Cerveja estupidamente gelada

Eu fico muito feliz quando recebo comentários neste blog, feitos por grandes amigos que me prestigiam em cada postagem que faço. Com suas bem colocadas opiniões sobre diversos assuntos de nosso interesse comum, acabamos trocando ideias, e não raras vezes aprendemos uns com os outros.

Estupidamente congelada
Outro dia eu estava conversando aqui com um amigo, na seção de comentários da postagem sobre o tempo de reação, em que eu dizia como a reação se torna mais lenta quando uma pessoa se encontra alcoolizada, e foi então que surgiu uma pergunta a respeito de um fato que ocorre comumente, quando alguém segura inadvertidamente uma garrafa de cerveja, a qual encontra-se no ponto que chamamos de estupidamente gelada. Se uma pessoa sem experiência, ou que seja novata na arte da apreciação desta bebida, segura e abre a garrafa de maneira inapropriada, acaba fazendo com que o precioso líquido interior se congele e estrague o prazer dos demais amigos do grupo, que aguardavam ansiosos para degustar a "loira gelada" em um momento de descontração de uma tarde, após os estresses que fazem parte do cumprimento dos deveres durante a semana.

Estado Metaestável
Para entendermos por que ocorre este repentino e inesperado congelamento, temos primeiramente que entender o conceito de estado metaestável. Dentre tantas definições que encontrei, gostei particularmente de uma feita pela Wikipedia. Lá tem também uma figura que achei bem didática para compreendermos da forma mais simples possível o que ocorre neste caso. Leia:

“Um estado metaestável corresponde a qualquer estado do sistema diferente do estado de equilíbrio mais estável – diferente do equilíbrio termodinâmico – que tenha consigo associado uma restrição que impeça a transição imediata deste para o estado mais estável sem alguma perturbação significativa de origem geralmente externa ao sistema. O sistema pode assim permanecer por longos tempos no estado metaestável sem transitar para o estado mais estável. Contudo, presente a influência externa – ou interna adequada – o sistema irá transitar para o estado mais estável.”
 
Representação clássica unidimensional de um sistema com um estado metaestável (1), um estado instável (2) e um estado estável (3). A bolinha é assumida estática em cada um dos pontos indicados. No eixo vertical tem-se a altura, diretamente relacionada à energia potencial do sistema - que corresponde, no caso representado, à energia total do sistema - e na horizontal, a posição espacial da bolinha ao longo da rampa.
  
O caso da cerveja
Vou fazer então agora a comparação desta definição dada pela Wikipedia com o caso em que estamos estudando, que é o súbito congelamento indesejável da cerveja. O que ocorre é que o líquido, em determinadas condições, está a uma temperatura muito próxima do congelamento, ou até mesmo abaixo deste ponto, considerando as condições de pressão a que se encontra. Fazendo uma analogia com a figura acima, podemos dizer que neste caso a cerveja já deveria estar congelada, o que seria o estado correspondente à posição 3 no gráfico - um estado estável para ela. No entanto, ela ainda se encontra no estado correspondente à posição 1 no gráfico - em um estado metaestável - e ainda na forma líquida, bastando que um pequeno balanço, movimento brusco, ou um contato com temperaturas um pouco mais elevadas, faça com que ela adquira energia suficiente para que se eleve à posição 2, ultrapassando a barreira que a impedia de chegar rapidamente à posição 3 (congelada).  

Como evitar?
Os mais experientes apreciadores deste derivado da cevada, já tendo passado por situações como estas, desenvolvem cada um ao seu modo, técnicas que podem evitar este infortúnio. Alguns seguram delicadamente a garrafa, de preferência apenas pela tampinha ou na ponta do gargalo, para em seguida abri-la cuidadosamente. Outros passam antes a mão no fundo da garrafa, o que pelo que li, se tornou apenas um mito que não resulta em nenhum benefício prático. O fato é que, se o primeiro procedimento for adotado, segurando-se apenas na ponta do gargalo, abrindo-a com muito cuidado, e em seguida despejando-a bem lentamente, pode-se obter sucesso, e assim todos poderão tomar a cerveja no ponto limite do gelado, apesar de que os entendidos dizem que desta forma não se consegue distinguir apropriadamente o paladar dos diferentes tipos de cervejas. Eles recomendam que para os que desejam apreciar devidamente esta bebida alcoólica tão popular no mundo, a bebam a uma temperatura entre 6°C e 10°C. 

Efeitos da cerveja
Apesar de eu também apreciar uma cervejinha nos finais de semana, me sinto no dever de alertar as pessoas para os efeitos do abuso do álcool. Sou a favor de que se criem penalidades mais severas aqui no Brasil para os motoristas que são pegos embriagados ao volante, pois nós estamos sujeitos a sermos vítimas de um cidadão irresponsável, que pode acabar com nossas vidas ou de alguma pessoa querida mais próxima de nós. Preparei uma tabelinha com os efeitos do álcool. O problema é que estes efeitos podem variar de pessoa para pessoa, e dependem do organismo de cada indivíduo, e até mesmo do estado psicológico de cada um. Dizem que algumas pessoas, com apenas alguns copos de cerveja, se estiverem cansadas ou mal alimentadas, já podem perder bastante a atenção no trânsito.

Uma garrafa de 600 ml, resultaria em 0,2 a 0,25 gramas de etanol por litro de sangue, com estômago vazio,  e 0,1 a 0,15 gramas por litro de sangue, após uma refeição mista.

Fonte:
http://fisicomaluco.com/wordpress/2007/06/21/porque-a-cerveja-se-congela-ao-abrir/

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Usain Bolt e o tempo de reação

Tempo de reação de uma pessoa é definido como o tempo gasto para que ela reaja a um estímulo, que pode ser visual, sonoro, tátil, ou até mesmo olfativo. Usando-se apenas uma régua e fórmulas da Física, é possível obter o tempo de reação visual de uma pessoa, medindo-se a distância que a régua desce, a partir do momento em que é solta por uma outra pessoa. Veja a experiência nesta figura, obtida da página Ciência à mão, elaborada pelo professor Magno, que pode se acessada clicando aqui

A lenta reação de Usain Bolt.
O jamaicano Usain Bolt (foto), atual detentor do recorde mundial dos 100 metros rasos, com o tempo de 9,58 s, obtido em 2009, no Campeonato Mundial de Berlim, tem um tempo de reação muito ruim quando comparado a outros atletas. Se ele conseguisse melhorar este tempo, associando a outras condições favoráveis, Bolt poderia chegar a uma marca que iria representar o limite máximo possível para um ser humano. Vamos analisar alguns dados referentes a esta questão.
O gráfico a seguir mostra os tempos de reação de 425 velocistas das provas masculinas, durante os Jogos Olímpicos de Pequim, realizados em 2008.
Tempo de reação de 425 velocistas, nas Olimpíadas de Pequim [*]
Repare que a média situa-se aproximadamente na faixa entre 0,15 s e 0,20 s, mas há alguns atletas que conseguiram um tempo excepcional, com menos de 0,15 s.

O tempo total de um velocista, na prova dos 100 metros rasos, pode ser dividido em duas partes: o tempo de reação e o tempo que ele percorre efetivamente a distância correndo.

Tempo total medido  =  tempo de reação + tempo de corrida.

Os atletas são penalizados se eles reagem aplicando uma pressão de seus pés nos blocos presos ao chão em menos do que um décimo de segundo (0,10 s) antes do tiro de largada, o que caracteriza uma falsa largada.
Notadamente, Bolt tem uma das mais lentas reações, comparando com os melhores velocistas. Ele foi o segundo mais lento de todos os finalistas de Pequim, e o terceiro mais lento de Berlim, quando correu em 9,58 s. Os tempos de reação e corrida para todos os finalistas de Berlim estão mostrados na tabela ao lado[*]. Note que Chambers chegou junto de Burns, mesmo tendo sido mais lento no tempo de corrida.
O problema que Bolt pode encontrar nas Olimpíadas de Londres, este ano, pode ser parecido com o que encontrou no ano passado, no Campeonato Mundial, quando, na expectativa de largar rapidamente, iniciou a corrida 0,104 s antes do tiro de largada, e por causa disso foi desclassificado da prova. Note que se fossem considerados os milésimos de segundo, ele estaria dentro do permitido, o que fez com que algumas pessoas questionassem na época até que ponto as regras neste caso seriam coerentes.

Limite de velocidade de um ser humano
Para que Bolt pudesse melhorar ainda mais a marca correspondente ao recorde mundial, o velocista teria que ter a seu favor, a baixa resistência do ar, devido principalmente a dois fatores básicos:
  •  velocidade do vento,
  •  altitude elevada do local da prova,
Estes fatores devem estar dentro do limite máximo permitido para que o recorde possa ser considerado oficial. 
Os atletas podem receber a ajuda da velocidade do vento a favor deles nas provas, desde que esta velocidade não ultrapasse o valor de 2 m/s.
Estima-se que se a  velocidade do vento estivesse em 0,9 m/s a favor de Bolt, ele poderia diminuir em 0,06 s o recorde de Berlim.

Um terceiro fator, além do tempo de reação e da velocidade do vento, e que poderia ajudar o velocista seria a altitude do local da prova. Para que o recorde seja validado, a prova deve acontecer em um local a menos de 1.000 m de altitude, pois como se sabe, a densidade do ar diminui muito em locais elevados, e portanto a resistência do ar também fica bem menor, possibilitando que os atletas encontrem maior facilidade para correr.

Se Bolt pudesse correr em um local com altitude no limite dos 1.000 m, ele poderia reduzir o tempo em 0,03 s ,e se o atleta conseguisse reduzir o seu tempo de reação para possíveis 0,10 s, o recorde passaria a 9,48 s. Associando velocidade do vento a favor e altitude máxima legal permitida, o tempo poderia baixar para 9,45 s.  Na verdade, o que se conclui é que ainda estamos longe de atingir a marca que definiria o limite máximo possível para a velocidade de um ser humano.

Nas Olimpíadas de Londres de 2012, a altitude é praticamente ao nível do mar, e portanto, Bolt teoricamente só poderia quebrar seu recorde se arriscasse uma largada antecipada no limite do permissível, e ainda assim mantivesse ou melhorasse o tempo de corrida que ele conseguiu em Berlim.

Referências:
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Titanic: 100 anos depois

No dia 14 de Abril de 1912, um Domingo, às 11:40 da noite, o Titanic chocou-se com um iceberg no mar gelado do Atlântico Norte, afundando em menos de três horas, e matando cerca de três quartos das 2.224 pessoas que estavam a bordo.

Este mês, em que se completa 100 anos da tragédia, o escritor científico Richard Corfield, em um artigo publicado na Physicsworld.com,  nos revela que o acidente pode não ter ocorrido tão somente devido a uma série de erros e acontecimentos que propiciaram uma perfeita sequência de circunstâncias que levariam o navio ao seu destino final, mas também em parte por uma negligência da ciência usada pelos seus construtores, bem como devido a alguns fatores físicos, envolvendo o clima - que afetou as correntes marítimas - e até mesmo uma influência das posições do Sol e da Lua nas marés oceânicas. Eu resolvi fazer aqui um resumo e adaptação do texto de autoria de Corfield, para que os leitores do blog possam compartilhar.

Por que o Titanic afundou tão rapidamente?

Esta é uma das principais perguntas que se faz sobre este acidente. Afinal de contas, se houvesse mais tempo, muitas vidas poderiam ter sido poupadas pela chegada de outros navios de resgate.
O Titanic incorporava o que havia de mais moderno em tecnologia para a época, com o intuito de garantir a sua segurança. Por exemplo, ele foi um dos primeiros a ter divisórias transversais seladas, que cruzavam toda a embarcação perpendicularmente ao eixo longitudinal, com portas operadas eletricamente, e que poderiam ser fechadas a qualquer momento, evitando que a água passasse de um compartimento para outro.
O casco era feito de aço macio (aço com um teor máximo de carbono de 0,35%, manganês 0,7% e 0,5% de silício) e as placas que o compunham eram mantidas unidas por três milhões de rebites de aço e ferro forjado. Apesar de os rebites de aço serem mais fortes do que os de ferro forjado, por razões técnicas e também econômicas eles só foram usados em três quintos do comprimento do navio, na parte central do casco, em que não há curvaturas muito acentuadas, o que veremos com mais detalhes adiante.

Os fatos físicos
Há um aspecto do desastre do Titanic que ficou evidenciado a partir do momento em que o navio bateu no iceberg: Se mais de quatro dos 16 compartimentos em que o espaço interior do Titanic foi dividido fossem inundados, o navio não poderia permanecer à tona. O projetista do Titanic, Thomas Andrews estava a bordo e foi convidado pelo capitão Edward Smith para acompanhá-lo a fim de avaliar os danos causados imediatamente após a colisão. Quando Andrews observou o estrago, alertou Smith de que como havia seis compartimentos rompidos, o Titanic certamente iria afundar.
A ciência por trás do naufrágio do Titanic teve de esperar 90 anos para ser explorada. Seus destroços no fundo do mar foram descobertos pelo submergível Alvin durante uma expedição franco-americana em 1985, na qual se destacava o oceanógrafo e arqueólogo Robert Ballard.

Uma primeira tentativa de explicar a causa do naufrágio rápido do Titanic foi relacionada a testes físicos no aço usado nas placas do navio. Testes preliminares feitos por metalúrgicos no Canadá sugeriram que o aço das placas de seu casco tornava-se frágil a cerca de 32°C. Isto contrasta com os aços modernos, onde a temperatura  de transição dúctil-frágil é de -27°C. No entanto, testes mais sensíveis que foram realizados, e que se aproximam mais das características do impacto do Titanic com o iceberg, sugerem que o aço do chapeamento do navio foi suficiente para dobrar-se, ao invés de fraturar. Em meados de 2000, dois metalúrgicos, Tim Foecke, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA, e, em seguida, Jennifer Hooper McCarty, da Universidade Johns Hopkins, também dos EUA, concentraram a atenção sobre a composição dos rebites do Titanic. Eles combinaram a análise metalúrgica com uma varredura metódica através dos registros da Harland and Wolff, em Belfast, estaleiro onde o Titanic foi construído. Combinando análise física e histórica, eles descobriram que os rebites que fixavam as chapas de aço leve do casco do Titanic, não eram de composição uniforme ou de qualidade, e não tinham sido inseridos de maneira que ficassem igualmente espaçados uns dos outros.
Foto dos rebites usados na construção do Titanic
Especificamente, Foecke e McCarty descobriram que os rebites da parte da frente e os da parte traseira, correspondentes a dois quintos do comprimento total do casco, eram de qualidade inferior quando comparados aos usados na parte do meio do casco, e além disso, tinham sido inseridos manualmente. A razão para isto é que, no momento da construção do Titanic, as prensas hidráulicas usadas para inserir os rebites no meio do casco, e que correspondiam a três quintos do navio, não podiam operar em lugares onde a curvatura do casco era muito acentuada, isto é, nas pontas da embarcação. Além disso,  pode ter ocorrido simplesmente uma redução de custos.
Os rebites de qualidade inferior eram mais baratos, mas tinham uma maior concentração de impurezas, conhecidas como "escória". Esta maior concentração de escória significava que os rebites estariam particularmente vulneráveis às tensões de cisalhamento - justamente o tipo de impacto que foram submetidos naquela noite de Abril de 1912. Testes de laboratório demonstraram que nas cabeças destes rebites podem ter surgido pressões extremas, que teriam permitido que as placas de aço se soltassem no casco, expondo suas câmaras internas ao ataque das águas.

Efeitos das correntes oceânicas
Finalmente, há uma nova reviravolta para a ciência que explica a razão pela qual o Titanic naufragou. Os icebergs do Atlântico Norte são provenientes da costa da Groenlândia, e em seguida circulam no sentido anti-horário através da Corrente do Labrador, antes de atingirem o Atlântico Norte, na costa de Newfoundland. Lá eles são levados pela Corrente do Golfo na direção norte-leste, em sua longa jornada até as margens do noroeste da Europa. Veja no mapa:



















Há diferenças significativas de temperaturas e densidades entre essas duas correntes, e quando elas são mais pronunciadas - por exemplo quando a Corrente do Golfo está mais quente do que o normal - os icebergs tendem a ser encurralados em uma linha aproximadamente reta ao longo do eixo da interface limite. Em outras palavras, eles formam uma barreira de gelo. Richard Norris, do Instituto Scripps de Oceanografia, em San Diego, Califórnia, diz: "1912 teve um verão excepcionalmente quente no Caribe, e assim a Corrente do Golfo foi particularmente intensa naquele ano. Oceanograficamente, o resultado disso foi que os icebergs se concentraram muito próximos de onde ocorreu a colisão."

Conspiração dos Astros

Uma nova pesquisa levanta a possibilidade de que as influências celestes conspiraram para condenar o Titanic. Os astrônomos Donald Olson e Russel Doescher da Universidade de San Marcos, no Estado do Texas, publicaram este mês suas descobertas sobre um evento extraordinário em 4 de Janeiro de 1912, três meses antes do desastre. Nesse dia o Sol estava alinhado com a Lua de uma maneira que aumentava sua atração gravitacional, causando marés acima do normal. Isto não é nada excepcional por si só. Mais notável foi que no mesmo dia de 1912, a Lua encontrava-se em sua máxima aproximação da Terra em mais de 1400 anos - em outras palavras, o seu efeito de levantamento das marés estava no auge. Além disso, a Terra tinha alcançado sua posição mais próxima do Sol - o periélio - no dia anterior. À primeira vista, é difícil imaginar como uma maré excepcionalmente alta pode ter afetado o Titanic mais de três meses depois. As vias de navegação do Atlântico norte foram recheadas com icebergs em abril, mas se a maré alta fez com que novos icebergs se soltassem na Groenlândia, em janeiro, eles teriam que viajar extraordinariamente rápido para então chegar até lá. Entretanto, os icebergs podem ter vindo de uma fonte mais próxima. Quando icebergs passam pelo Mar do Labrador, muitas vezes ficam presos em águas rasas e podem levar vários anos para que sejam desalojados e continuem sua jornada em direção ao sul. Escrevendo na edição de abril da Sky & Telescope, Olson e Doesher sugerem que a maré alta em janeiro de 1912 poderia ter dado à muitos icebergs aprisionados, a flutuabilidade que precisavam para se soltarem do subsolo marinho e continuarem as suas viagens rumo ao local do futuro cemitério do Titanic.

Eventos em cascata
Que conclusões podemos tirar dos acontecimentos de 14 de Abril de 1912, um século após o Titanic ter afundado? Primeiro, não há dúvida de que houve falhas na escolha dos materiais para a construção do navio. As placas de aço da época podem ter sido inadequadas para serem usadas naquelas baixas temperaturas, e justamente os rebites que prendiam as chapas que rasparam no iceberg eram de qualidade inferior. Em segundo lugar, vários erros foram cometidos pela tripulação durante o trajeto da viagem: a ausência de um binóculo para observação; a decisão do comandante Smith em manter a velocidade elevada, apesar dos inúmeros avisos de icebergs na região; atraso dos operadores de rádio na obtenção de informações cruciais para os oficiais; e, claro, a falta de botes salva-vidas em quantidade suficiente. Depois, há os de matemática e física da colisão: seis compartimentos inundados quando, se tivessem sido apenas quatro, o navio não teria afundado. E, finalmente, houve a interação complexa de duas correntes de água, bem como a maré extraordinariamente alta três meses antes, que concentrou icebergs formando uma perigosa armadilha. Não foi um único motivo que levou o Titanic ao fundo do Atlântico Norte. Pelo contrário, o navio foi conduzido por uma perfeita tempestade de circunstâncias que conspiraram para a sua desgraça.
Esta cadeia é familiar para aqueles que estudam desastres - ela é chamada de "cascata de eventos". O melhor planejamento do mundo não é capaz de eliminar todos  os fatores que podem impactar negativamente no projeto e operação de uma máquina complicada, como um enorme navio de passageiros. Eventualmente, e, ocasionalmente, estes fatores individuais podem se combinar em uma "cascata de eventos" tornando-a demasiadamente longa e complicada o suficiente para que a tragédia não possa ser evitada.

A colisão
O diretor do filme Titanic, James Cameron, que é bacharel em Física pela Universidade da Califórnia,  foi muito fiel ao demonstrar como o acidente ocorreu. Na cena da colisão, é interessante prestar atenção particularmente no instante em que é dado o comando para que as hélices invertam o sentido de rotação. Nota-se que uma delas (justamente a do meio) permanece apenas em "marcha lenta", e não inverte o sentido. Esta hélice central não poderia mesmo ter o seu sentido invertido, pois era acionada por uma turbina de baixa pressão, do tipo Parson. Cameron quis mostrar nesta cena, justamente uma limitação no sistema de propulsão, em caso de emergência, e que prejudicou a diminuição da velocidade do navio naquele momento. No entanto, o leme que dá direção ao navio teria sido mais eficaz se o fluxo laminar de água, criado pela hélice central, não tivesse sido interrompido com sua parada. Isto pode ter diminuído severamente a capacidade do navio virar. Se o primeiro oficial Murdoch não tivesse dado a ordem para a sala de máquinas, para reduzir e, em seguida, reverter o impulso, talvez o navio tivesse virado a tempo de evitar a colisão.

Fontes:
http://physicsworld.com/cws/article/print/2012/apr/02/the-perfect-stor
science20.com/lawsphysicsdidnotgetmemoabouttitanicbeingunsinkable

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