Energia eólica

Devido ao grande  aumento no consumo de energia elétrica no Brasil ao longo das últimas décadas, atualmente, o nosso país sente a necessidade de ampliar - e diversificar -  a sua matriz energética, para suprir a demanda e garantir o abastecimento.

Seria bom se as pessoas se interessassem em obter cada vez mais informações sobre este assunto, para também saberem na hora certa (das eleições), escolher adequadamente os governantes, de acordo com as ideias e modelos de desenvolvimento que eles defendem na área de energia, e evidentemente, fazerem a cobrança depois, principalmente se aqueles que escolheram forem eleitos. 

Professor: Mas onde eu vou usar isso?
Algumas vezes, quando um aluno me pergunta para que vai servir as matérias que nós, professores, ensinamos, ou pelo menos tentamos ensinar, isso parece-me indicar que não estamos conseguindo mostrar a eles o significado do aprendizado como um todo. Os jovens, ao final do ensino médio, deveriam ser capazes de perceber que é necessário adquirir um conjunto de conhecimentos envolvendo as várias disciplinas, para que possam pelo menos participar adequadamente na escolha daqueles que irão determinar a adoção de uma ou outra política no nosso país, seja no setor energético, cultural, econômico, social, ou outro qualquer.

 Em outras palavras, eu estou querendo dizer também que, na minha matéria, ensinar um jovem a selecionar a fórmula certa para calcular, por exemplo, a tensão entre os terminais de um resistor, conhecidas a resistência e a corrente elétrica que o atravessa (U=R.i), é tão - ou menos -  importante quanto mostrar as vantagens e desvantagens das várias formas de obtenção de energia elétrica atualmente existentes. De minha parte, tenho tentado fazer as duas coisas ao mesmo tempo.

Usinas eólicas e suas potências
Dentre as opções que temos, a energia eólica, a conhecida energia obtida dos ventos, tem sido muito citada ultimamente, e se tornou a menina dos olhos dos ambientalistas. Gostaria de colocar neste post, apenas alguns dados recentes sobre o assunto, que podem acrescentar outras visões à forma como temos encarado esta opção de transformação de energia. 
Para iniciarmos, veja esta resposta dada no site do Ministério das Minas e Energia, na seção "Perguntas frequentes":

Quais as regiões mais propícias à instalação de aerogeradores?

 De acordo com o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, a região mais propícia à geração eólica, no Brasil, é o Nordeste, com potencial de 75 GW. Em seguida vêm a região Sudeste, com potencial da ordem de 29,7 GW, e a região Sul, com 22,8 GW.

Nota-se que a região Nordeste responde por mais da metade do potencial nacional desta modalidade de energia. No Atlas citado na resposta, encontrei uma fórmula para calcular a potência ( P ) de um gerador eólico:

ρ - representa a densidade do ar, que varia com a altitude e a temperatura do local.
Ar -  representa a área (circular) varrida pela hélices.
ѵ -  representa a velocidade do vento.
Cp -  representa um fator ligado à rotação e a alguns parâmetros de controle da turbina.
η - representa a eficiência do conjunto gerador/transmissões.
  
Por aqui já dá para perceber que são muitas as variáveis que influem na determinação da potência fornecida. Para simplificar, e entendermos como esta potência varia, vou considerar aqui como exemplo o estado do Rio Grande do Norte, terra do estimado amigo, professor Francisco Valdir, que por sinal foi quem sugeriu-me o tema deste post.

 Percebam que um dos fatores que mais contribuem para o aumento da potência é a velocidade do vento, pois a quantidade de watts obtida aumenta em função do cubo desta velocidade (v³).
Para simplificar ainda um pouco mais, vou ater-me aqui a apenas mais outras duas variáveis, a densidade do ar e a área varrida pelas hélices.

Densidade do ar

Ampliei detalhe da figura para notarem que a densidade do ar varia pouco, e os maiores valores são encontrados próximos ao nível do mar. Este padrão segue mais ou menos o mesmo para outros estados do Brasil.


Área varrida pelas hélices
A área é calculada por π. R². Quanto maior o raio (R), maior e mais resistentes devem ser os postes de sustentação. O Brasil não dispõe atualmente de tecnologia de fabricação de hélices e geradores de grande porte. Ela se concentra nos países da Europa, mas mais recentemente a China (de novo ela) entrou fortemente na concorrência.

 Velocidade do vento
A velocidade do vento é o fator que mais influencia no aumento da potência da turbina. Veja, através dos mapas do Rio Grande do Norte, como variam as velocidades médias anuais do vento em função da altura em relação ao solo. Estas velocidades não são constantes durante o ano. No caso específico deste estado do Brasil, os maiores valores ocorrem na Primavera.
Use a ampliação da legenda de cores ao lado, relativas aos valores das velocidades, em m/s.
 
Velocidade média anual do vento, a 50 m de altura. (clique para ampliar).




Velocidade média anual do vento, a 75 m de altura. (clique para ampliar).
Velocidade média anual do vento, a 100 m de altura. (clique para ampliar).
Percebe-se aqui também, que as regiões litorâneas são as que mais favorecem a captação do vento para obtenção de energia elétrica.

 Aquecimento e ruídos
Infelizmente tenho lido algumas matérias recentes, mostrando que estes tipos de usinas podem apresentar alguns problemas ambientais, como ruídos e aquecimento da região onde são instaladas. Veja, apenas como exemplo, estes dois artigos que eu encontrei:

 Energia eólica: limpa mas nem tanto 
Neste, o autor cita um artigo da National Science Foundation, sobre recente estudo realizado no estado do Texas (EUA), sugerindo que a temperatura das regiões próximas às usinas sofre um pequeno aumento, devido provavelmente a um rastro de turbulência das turbinas agindo como um ventilador para sugar para baixo o ar mais quente de altitudes maiores, à noite. 

 Turbinas eólicas geram energia e muito barulho
Aqui são citados casos nos EUA, em que moradores próximos a algumas usinas eólicas, dizem se sentir incomodados com o ruído das turbinas. 

 Minha opinião
Acho que pela enorme vastidão do território brasileiro, não podemos desperdiçar o alto potencial representado pelos ventos, como forma de complementar a produção de energia elétrica para suprimento da demanda crescente. É claro que o ideal seria que desenvolvêssemos nossas próprias tecnologias neste setor, para evitar ficarmos dependentes dos europeus, americanos, ou chineses.  Além disso, talvez fosse mesmo necessário avaliar o nível de ruído que elas possam apresentar, evitando-se assim possíveis problemas com os moradores  mais próximos a elas.

Fonte: Os mapas foram obtidos do artigo (pdf):
http://www.cosern.com.br/ARQUIVOS_EXTERNOS/PDF/mapa_eolico.pdf
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A Física e a Matemática contra o câncer

Todos os anos são gastos bilhões de dólares em pesquisas sobre o câncer, mas infelizmente até agora ainda não houve o que poderíamos chamar de um grande avanço. As drogas usadas nas terapias são extremamente caras, e muitas delas têm pouco ou nenhum benefício clínico. Apesar do grande investimento nesta área, a verdade é que a expectativa de vida para alguém diagnosticado com câncer que já tenha-se espalhado para outras partes do corpo, mudou pouco ao longo de várias décadas. 
Pacientes com leucemia poderão um dia receber um novo tipo de tratamento que utiliza um plasma - um gás de partículas eletricamente carregadas - para matar as células cancerígenas, mantendo as células saudáveis intactas. Fonte [5]
O físico Paul Davies, em um recente artigo da New Scientist [1], nos mostra que há outras maneiras de atacar o problema, usando não só a biologia, mas também a física e a matemática no estudo do comportamento das células cancerosas.

"A história da ciência nos ensina que grandes avanços surgem quando os conceitos fundamentais de uma matéria são revistos."  

No entanto, o fato que torna esta luta tão inglória é que, neste caso ainda existem alguns dificílimos obstáculos: as células cancerosas são muito complexas, e também bastante heterogêneas. Apesar disso, são sobretudo objetos físicos, com propriedades razoavelmente bem conhecidas, tais como tamanho, massa, formato, elasticidade, e potencial elétrico. Além do mais, as células cancerosas contêm bombas, alavancas, polias e outros apetrechos que são muito familiares para os físicos e engenheiros. 
Esquema mostrando a relação de forças envolvidas em um determinado tipo de célula que se desloca com velocidade V no sentido indicado. Fonte: [3]
Precisamos, porém, ficar longe da noção de que se busca uma cura, e pensarmos primeiramente em uma maneira mais eficaz de tentar controlar ou administrar o câncer. Uma vez que ele é diagnosticado, normalmente é muito determinístico em seu comportamento. Os tumores primários raramente são a causa da morte. Quando o cancro se espalha em todo o corpo e outros órgãos, é que as perspectivas do paciente se deterioram acentuadamente. Esta fase é conhecida como metástase.
  
A partir do tumor primário, as células entram através de espaços nas paredes dos vasos sanguíneos, e aí, arrastadas pela corrente, percorrem o sistema circulatório, às vezes individualmente, às vezes, em gangues invasoras.
Ilustração da fase inicial da metástase, chamada "intravasão". As células tutoriais (azuis), em contato com a corrente sanguínea, experimentam forças de cisalhamento que podem ser suficientemente intensas para ultrapassar  as forças de adesão, que as mantêm ligadas ao tumor primário. Uma vez liberadas na corrente sanguínea, elas se tornam as células tumorais circulantes, capazes de transmitir a doença para outros órgãos. Fonte:  [4] 

Uma fração desses migrantes fica atolada em vasos sanguíneos minúsculos chamados vênulas ou, mais espetacularmente, rolam ao longo da parede do vaso e arremessam para fora pequenos ganchos moleculares chamados caderinas. 
Durante este processo, as propriedades físicas e a forma das células podem se alterar bastante. Geralmente, as células cancerosas são deformadas em comparação com as células saudáveis ​​do mesmo tipo, uma transformação que pode afetar a sua mobilidade e aumentar o seu potencial invasivo. As células cancerosas são adeptas da construção de ninhos em tecido estranho, alterando a estrutura e as propriedades físicas da matriz extracelular do órgão anfitrião. Há também indícios de que um tumor primário pode enviar sinais químicos antes do tempo para preparar física e quimicamente o terreno para a posterior colonização.

Nós não precisamos saber os detalhes intricados do interior das células cancerosas para descobrirmos como o seu comportamento global pode ser controlado. É bem conhecido que as células regulam a ação dos genes não apenas como resultado de sinais químicos, mas devido às propriedades físicas do seu micro-ambiente.  
Podem ser detectadas forças, tais como tensões de cisalhamento e também a elasticidade dos tecidos. As células também são sensíveis à temperatura, campo elétrico, pH, e pressão, entre outras grandezas físicas. Todas estas variáveis ​​oferecem oportunidades para intervir e estabilizar as células cancerosas disseminadas. 

Atualmente, os programas de pesquisa do câncer contêm um número muito grande de dados técnicos, mas pouco entendimento. Remodelando a paisagem conceitual, com uma forma de ataque mais ampla, talvez possamos finalmente ver avanços na luta contra uma doença tão temida, e que atinge tantas famílias no planeta.
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Abaixo do zero absoluto

Nesta semana, deparei-me com a intrigante notícia de que cientistas alemães haviam conseguido obter temperaturas abaixo do zero absoluto. Mas como assim?
Há um bom tempo eu venho ensinando aos meus alunos que estas temperaturas não podem ser alcançadas. Será que agora eu deveria rever meus conceitos?

Na realidade, em determinadas condições especiais, quando nos referimos ao comportamento quântico de alguns gases, a definição de temperatura difere bastante da que aprendemos no ensino médio, através da física clássica. Resolvi então ater-me justamente a este ponto, para que possamos entender um pouco melhor este assunto.

Em meados de 1800, William Thomson (foto), que ficou mais conhecido como Lord Kelvin definiu a escala de temperatura absoluta, estabelecendo a partir de então que nada poderia ser mais frio do que o zero absoluto. Os físicos perceberam depois que a temperatura absoluta de um gás está relacionada com a energia cinética média das suas partículas. Temperaturas mais elevadas significavam energias cinéticas mais altas. O zero absoluto (-273,15ºC), por sua vez, corresponderia ao estado teórico em que as partículas estariam paradas, sem nenhum tipo de movimento. No entanto, na década de 1950, os físicos que trabalhavam com sistemas mais exóticos começaram a perceber que isso não era sempre verdade. 

 Em condições normais, a maioria das partículas têm energia média ou próxima da média, e apenas algumas partículas têm energias mais altas. 
Na teoria, se a situação for invertida, com maior quantidade de partículas com níveis de energia mais altos, o sinal da temperatura absoluta passa de positivo para negativo, explica Ulrich Schneider, um dos físicos que comandou as pesquisas, na Universidade Ludwig Maximilian, em Munique, na Alemanha.

Schneider e seus colegas chegaram a tais temperaturas sub-zero-absolutas usando um gás quântico ultra frio feito de átomos de potássio. Com o auxílio de lasers e campos magnéticos, eles mantiveram os átomos individuais em um arranjo estrutural bem definido. Nas temperaturas positivas, os átomos se repelem, tornando a configuração estável. A equipe então ajustou rapidamente os campos magnéticos, fazendo com que os átomos se atraíssem, em vez de se repelirem. "Isso de repente muda os átomos de seu estado mais estável, o estado de menor energia, para o estado de energia mais alta possível, antes que eles possam reagir", diz Schneider. "É como andar por um vale, então imediatamente encontrar-se no cume da montanha."
Essa transição fez com que a temperatura do gás atingisse alguns bilionésimos de graus abaixo da temperatura de zero absoluto.

 Na física clássica, o conceito de temperatura abaixo do zero absoluto não faz muito sentido. Uma vez que os átomos pararam de vibrar, o que restaria?
Entretanto, esta não é realmente a história completa da definição da temperatura. Há também uma coisa chamada entropia, que define a quantidade de desordem de um sistema.
Em um gás normal, através do aumento da temperatura (por aumento da energia no sistema), também aumenta a entropia (desordem).

A maioria dos sistemas tradicionais, como gases, não pode alcançar as chamadas temperaturas negativas, porque a adição de energia corresponde a um aumento na entropia, mas, em um estado quântico, é possível alcançar temperaturas "Kelvin" negativas, onde a adição de energia na verdade diminui a entropia. Isto vai contra as leis da termodinâmica clássica, mas é teoricamente permitido pela mecânica quântica - as leis da física que definem o muito, muito pequeno. Em sistemas quânticos é possível definir um arranjo onde haja mais partículas nos estados de energia mais elevada do que nas inferiores. Pode-se então dizer que o gás está a uma "temperatura negativa". 
  
Na Wikipedia (em inglês) há uma boa explicação para o conceito de temperatura negativa. Um trecho que traduzi diz : "Uma substância com temperatura negativa não é mais fria do que o zero absoluto, mas sim mais quente do que a temperatura infinita.  A escala de temperatura do mais frio para o mais quente ocorre desta forma:"

 0 K,.. , 300 K,. . , + ∞ K, - ∞ K,. . , -300 K,. . , -0 K

 Repare que, nestes sistemas, conforme aumentamos a energia, o aumento das temperaturas segue um padrão particular. Uma substância com temperatura negativa não é mais fria do que o zero absoluto, mas sim mais quente do que a temperatura infinita. Estranho, não é? Bem característico das coisas que acontecem na mecânica quântica.

 A conclusão a que pude chegar é que tudo se resume a como se define a temperatura. Ao invés de pensarmos que foi quebrado um conceito fundamental da termodinâmica clássica, devemos entender que temperaturas abaixo do zero absoluto só podem ser alcançadas em condições muito especiais de um gás. 
Em termos gerais, para a maioria das substâncias "macros" a que estamos acostumados, o conceito do inatingível zero absoluto continua valendo.

 Fontes:
http://www.sciencemag.org/content/339/6115/52
http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146
http://www.newscientist.com/article/dn23042-cloud-of-atoms-goes-beyond-absolute-zero.html
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=temperatura-abaixo-zero-absoluto&id=010170130107
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Gelo produzindo fogo

Outro dia eu estava procurando por um exercício de Óptica Geométrica, sobre lentes esféricas, folheando o livro Conexões com a Física, por sinal um dos melhores que já vi, e deparei-me com uma página em que se propunha a seguinte pergunta:

É possível  obter fogo usando gelo?

 Isso é possível, se concentrarmos os raios solares com o uso de uma pedra cristalina de gelo, desde que ela seja "lapidada" no formato de uma lente convergente. Depois, pesquisando melhor, descobri que existe até um vídeo no Youtube mostrando como isso funciona realmente. Está em inglês, mas o que vale são as imagens.

 
Um extremo dando origem a outro. Aristóteles (384 - 322 a.C.) já tentava explicar a composição e o comportamento de todos os materiais da Natureza, através dos 4 elementos: TERRA, ÁGUA, AR, e FOGO, além  do ÉTER - a quintessência. Será que ele poderia imaginar esta relação tão próxima entre elementos tão diametralmente opostos?
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