro a uma distancia de mais ou menos 3 milímetros.

 

Recursos

 

Para realizarmos as análises sobre o barco dispomos dos seguintes recursos:

Celulares (App RunKeeper), anemômetro caseiro, Barco à vela do tipo Laser, computador (Tracker Analysis), câmera filmadora, capa para celular a prova d’água.

 

Curiosidade

 

Sabia que existe um edifício em forma de vela?

 

O Bahrain World Trade Center é um complexo comercial localizado na cidade de Manama, capital do Bahrain, nas proximidades do Golfo Pérsico.

 

O edifício é composto por duas torres simétricas projetadas em forma de vela, com uma altura de 240 metros, e 50 andares. As torres são ligadas através de três pontes e cada uma tem anexado a sua estrutura uma turbina eólica gigantesca com 29 metros de diâmetro movidas pela energia do vento. As turbinas geram cerca de 225 kW máximos com ventos entre 15 e 20 m/s. O objetivo é que a brisa do Golfo Pérsico gere energia capaz de reduzir o consumo de energia elétrica do prédio em até 15%. Isso representa cerca de 1,3 mil MWh por ano, suficientes para iluminar 300 casas populares e deixar e emitir 55 toneladas de carbono anuais.

 

 

A Atkins, responsável pelo projeto do Bahrain World Trade Center projetou as torres de forma que o vento fosse afunilado para as turbinas, dando um perfil elíptico as torres, Dessa forma o vento seria distribuído uniformemente para as 3 turbinas, evitando assim, o desgaste da turbina mais alta, que captaria uma quantidade maior de vento se o edifício possuísse a forma comum. O objetivo do formato das torres é canalizar os ventos diretamente para as turbinas.

 

 

Referências

 

• LEITÃO, Ulisses Azevedo. “A física das Naus e Caravelas”, Disponível em <http://www.observatorio.ufmg.br/pas24.htm>.

• Velocidade Relativa. Disponível em <http://www.vestibulandoweb.com.br/fisica/teoria/velocidade-relativa.asp>
• Regra de Handicap para veleiros de oceano. Disponível em <http://www.avob.com.br/documentos/avob_regra_rgsdf.pdf>

• “Bahrain World Trade Center”. Disponível em <http://www.atkinsglobal.com/en-gb/projects/bahrain-world-trade-center>

 

 

 

 

 

 

Comentários (Dúvidas e perguntas)

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