A ciência das coisas banais

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

^{Texto: Guilherme Eler | Foto: Dulla | Design: Yasmin Ayumi | Edição: Ana Carolina Leonardi} 

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.

O suicídio ornamental de uma gota d'água

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.

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.