Porque o navio não afunda ?

As perguntas mais simples são as mais complicadas, pois muitas vezes desafiam nossos sentidos. Eu vivo dizendo isso e não me cansarei de dizer. Vemos o mundo e tentamos entendê-lo, mas nossos olhos pregam peças na gente e o cérebro muitas vezes se recusa a aceitar a informação.

Muitas coisas são magníficas de se ver. Eu, por exemplo, adoro ver petroleiros e transatlânticos. Eles são um triunfo de nossa engenharia e engenhosidade. Mas algo no cérebro sussurra que não está certo. Sendo o navio (e chamaremos de "navio" qualquer embarcação marítima de grande porte) feito de aço, a pergunta que soa em nossos ouvidos é: "Como aquela bagaça flutua?" E a resposta do Mestre é "Procurai no Livro dos Porquês".

A vontade, o pensamento, isso é Poder! Acorde a minha mente para o grande saber!

Tudo começa com o conceito de "empuxo". O empuxo foi uma descoberta de Arquimedes, nascido nos idos do século 3 A.E.C. Conta a lenda (não comprovada) que o rei Hierão de Siracusa tinha mandado fazer uma coroa com certa quantidade de ouro. Mas ninguém é rei sendo idiota ou não dura muito como rei. Sendo assim, ele ficou com o pé atrás ao receber a coroa do ourives. Então, o que o rei faz?

1. Consulta a wikipédia.
2. Faz pesquisa online no twitter.
3. Manda um em-mail pro fale conosco do Ceticismo.net
4. Pergunta pro Arquimedes.

Infelizmente, o reino de Siracusa ainda usava Internet discada prestada pela OI e o smartphone de Hierão era da TIM e vivia fora de área^{Citation Needed}, dessa forma, ele não podia fazer busca no Google. Então a saída era dar trabalho pro Arquimedes, que parecia estar de boa vida sem fazer nada.

Arquimedes era um André, digo, um polimata. Era engenheiro, matemático, físico, desenhista, geômetra e gostava de ficar dando respostas mau-humoradas a qualquer um que pisasse em seus desenhos. Não sei nem como ele conseguiu viver tanto tempo. Quando alguém como Leonardo da Vinci pega projetos de Arquimedes para novos trabalhos, melhorando muito, muito pouco, percebemos a genialidade do sujeito nascido em Siracusa.

Assim, diz a lenda, historinha, conto apócrifo, whatever que Arquimedes foi tomar banho e, ao mergulhar na banheira, percebeu que a água transbordou. Assim, mais fantasiosa ainda essa parte da lenda, Arquimedes saiu peladão pela rua gritando "Eureka", que em grego significa algo como "Descobri UHUUUUUUUUUUUUUU". Então, Arquimedes constrói dois cilindros exatamente iguais e mergulha uma barra de ouro idêntica à primeira (pelo menos, o rei jurou que era) e a coroa (a joia e não a esposa do rei) na outra e anotou o valor do volume deslocado. Ficou-se comprovado que o ourives tinha roubado o rei, o rei ficou bolado, Arquimedes escreve seu nome na História e o ourives foi mandado para bater um papinho com Hades, depois de ter perdido a cabeça ou algo que o valha.

Eu, particularmente, duvido que a história tenha realmente sido assim, mas vamos deixar isso de lado. Arquimedes, como bom matemático, achou que sem fórmula não tem graça e qualquer ideia sem postulado é mais insosso que comida de quartel. Assim, ele criou o que hoje conhecemos por "Teorema de Arquimedes".

Todo o corpo que esteja imerso total ou parcialmente num liquido sofre a ação de uma força vertical para cima, chamada empuxo, cujo módulo é igual do peso, do fluído e o volume deslocado.

Quando mais água (ou qualquer outro fluido) for deslocado, maior será a força vertical de baixo para cima. Assim, um corpo precisa deslocar água para que essa força se equilibre com o peso do objeto; e quando eu falo em "peso", eu quero dizer o valor da massa do objeto multiplicado pela aceleração da gravidade, já que força se equipara com força e não com qualquer outra grandeza, como potencial elétrico, volume etc.

O empuxo é calculado pela equação abaixo:

E = d_ℓ . v_ℓ . g

Peraí! Por que densidade e volume estão lá?

Porque densidade é massa dividida por volume. Para se achar o valor da massa, basta multiplicar a densidade do corpo com o volume ocupado. g é o valor da aceleração da gravidade no local. Para mero efeito de conta, vamos assumir que a aceleração da gravidade é de 10 m/s².

Tomemos o exemplo de um bloquinho de ferro em formato de cubo com 1 m de aresta. Seu volume será de 1 m³. A densidade do ferro é de 7874 kg/m³. Assim, o peso do ferro é: P = d . v . g = 7874 . 1 . 10 = 78740 N ou 7,874 x 10⁴ N.

Portanto, o empuxo da água é este valor. Vamos ver quanto de volume é deslocado:

Substituindo os valores, temos que o volume de água que deveria ser deslocado é quase 8 vezes mais do que o volume do cubo de ferro. O volume de água que o bloco desloca é insuficiente para criar empuxo vertical e equilibrar a força-peso do bloco. Ele afunda.

Mas porque navios não afundam?

A resposta é simples, mas precisamos entender o navio de uma forma um pouco diferente. Quando vemos de fora um navio, vemos algo como isso aqui:

A parte enegrecida representa instintivamente toda a parte de metal, como se o navio fosse inteiramente um bloco gigantesco de ferro. Mas não é assim. Ele seria mais ou menos isso:

Uma "casca" de ferro com muitas áreas internas; mesmo porque, você viaja nele, você vai ao cinema, lojas, restaurantes, sala de musculação e tudo o que a moderna engenharia naval pode colocar lá dentro. A imensa maioria do espaço interno é ocupada por… ar. Logo, isso influi na densidade do navio como um todo, não podemos simplesmente usar como cálculo a densidade do ferro.

EWu teria, portanto, que “retirar” material até que as condições sejam propícias, isto é, quando o peso da peça seja leve o suficiente para que a água deslocada não cubra o corpo em análise. Nisso entram vários cálculos, como o formato do casco, por exemplo, o qual deve ajudar a espalhar a água de modo que possa receber empuxo vertical e oferecer menos atrito, o que economiza combustível e melhora a velocidade desenvolvida.

Muitas coisas são levadas em conta, como o posicionamento da casa de máquinas, alojamentos, ambientes diversos etc. O navio não pode ficar desequilibrado ou irá tombar de lado; e se isso fosse simples, não precisaria haver faculdade de engenharia naval.

A graça disso é como podemos trabalhar estes conceitos. Vemos que a densidade pode ser manipulada e se eu tirar e retirar “peso”, alterarei a densidade total do corpo. É nesse contexto que funciona o submarino.

O submarino é um grande tubo de metal que flutua, afunda e manda outros navios pro saco. Entre submarinistas existe um único conceito de navios, e estes têm apenas 2 tipos: submarinos e alvos.

O submarino altera sua densidade ao usar tanques de lastro que alteram como o submarino se comporta. Ao querer afundar, os tanques de lastro são inundados com água do mar. O submarino fica mais pesado, e levando em conta que o volume ocupado é o mesmo, sua densidade aumenta. O submarino desce. Ao bombear água do mar para fora, ele fica mais leve, e vem à tona. Isso é muito legal de estudar e você pode fazer seu próprio submarino.