Física na Veia!

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Mais Física por trás do acidente com os garotos da Tailândia
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

Cilindros de ar comprimido para mergulho   (Fonte: Pixabay)

Você tem ideia de quanto tempo dura um cilindro de ar comprimido destes que são usados em trajes de mergulho? Saberia como usar a Física para estimar este tempo?

O consumo de oxigênio, tanto pelos mergulhadores quanto pelos resgatados, deve ter sido um ponto bem crítico na operação de salvamento dos garotos da Tailândia. Concorda?

Se não faz a menor ideia, acompanhe o meu raciocínio.

Antes, um toque. Falei sobre a Física do resgate dos garotos da Tailândia no post anterior. Se ainda não leu, dá uma olhada lá.

 

Usando um modelo “furado”

Vamos imaginar um cilindro rígido de metal com 9 L de volume completamente cheio de ar comprimido a uma pressão de 200 atm. Um adulto em mergulho consome em média 40 L/min de ar. Vamos tratar esse valor como sendo um fluxo Φ de ar. Assim:

O tempo Δt de duração de um cilindro de ar com volume total ΔV = 9 L sendo consumido a uma taxa Φ = 40 L/min deve ser:

Opá! Tem algo errado aí! Um cilindro de mergulho não pode durar meros 13,5 s! Concorda?

Você consegue enxergar onde está o erro?

 

Usando um modelo mais adequado

No cilindro não temos apenas 9 L de ar. São 9 L de ar comprimido! Imagine que as moléculas do gás estão bem “socadas” lá dentro, forçadas a ficarem bem próximas, diminuindo os espaços vazios entre elas. Por isso mesmo a pressão interna no cilindro é altíssima, estimada em 200 atm, duzentas vezes maior do que a pressão normal do ar ao nível do mar. Assim, se pensar bem, vai concluir que tem muito ar dentro cilindro.

E tem outro detalhe crucial: se injetarmos ar a uma pressão de 200 atm na boca do mergulhador, certamente vamos explodir seus pulmões! Bem capaz até mesmo de estourar o crânio do cara! O ar não pode entrar no corpo de uma pessoa numa pressão assim tão alta! Concorda?

O segredo é usar um redutor de pressão. Com este dispositivo o ar sai do cilindro com pressão de 200 atm mas entra na boca do mergulhador a 1 atm, valor de pressão muito próximo ao que estamos acostumados a respirar. Dessa forma teremos as moléculas menos “apertadas”, ocupando um volume significativamente maior. E, na prática, isso significa mais ar para respirarmos. E mais ar significa maior autonomia do cilindro debaixo d’água.

Por simplicidade, vamos supor que o ar comprimido possa ser tratado com um gás ideal¹. Assim podemos usar a Lei Geral dos Gases Ideais derivada da Equação de Estado também conhecida como Equação de Clapeyron². E teremos:

Os índices “i” e “f” significam “inicial” e “final”, sendo a situação inicial àquela que corresponde ao gás dentro do cilindro e “final” ao gás fora do cilindro, pronto para ser respirado.

Supondo que o gás estará sempre na mesma temperatura, então Ti = Tf. A Lei Geral, para o caso de temperatura constante (transformação isotérmica) fica assim:

Substituindo os valores pi = 200 atm, Vi = 9 L e pf = 1 atm, podemos estimar o volume final Vf de ar respirável:

Resolvendo a expressão acima, encontramos o valor de Vf:

Note que 9 L de ar comprimido a 200 atm correspondem a 1800 L de ar respirável a 1 atm.

Conclusão: não há somente 9 L de ar para ser respirado e sim 1800 L!

1800 L de ar certamente propiciam uma duração bem maior do cilindro. De posse deste valor de volume de ar respirável podemos estimar o tempo Δt de duração (ou auonomia) do cilindro. Supondo que o fluxo de ar respirado seja Φ = 40 L/min e o volume total de ar disponível para respiração por nós calculado de ΔV = 1800 L teremos:

Agora sim! O cilindro, com as especificações consideradas, pode durar 45 min supondo taxa de consumo Φ = 40 L/min, valor bem razoável e bem próximo da autonomia real de um cilindro com esta suposta capacidade.

Um mergulhador experiente, que consiga controlar o fluxo respiratório, sem entrar em pânico, pode tentar baixar a taxa de respiração de Φ = 40 L/min para Φ = 30 L/min. Se conseguir, aumenta consideravelmente a autonomia do cilindro. Veja:

Respirando de forma mais calma e controlada, o mergulhador pode fazer o mesmo cilindro durar 60 min, ou seja, 1 h.

Percebeu a importância do controle da respiração para a autonomia durante um mergulho?

Foi por isso que resolveram sedar os resgatados no acidente da Tailândia, evitando pânico que poderia diminuir o tempo de uso dos cilindros de ar e até provocar afogamento. Veja detalhes no post anterior.


Mais uma vez reitero que a equipe de salvamento formada por mergulhadores tailandeses e outros mergulhadores estrangeiros foi muito inteligente e eficiente conseguindo controlar com muita segurança todos os fatores de risco da delicada operação de resgate. E por isso ela foi bem-sucedida!



¹ Na prática, para que um gás se comporte como ideal, deve ser monoatômico, estar em alta temperatura e baixa pressão. O ar não é monoatômico. E no cilindro está em altíssima pressão. Aqui estamos fazendo uma simplificação apenas apara termos uma ideia do valor a ser estimado que, certamente, terá um erro. Mas, para teremos uma noção da ordem de grandeza do tempo de duração do cilindro, está valendo.

² A Equação de Clapeyron é p.V = n.R.T onde o trio (p,V,T), as variáveis de estado, são p (a pressão exercida pelo gás), V (o volume por ele ocupado) e T (a temperatura absoluta do gás). R é uma constante física. E n o número de mols.


Este texto também foi publicado no Física na Veia! (Steemit) neste link.

Para ler


Já publicado no Física na Veia!

* Post na plataforma antiga do blog


A Física por trás do acidente com os garotos da Tailândia
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

O mundo inteiro, desde a semana passada, está impactado pela história dos doze garotos tailandeses de um time de futebol amador e seu técnico, também bastante jovem, todos presos dentro de uma caverna de um complexo de inúmeras cavernas e túneis que foram inundados pela chuva. Nem preciso me aprofundar em detalhes porque você certamente leu e ouviu falar nas diversas mídias sobre o pavoroso acidente.

Aproveito o final feliz da história encerrada ontem com o resgate seguro de todos para, como físico e professor, passar alguns conceitos científicos presentes no cenário do acidente. Física contextualizada, você sabe, é a tônica editorial do Física na veia!

Vasos comunicantes

Antes de tudo precisamos entender o que são vasos comunicantes. O nome já nos dá uma boa pista, não dá?

A figura a seguir ilustra um arranjo de vasos de formatos diferentes, todos interligados. Em outras palavras, vasos que se comunicam, ou simplesmente vasos comunicantes. A ideia é encher os tubos com água vinda de uma torneira.

Note que todos os vasos estão abertos no topo de tal forma que o ar de dentro deles está em contato com o ar de fora ou, se preferir, com a atmosfera local. Logo, tanto o ar de dentro quanto o ar de fora de cada tubo exerce a mesma pressão que equivale à pressão atmosférica local.

Podemos escolher qualquer um dos vasos para injetar a água no sistema. Na figura optei pelo primeiro tubo (ou vaso), o da esquerda. Num certo instante, depois de aberta a torneira, a água dentro dos vasos terá a configuração mostrada abaixo.

Na medida em que o líquido vai sendo despejado, todos os vasos vão sendo igualmente preenchidos.

Qualquer vaso que for escolhido para injetar água no sistema produzirá o mesmo efeito. Você pode até mesmo alimentar o sistema por mais de uma torneira instalada em vasos diferentes. Sempre haverá alguma turbulência com a entrada de água. Mas, se você fechar a(s) torneira(s) e deixar o sistema entrar em equilíbrio, em segundos verá que a água para de se mover e fica no mesmo nível horizontal em todos os tubos.

Tal fenômeno se deve ao Princípio de Stevin que, para dois pontos A e B imersos num mesmo líquido em equilíbrio, afirma que:

A pressão pB no ponto mais profundo B é igual à pressão pA no ponto mais alto A acrescida da pressão exercida pela coluna de líquido e também chamada de pressão hidrostática.

Demonstra-se que a pressão hidrostática exercida por uma coluna de líquido vale d.g.h onde d é a densidade do líquido, g a gravidade local e h o desnível entre os dois pontos nos quais estamos mensurando a pressão. Assim, o Princípio de Stevin nos diz que:

pB = pA + d.g.h

Aplicando o Princípio de Stevin aos vasos comunicantes descrito acima, teremos:

Olhando a figura acima e usando a ideia de que em pontos imersos no mesmo líquido e no mesmo nível horizontal temos o mesmo valor de pressão, concluímos que:

pA = pA’ = pA’’ = pA’’’ = pA’’’ = patm.

Concluímos também que:

pB = pB’ = pB’’ = pB’’’ = pB’’’ = patm + d.g.h.

Se a água nos diversos tubos ficasse em alturas diferentes, teríamos pressões de valores diferentes em pontos de mesmo nível horizontal. Mas, segundo o Princípio de Stevin, na natureza isso não é permitido. Por isso, ao colocarmos água (ou qualquer outro líquido) nos vasos comunicantes, o nível subirá e se manterá igual em todos os vasos (ramos). Entendido?

Pedreiros e o Princípio de Stevin

Pedreiros, quando querem definir o nível horizontal para construir um muro, por exemplo, usam uma longa mangueira contendo água. Suspendendo as duas extremidades da mangueira, constroem um sistema que corresponde a dois tubos verticais interligados, ou seja, dois vasos comunicantes. O nível de água deverá ser o mesmo nos dois tubos abertos para a atmosfera. Assim, dois pontos horizontalmente distantes mas alinhados com o nível da água nos dois extremos do tubo estarão, com certeza, na mesma horizontal. Amarrando um barbante que ligue estes dois pontos, os pedreiros conseguem uma linha perfeitamente horizontal (linha de nivelamento). A ilustração abaixo, retirada da cartilha dos pedreiros, disponível aqui em PDF, nos mostra esse “truque” genial com base na Hidrostática, particularmente no Princípio de Stevin.


h = altura definida, x = altura nivelada, e = diferença de alturas, A = ponto de partida, B = ponto nivelado; ligando A e B temos uma horizontal perfeita

O cenário real na Tailândia e os vasos comunicantes

Representação do complexo de cavernas e tuneis na Tailândia (Fonte da imagem original)

 

O time de jovens jogadores de futebol na Tailândia, para fugir de uma tempestade, abrigou-se numa caverna. Mas a água foi entrando na caverna, obrigando-os a se afastarem cada vez mais do ponto de entrada.

Ocorre que ali na região há um complexo de cavernas ligadas por tuneis, o que na Hidrostática, parte da Física que estuda o equilíbrio de fluidos, se encaixa bem no cenário dos vasos comunicantes descrito acima.

A água da chuva entrou pela primeira caverna e foi percorrendo os tuneis e penetrando noutras câmaras, preenchendo os espaços vazios, obrigando os garotos e o técnico do time a irem cada vez mais para dentro do complexo.

Por sorte, num dado ponto, numa determinada câmara, o nível da água se estabilizou. Viva o Princípio de Stevin! E eles puderam ficar abrigados em terra firme, ainda que presos dentro da câmara, com ar respirável, até serem encontrados e posteriormente resgatados.

Fisicamente, é possível haver uma caverna submersa, abaixo do nível superior de água, mas com ar respirável. Veja:

Caverna submersa com atmosfera respirável

A pressão do ar dentro da caverna (pB’) é a mesma no ponto B (pB). E, pelo Princípio de Stevin, pB’ = pB = pA + d.g.h = patm + d.g.h. Desde que o desnível h não seja muito grande, a pressão do ar dentro da caverna (pB’) será ligeiramente superior à pressão atmosférica local (patm) e o ar, dentro da caverna, será perfeita e confortavelmente respirável. A rigor, a cada 10 m que descemos na água, a pressão hidrostática (d.g.h) aumenta o equivalente a 1 atm = 1.105 Pa (Pa lê-se pascal que é o mesmo que newton por metro quadrado, N/m²).

O real problema dos garotos tailandeses e seu técnico é que as cavernas e tuneis, o que tecnicamente estamos chamando de vasos comunicantes, ficaram permanentemente cheios d’água depois da chuva. E todos acabaram ficando presos no fundo do complexo sem poder voltar a não ser percorrendo enorme trecho submerso. Impossível sem equipamentos de mergulho! A água acumulada no complexo teria que evaporar para abrir caminho para eles voltarem para a entrada da caverna. Mas isso demoraria um tempo enorme. Para piorar a situação, num ponto bem específico do trajeto há uma espécie de estrangulamento do túnel que liga as câmaras. A passagem estreita representa perigo ainda maior até mesmo para quem veste traje especial de mergulho.

Mergulhadores, experientes, percorreram os tuneis e câmaras e encontraram os jogadores e seu técnico completamente isolados. Puderam voltar para levar suprimentos para o grupo, mantendo todos em boa segurança e condições de saúde. Mas como leva-los de volta?

Surgiu outro problema: ninguém sabia usar equipamento de mergulho! Em tempo recorde os mergulhadores teriam que treinar os garotos e seu técnico para usarem trajes de mergulho, aprendendo a respirar por tubos de oxigênio debaixo d’água.

Por segurança, diante do pequeno tempo para treinar o pessoal para mergulho seguro, os socorristas resolveram sedar os resgatados e colocá-los em macas flutuantes rebocáveis. A ideia era evitar que um resgatado entrasse em pânico em algum ponto mais crítico do caminho, o que poderia acarretar afogamento e, na melhor das hipóteses, aumentar o ritmo respiratório comprometendo o consumo de oxigênio. Optaram também por usar um tipo de “máscara de pressão” que se acopla em toda a face e, caso a água entre na máscara, por pressão ela é imediatamente expulsa. Durante o trajeto, os mergulhadores tinham como monitorar a respiração e o consumo de oxigênio dos resgatados, podendo inclusive controlar o fluxo de ar, equilibrando o consumo.

Correndo contra o tempo, e com a previsão de novas chuvas no local nos próximos dias, quando os socorristas tiveram segurança de que poderiam começar o resgate, veio a parte mais incrível: um a um, todos os treze acidentados foram rebocados de volta nas macas flutuantes, devidamente “embalados”, puxados por mergulhadores por baixo d’água num grande trajeto em sua maior parte submerso. A travessia de volta durou em média 4 h.

Para complicar um pouco mais o cenário, a água das chuvas acumulada nos tuneis e cavernas estava suja, turva, complicando a visão no ambiente submerso. Os mergulhadores tiveram a genial ideia de esticara cordas fluorescentes debaixo d’água para demarcar o trajeto correto garantindo que ele seria sempre feito no menor tempo possível e com a máxima segurança.

Imagina só a delicadeza da operação. Em tempo recorde todos os detalhes do salvamento foram estudados e todos os problemas muito bem resolvidos! Sensacional, não?!

Tão grande era o risco da operação que um dos mergulhadores, dos mais experientes da equipe de salvamento, infelizmente perdeu a vida logo no começo da operação.

Mas, no final da história, todos os 13 ilhados foram salvos!

Esse tipo de acidente nos faz pensar na fragilidade das nossas vidas. O salvamento, delicado, de alto risco, nos mostra o quão inteligentes podemos ser se, pela ciência, dominamos as leis da natureza para enfrentarmos as adversidades gigantescas do nosso planeta.

Final feliz! E, se você está se perguntando “porque este texto demorou tanto a ser escrito?”, ainda mais num mundo onde as notícias trafegam em tempo real, a explicação é simples: respeito! Não gosto de blogar em cima da desgraça de outros, ainda que para ensinar Física. Esperei o final feliz, para ensinar e comemorar!

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Os resgatados passam bem e estão em observação, em quarentena Fonte


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