A Física do Karatê

Alexandre Medeiros (PhD, University of Leeds – Professor de Física e Astronomia, UFRPE)

SÉRIE DE TEXTOS: A FÍSICA NO DIA A DIA

AUTOR: Alexandre Medeiros

TÓPICO: MOMENTO LINEAR – TORQUE – RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS

TÍTULO DO ARTIGO: A Física do Karatê

Qual a explicação física para o fato dos praticantes de karatê conseguirem quebrar montanhas de tijolos apenas com as próprias mãos?

Há muita Física contida nos golpes de karatê desferidos sobre tijolos e, assim muitos conceitos físicos se mostram relevantes na análise apropriada dos fenômenos envolvidos.

Dentre estes, destacamos: a estrutura de agregação dos tijolos, as forças atuantes sobre os mesmos, as pressões exercidas (que dependem da área de impacto das referidas forças), o tipo de equilíbrio dos tijolos, a velocidade da mão no instante do golpe, o momento linear e a energia cinética da mesma, o torque exercido pela força de impacto na linha central do tijolo em relação às suas extremidades, a rigidez e a flexibilidade dos materiais envolvidos na colisão, assim como as oscilações ocorridas nos corpos durante esses choques.

Certamente, a correta execução dos golpes de karatê sobre tijolos exige muito treinamento e concentração, para apurar a sua técnica de execução. Há, entretanto, muita mistificação em torno do assunto, a começar por algumas das alegações frequentes de seus praticantes, os caratecas.

Dentre essas alegações, consta a de que não existem truques no karatê, de que tudo se resume, principalmente à utilização de um certo tipo de “energia do pensamento” e coisas assim. Isso, entretanto, é puro mito e o que importa, de fato, são as condições (e os truques baseados na Física) com que esses golpes são desferidos.

Um ponto central no karatê é a velocidade que a mão do carateca atinge no instante do impacto. Medidas de tempo feitas com estroboscópios eletrônicos de flash múltiplo mostraram que enquanto a mão de um iniciante no karatê consegue alcançar apenas uma velocidade máxima em torno de 6,1 m/s; a mão de um mestre faixa preta do karatê atinge algo próximo de 14 m/s. Essa é, sem dúvida, uma enorme diferença resultante de muitos anos de treinamento.

Caratecas alegam que atingindo um obstáculo com esta velocidade e indo muito rapidamente ao repouso, uma mão com uma massa em torno de 0,7 kg, consegue exercer uma força de aproximadamente 2800 newtons. Observe-se, entretanto, que o tempo de desaceleração da mão é de fundamental importância neste cálculo, pois o valor da força é calculado com base na rapidez da transferência do momento linear. Ou seja, a força média exercida pela mão sobre o tijolo é dada por:

Ocorre, entretanto, que para chegar a esse colossal valor de 2800 newtons, os referidos caratecas admitiram, como um fato inconteste, que o tempo de desaceleração da mão teria sido muitíssimo pequeno. Isso, no entanto, nem sempre ocorre na prática, como veremos adiante. Esses valores estupendos de força exercida pela mão, não são, portanto, realmente dignos de crédito.

Onde estaria, então, o segredo desses golpes aparentemente “mágicos” do karatê?

Tem sido igualmente alegado pelos praticantes do karatê que outro “segredo” importante estaria no fato de que o mestre carateca focalizaria o seu punho em sua imaginação, de modo que a sua ação terminasse no corpo de um inimigo e não na superfície do bloco a ser golpeado. Em acréscimo, tem sido também alegado por caratecas que para desenvolver a potência máxima, o praticante deveria “fazer contato com o objeto antes de a desaceleração ter início”.

Esta alegação, entretanto, é um completo absurdo. Ainda que possamos admitir que a primeira (e mórbida) alegação faça um certo sentido psicológico; qual seja, a de que o indivíduo movido pelo ódio ao seu inimigo possa colocar integralmente as suas energias no golpe, isso nada tem a ver com a segunda alegação, que é pura mistificação. De fato, não faz nenhum sentido físico, a alegação de que o carateca deveria “fazer contato com o objeto antes de a desaceleração ter início”. Isso é apenas um mito; afinal, o que significaria fazer contato antes da mão começar a desacelerar? Tão logo o contato físico entre a mão e o tijolo é feito, inicia-se imediatamente a desaceleração. E é justamente o tempo em que essa desaceleração se completa que determina o valor da força exercida. Esse é o verdadeiro e único segredo de qualquer tipo de amortecimento: o uso correto do Teorema do Impulso-Momento Linear.

Há, certamente, algumas alegações dos caratecas que são fisicamente corretas; como a precaução de que o braço do praticante deve atingir a velocidade máxima do golpe quando estiver aproximadamente 70% – 80% esticado. Agindo deste modo, ele utiliza não apenas os músculos peitorais, do ombro e das costas; mas, igualmente o geralmente poderoso músculo do bíceps. Por outro lado, golpear com o braço completamente esticado seria, de fato, uma temeridade, pois sem o devido apoio, o impacto recebido poderia facilmente fraturar o antebraço.

Não apenas a preparação e o posicionamento do golpe, assim como a consequente aquisição de uma alta velocidade são fatores importantes em seu sucesso; o que acontece após o contato da mão com o tijolo é também de fundamental importância. Isso ocorre porque todos os materiais são ao menos parcialmente elásticos, ou seja, eles tendem a oscilar, quando devidamente golpeados. Entretanto, quando se atinge os limites de elasticidade do material, este começa a se romper. No presente caso, importa que se considerem também as oscilações e os possíveis rompimentos do tijolo, assim como dos ossos do carateca.

Felizmente, não é tão fácil, como habitualmente se pensa atingir o limite de resistência dos ossos, quando estes são golpeados de forma correta que facilite a propagação uniforme da energia. Ossos fortes e sadios são feitos de um material bem mais resistente do que o concreto normalmente utilizado no karatê. Para que se tenha uma idéia do valor dessa resistência, um cilindro de osso com um diâmetro aproximado de 2,5 cm e um comprimento em torno de 6 cm, pode suportar uma incrível força de até 25.000 newtons. Além disso, tecidos mais moles, como pele, músculos, ligamentos, tendões e cartilagens podem absorver impactos muito acentuados, justamente pelo fato de serem mais deformáveis, de terem uma maior elasticidade. Esta é mais uma consequência do Teorema do Impulso-Momento Linear. Deste modo, como alegam costumeiramente os caratecas, o fortalecimento desses tipos de tecidos poderia contribuir positivamente para a absorção de golpes muito fortes.

Baseados nesta assertiva, os caratecas costumam recomendar a prática rotineira de exercícios como chutar alvos rígidos e pesados revestidos com almofadas de amortecimento que possam vir a causar o fortalecimento progressivo dos ossos, dos músculos e dos demais tecidos acima relacionados. Segundo eles, não apenas os ossos ficariam mais fortalecidos, como também calos seriam criados nas mãos e nos pés atuando então como verdadeiros amortecedores, absorvendo e difundindo as forças geradas nos impactos. Exames radiográficos têm, de fato, constatado o hiperdesenvolvimento ósseo ocorrido nas mãos dos mestres caratecas após anos de treinamento intensivo.

Essas afirmações dos caratecas, entretanto, não parecem de todo convincentes, pois os calos desenvolvidos teriam de ser gigantescos, para que o comprimento  de suas deformações elásticas durante os referidos impactos fossem realmente relevantes; visto que o valor desse possível amortecimento é proporcional ao valor do deslocamento das partes dos membros envolvidos até a parada total.

O fato é que há uma certa contradição nas intenções dos caratecas ao executarem os impactos em tijolos. Por um lado, eles desejam que esses impactos liberem o máximo de energia cinética para que os tijolos sejam devidamente fraturados; por outro lado, entretanto desejam também que seus punhos e braços não sejam simultaneamente fraturados. São duas intenções difíceis de serem conciliadas. A segunda intenção (de proteção de seus punhos) implica no desenvolvimento de algum tipo de amortecimento, o que discutiremos mais adiante; a primeira intenção (de liberação da máxima energia cinética nesses impactos) será analisada logo agora.

O karatê proporciona uma interessante aplicação das colisões inelásticas. Um carateca tenta desativar um adversário ou quebrar um tijolo, transformando a sua própria energia cinética em trabalho de deformação, em uma área vulnerável do seu adversário ou do tijolo. Uma vez que a fração da energia cinética transformada em trabalho de deformação é maior quando a massa em movimento é pequena, o carateca tenta liberar uma grande quantidade de energia cinética com uma parte relativamente pequena do seu corpo, como um braço ou a lateral da mão. É por isso que os golpes de karatê têm esta caracteristica marcante essencial.

Mas, como sabemos que a fração da energia cinética transformada em trabalho de deformação é maior quando a massa em movimento é pequena?

É possível mostrar facilmente que em uma colisão completamente inelástica, a energia cinética final é pequena quando a massa em movimento m₁ é pequena quando comparada com a massa estacionária m₂. Assim, a maior parte da energia cinética é perdida na colisão.

Com efeito, em uma colisão completamente inelástica (aquela após a qual os corpos movem-se em conjunto), a quantidade de energia mecânica perdida na forma de calor e de trabalho de deformação depende das massas relativas dos dois objetos que colidem. Suponhamos, por exemplo, que um punho de massa m₁ e velocidade v₁, colide com um grande bloco estacionário de massa m₂ e eles então passem a se mover em conjunto dai em diante com uma velocidade v´. A razão entre a energia cinética final e inicial deste sistema é então:

Por outro lado, a conservação do momento linear nesta colisão, exige que:

Substituindo este valor de v´ na equação acima, que nos dá a razão entre as energias cinéticas antes e após o impacto, temos que:

Este resultado implica que a energia cinética final é pequena quando a massa em movimento m₁ também é pequena em comparação com a massa estacionária m₂. Neste caso, a maior parte da energia cinética é perdida na colisão na forma de trabalho de deformação corpos em colisão e em som e calor.

Diante desta grande liberação de energia cinética (necessária em colisões completamente inelásticas com objetos massivos e rígidos), há de se questionar o que fazer para proteger os membros do carateca. Em outras palavras: o que fazer para garantir ao mesmo o necessário amortecimento. Uma parte da resposta reside no desenvolvimento de mecanismos naturais de amortecimento surgidos com o treinamento contínuo. Há, portanto, muita esperança, da parte dos caratecas, colocada nos referidos treinamentos, o que não necessariamente condiz integralmente com a realidade. O que há de se enfatizar é que apesar de todo esse treinamento e consequente hipertrofia óssea e muscular, há também muitos truques, e por vezes até mesmo algumas fraudes, envolvendo a Física no karatê. O objetivo dos mesmos é fazer parecer que os objetos a serem quebrados são mais rígidos do que na realidade o são.

Analisemos, por exemplo, os tijolos utilizados no karatê e o modo usual de quebrá-los mesmo quando empilhados aos montes para quebras simultâneas.

Em primeiro lugar, os caratecas, por precaução, costumam usar tijolos frágeis de vários tipos: tijolos de cimento (conhecidos como tijolos salmão), tijolos cerâmicos (igualmente frágeis) e tijolos de gesso (blocos). Os tijolos de cimento, por exemplo, são os mesmos usados frequentemente na construção de paredes internas de edificações e são feitos para nunca ficarem expostos às intempéries naturais. Eles são mais frágeis e mais fáceis de quebrar do que qualquer outro tipo de tijolo, por serem constituídos por um material poroso e de alta granulação, o que facilita enormemente a sua fragmentação ou mesmo a sua total desagregação.

Na figura abaixo, à esquerda, vemos um típico tijolo de cimento utilizado no Karatê. Na figura da direita, temos uma visão ampliada de um típico tijolo de cimento para Karatê. Fica evidente a alta porosidade do material constituinte do mesmo e, assim sendo, a razão de ser de sua decorrente fragilidade.

Outras fotos podem auxiliar na evidenciação da fragilidade dos tijolos usados no karatê, mesmo quando homogêneos, e na sua consequente e fácil desintegração frente aos impactos sofridos.

Em golpes normais, sobre tijolos de cimento, desferidos com a parte lateral da mão ou do braço, a força exercida pela mão concentra-se sobre a linha central do tijolo, facilitando a sua ruptura mais uniforme e homogênea.

Entretanto, em golpes mais fortes, desferidos com o punho (em vez de usar a parte lateral da mão ou do braço), sobre tijolos de gesso, a área de atuação da força torna-se mais espalhada. Não havendo, neste caso, uma concentração da força ao longo de uma linha, torna-se difícil obter um rompimento uniforme de um tijolo de gesso, como o da figura ao lado. Evidencia-se, também aqui, mais claramente, a fragilidade do tijolo utilizado, pois ele chega a se desagregar em inúmeros e pequenos pedaços.

Um segundo procedimento habitual dos caratecas é o de escorarem o tijolo a ser quebrado sobre outro tijolo de modo a facilitar a fratura do mesmo.  Com isso, eles conseguem que os tijolos se quebrem mais uniformemente, sem produzir arestas afiadas que poderiam ferir as mãos. Assim, quando o carateca quebra um tijolo frágil e devidamente escorado, ele está usando a aresta do tijolo de baixo para facilitar a fratura do de cima. O choque com uma área mais reduzida aumenta o valor da pressão sobre aquela linha de contato, facilitando a possibilidade uma ruptura efetiva.

Em terceiro lugar, eles fazem o tijolo a ser quebrado repousar sobre outro tijolo e o inclinam levemente de modo que o tijolo de baixo atue com o fulcro de uma alavanca. Além disso, por estar levemente inclinado, o tijolo de cima, ao colidir com o de baixo já possui uma certa velocidade, o que faz com que o choque seja mais impulsivo. Para completar, esse choque se dá sobre uma aresta do tijolo de baixo, aumentando deste modo o valor a pressão, devido à redução da área de contato entre os dois tijolos.

Outros detalhes são igualmente importantes de serem analisados na técnica utilizada nos golpes de karatê em tijolos. Na forma de empilhar os tijolos, observe-se que há ressaltos nas extremidades dos mesmos, de modo que eles ao ficarem apoiados, uns sobre os outros, este apoio se dá exclusivamente sobre tais pontos, ficando assim, a maior parte dos tijolos, em uma frágil suspensão, como mostra a figura seguinte. Os tijolos, além disso, são apoiados exclusivamente por estas extremidades Cria-se, assim, um espaço vazio entre as partes centrais dos tijolos suspensos.

Outro ponto importante no karatê é a forma como se dá o impacto sobre o tijolo.  Como mostra a figura seguinte, o golpe do carateca é desferido exatamente na linha central do tijolo superior, fazendo com que estes girem em torno dos pontos de suspensão localizados nas extremidades do tijolo e deste modo, o torque em relação a esses referidos pontos de apoio seja máximo.

Outra decorrência do fato das partes centrais dos tijolos estarem suspensas, é que elas fazem o maior percurso possível até atingirem o tijolo de baixo. Isso maximiza o valor do momento linear do tijolo superior ao atingir o tijolo inferior.

O golpe do carateca, sobre tijolos de cimento, é usualmente desferido ao longo de uma linha central (área mínima possível) fazendo com que a pressão exercida seja maximizada. Entretanto, para que a força exercida não frature o braço do carateca, assegura-se que por este choque se dar justamente nesta linha central do tijolo (mais frágil), ele se rompa mais facilmente. Em consequência, o braço do carateca afunda ao longo dos tijolos de baixo aumentando o intervalo de tempo de parada, o que, devido ao Teorema do Impulso-Momento Linear:

diminui o valor da força exercida sobre o braço do mesmo.

Assim, qualquer aumento no intervalo de tempo Delta t de parada do braço do carateca, ocasiona uma redução no valor da força F exercida pelo tijolo sobre o mesmo.

Observe-se, ainda, que à proporção que mais e mais tijolos vão sendo rompidos; o peso cumulativo dos tijolos de cima (tijolos estes, agora já em contato com o tijolo imediatamente abaixo) facilita a ruptura dos tijolos de baixo.

Por outro lado, às vezes, a utilização de um bloco superior um pouco mais rígido que os demais abaixo dele, pode fazer com que a vibração do mesmo (causada pelo impacto com a mão do carateca) seja transmitida aos blocos de  baixo de tal modo que estes sejam rompidos sem que o bloco de  cima tenha sido ao menos levemente fraturado. Isto é uma decorrência das diferentes tensões de ruptura existentes entre os materiais e as diferentes formas de propagação das oscilações mecânicas nestes mesmos materiais.  Este fato incomum, pois evidencia a presença de algum artifício com fundamento físico, é documentado na figura seguinte na qual, o bloco superior tem menor porosidade, sendo mais rígido que o de baixo, bem mais poroso.

Além desses truques comuns, todos eles baseados em conceitos e em princípios físicos, como comentado anteriormente, há de se salientar ainda a existência de algumas conhecidas fraudes. Dentre estas, uma das mais comuns é a utilização de tijolos com problemas estruturais, já previamente fraturados, conforme indicado nas figuras abaixo.

Um tijolo de karatê já previamente fraturado parece muito com um tijolo normal, mas ao receber um impacto ele facilmente se desintegra. Trapaceiros usam esses tijolos falsos para convencer os incautos de que são verdadeiros mestres, faixa preta, do karatê. Com fraudes ou simplesmente com truques, o certo é que a prática do karatê está repleta de conhecimentos de Física. 

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. A Física do Karatê. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.

http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2011/11/fisica-do-karate.html. Acessado em 20 de Outubro de 2011. (atualizar a data)

A Física de um Chute Violento no Futebol

Alexandre Medeiros (PhD, University of Leeds – Professor de Física e Astronomia, UFRPE)

SÉRIE DE TEXTOS: A FÍSICA NO DIA A DIA

AUTOR: Alexandre Medeiros

TÓPICOS: CENTRO DE MASSA, VELOCIDADE ANGULAR, CHOQUE FRONTAL (MOMENTO LINEAR), ELASTICIDADE DAS FIBRAS MUSCULARES e LEI DE HOOKE

TÍTULO DO ARTIGO: A Física de um Chute Violento no Futebol

Quais os fatores físicos que determinam um chute violento no futebol?

Chutes muito violentos no futebol dependem da combinação de vários fatores. Em primeiro lugar, deve-se ter em mente que o chute violento precisa garantir a máxima transferência do momento linear do pé do jogador para a bola.

Assim sendo, há várias variáveis em jogo:

a) O biótipo do jogador. Por exemplo: alto e magro ou baixo e com pernas musculosas e o seu tipo de fibra muscular dominante.

b) O tipo de chute (“bicudo”, “de chapa” ou “com o peito do pé”).

c) Qualquer que seja o tipo de chute adotado, o seu resultado pode ainda variar com fato de ser ele dotado ou não de efeitos de rotação.

d) A dinâmica global do chute (com a perna retesada, com a perna articulada em torno do joelho ou saltando).

Consideremos, por exemplo, para simplificar, um biótipo de jogador alto e magro e que pode ser propício a desferir um chute violento.

Em primeiro lugar, para executar um chute violento, o choque do pé om a bola deve ser frontal, ou seja, a direção da força impulsiva exercida deve ser o mais próxima possível da horizontal em que a bola deverá ser lançada inicialmente para frente. Qualquer afastamento desta frontalidade do choque fará com que a bola adquira uma certa rotação e não apenas a desejada translação, reduzindo, assim, a energia cinética de translação. Além disso, esta indesejável rotação adquirida pela bola poderá fazer com que a mesma seja desviada de sua direção pretendida por efeito de diferenças de pressão do ar causadas pelo efeito Magnus.

Em segundo lugar, para garantir que a energia cinética a ser transferida para a bola, no instante do chute, seja máxima, precisamos nos assegurar de que o valor da energia cinética a ser adquirida pelo pé do jogador, neste momento do chute, seja igualmente máximo. Vários fatores intervêm na maximização deste valor da energia cinética do pé do jogador:

a) a velocidade do pé do jogador no instante do choque;

b) a altura do jogador ou mais precisamente, o comprimento de sua perna;

c) a distribuição da massa muscular e da gordura pela perna;

d) a forma (esticada ou dobrada) como a perna se encontra no momento do chute;

e) o tipo de apoio conferido pela outra perna do jogador no momento do chute.

O que nos garante uma maximização do valor da energia cinética do pé do jogador no momento do chute? Várias coisas podem contribuir para isso, dentre elas a própria velocidade com que o jogador como um todo chega à bola. Mas, não apenas a velocidade do jogador como um todo interfere no problema, mas essencialmente a velocidade do pé do jogador. Para isso, é preciso assegurar que o pé do jogador esteja girando o mais afastadamente possível do seu centro de rotação. Com isso estamos assumindo que o respectivo centro de rotação deva estar preferencialmente localizado na articulação entre a perna e o tronco do jogador e não em seu joelho. Em outras palavras, precisamos que a perna do jogador esteja o mais retesada possível, no momento do chute, e não articulada em torno do seu joelho. A referida articulação da perna em torno do joelho encurtaria o braço de alavanca, reduzindo assim o torque aplicado no instante do chute. É por isso, que a altura do jogador, ou mais precisamente, o comprimento de sua perna pode ser determinante. Quanto maior a distância entre o pé e o seu centro de rotação, maior será a velocidade do mesmo. Mas, não basta ao jogador ter uma perna comprida e que esteja retesada no instante do chute; é preciso também que a musculatura que gire a perna seja suficientemente forte para garantir uma rotação mais rápida possível. Por outro lado, se o jogador pretende chutar com a perna retesada, é importante que corra ele bastante com o objetivo de adquirir velocidade como um todo, pois esta será vital para o estabelecimento do valor da velocidade da perna. No momento do chute, um dos pés do jogador para subitamente enquanto a outra perna (do chute) deve girar o mais rapidamente possível em torno de sua articulação. Quanto maior a velocidade, tanto maior será o momento linear a ser adquirido pela bola e tanto maior deverá ser o tempo que o goleiro deverá gastar em deter a mesma. É preciso lembrar que o goleiro usará a segunda lei de Newton, ou seja, o Teorema do Impulso-Momento Linear, para reduzir o valor da velocidade da bola a partir do momento em que esta tocar as suas mãos. Para isso, ele arqueará os braços, aumentando com isso o tempo de parada da bola e reduzindo deste modo a força a ser exercida pela mesma contra o seu corpo. Em última instância ele ainda saltará para traz a fim de aumentar ainda mais este tempo de parada da bola; tudo com o intuito de reduzir o valor final da força exercida pela bola em eu corpo. Mas, da perspectiva do jogador que chuta a bola, não importa apenas que o goleiro adversário seja obrigado a aumentar ao máximo o tempo de parada da bola, aumentando assim a dificuldade da defesa. Importa, também, considerar que mesmo que goleiro consiga a proeza de aumentar o tempo de parada da bola, ele não consiga, talvez, reduzir o suficiente a distância que a mesma irá percorre já em suas mãos. Pode mesmo acontecer, que o goleiro entre com bola e tudo, ou o que dá no mesmo, que só consiga completar a defesa após cruzar a linha demarcatória de gol.

Para que essa distância a ser percorrida pela união do goleiro com a bola seja máxima, importa não exatamente o valor do momento linear da bola, mas sim o valor da sua energia cinética; e esta depende do quadrado da velocidade da bola. Portanto, qualquer aumento na velocidade da bola pode ser crucial para o sucesso do atacante, pois ele pode significar um aumento na energia cinética da bola em uma proporção bem maior do que aquele alcançado pelo momento linear da mesma.

Voltemos, portanto, ao estudo dos movimentos do jogador no instante do chute. Em se tratando de jogador alto (ou mis precisamente de pernas compridas) a sua melhor opção possivelmente será chutar com perna retesada. Além, disso, no instante em que ele se detém para executar o chute, é importante que tal parada seja o mais brusca possível para aumentar o valor da aceleração e consequentemente da força a ser exercida pelo seu pé na bola.

Neste sentido, não parece uma boa opção o jogador saltar no momento do chute, ficando completamente no ar. Desta forma ele, mesmo tocando violentamente na bola, faria com que o seu corpo como um todo cruzasse a linha da bola ainda com bastante energia cinética, reduzindo assim a energia transferida para a bola. Bem melhor seria ele tentar parar subitamente com o auxílio de um pé fincado o mais eficientemente possível ao chão, ao mesmo tempo em que elevasse levemente o corpo deixando a outra perna girar de modo violento devido à redução súbita da velocidade.

Mesmo fazendo isso de forma correta, alguns outros fatores importantes podem ainda contribuir para o sucesso ou não do chute. Por exemplo, importa saber com é a distribuição da massa muscular e de gordura do jogador pela sua perna. O ideal seria ele tivesse uma panturrilha o mias musculosa (e consequentemente pesada) possível para que a concentração de massa da perna estivesse o mais afastadamente possível do centro de rotação da mesma no instante do chute. Comparativamente, a sua perna deverá funcionar como se fosse um martelo, no qual o peso se concentra na extremidade próxima do impacto e longe do centro de rotação. Neste sentido, paradoxalmente, para este tipo de chute com a perna retesada, uma coxa muito musculosa pode alterar negativamente a potência do mesmo.

A explosão muscular funciona como uma mola. A força é proporcional a kx e a energia cinética à metade de k vezes x ao quadrado, onde x é o pequeno valor da contração muscular. Isso é importante para jogadores mais baixos, porém com coxas musculosas.

Por outro lado, o momento de inércia é dado por mr², onde m é a massa da perna e r é o valor do braço de alavanca, ou seja, da distância do pé até o centro de rotação em torno do qual será executado o chute. Deste modo, o comprimento da perna retesada pode conferir uma enorme vantagem no chute.

Um jogador mais baixo e com a coxa musculosa, pode preferir chutar com a perna levemente arqueada no instante do impacto. Com isso, ele estará utilizando a força dos músculos da coxa para conferir uma maior potência ao seu chute.

Como ele dificilmente conseguirá igualar a potência que pode ser obtida por um jogador de biótipo mais alto, ele poderá optar por colocar alguns efeitos de rotação em seu chute para dificultar ainda mais a defesa a ser executada pelo goleiro. Um jogador com tais características, dificilmente optará por um chute bicudo, mas preferirá chutar com o peito do pé ou de rosca.

Outro ponto importante para todos os chutes violentos é a necessidade do equilíbrio no momento do impacto. O corpo deve girar o mais aproximadamente possível de um plano vertical. Para isso é necessário utilizar também os braços, ter o que se chama popularmente de um “braço de apoio”. Por exemplo: se o jogador chutar com a perna direita, ele deve erguer o braço esquerdo e se chutar com o pé esquerdo, ele deve erguer o braço direito.

Algumas dicas para se tentar desferir um bom chute

Uma boa dica para desferir um chute é saber qual o lado do pé que se deve usar para chutar. Se quiser chutar colocado, pegue em baixo da bola e com o lado do pé. Se desejar soltar uma bomba, ainda que sem direção, chute de peito de pé. Se quiser chutar forte e reto, chute com o bico da chuteira. Para chutar forte, não adianta exercer força apenas no pé; tem que soltar a perna.

Outra dica (de equilíbrio): com o corpo um pouco inclinado para o lado esquerdo, você no momento que vai chutar, tem que colocar o pé de apoio ao lado da bola, isto é, no mesmo alinhamento da bola, nem para frente nem para traz. Experimente e veja a diferença. Chute com jeito, ou seja, não abra a passada. Bata com pressão na bola e para isso a passada não pode ser muito aberta. Pegue justo.

Os chutes violentos e a questão das fibras musculares

Como alerta Carlos Alberto Amadio, da USP (Superinteressante de 19 de março de 2009): “todo jogador, por mais que melhore, tem seus limites. Aumentar o volume dos músculos por meio de exercícios com pesos, por exemplo, não aumenta, de forma alguma, a potência do chute. Isso é explicável pelos modernos conhecimentos de anatomia. Sabe-se que um músculo se compõe de três tipos de fibras: as rápidas, as lentas e as intermediárias. Cada uma delas tem propriedades muito diferenciadas”.

“As fibras lentas tendem a ser mais curtas e vermelhas, responsáveis pelo rendimento contínuo, sendo as mais usadas pelos maratonistas, por exemplo. Em compensação, uma ação repentina, como um chute de arrebentar redes, requer músculos rápidos, capazes de se contrair em frações de segundo. A maior parte da energia provém, nesse caso, da combustão anaeróbica (sem consumo de oxigênio) de açúcar, que a libera quase como uma explosão. Portanto, um disparo potente depende, sobretudo, da velocidade de contração dos músculos rápidos. Além da constituição das fibras musculares, também o número de nervos que acionam os músculos ajuda a determinar a velocidade do movimento. Quanto mais numerosas as terminações nervosas em cada grupo de fibras, mais eficiente será a ação”.

"Uma aptidão especial é o segredo dos profissionais de superchute". Ou seja, a velocidade de contração do sistema muscular desses jogadores é extremamente alta. Esta capacidade suplementar é algo com que não se pode competir nem imitar - eles já nasceram com músculos super-rápidos. Isto não significa que um jogador de chute médio deva resignar-se. Um bom programa de treinamento pode aumentar consideravelmente a potência do chute de qualquer atleta. Para tanto, é necessário exercitar as fibras rápidas; por exemplo, com séries de corridas curtas seguidas de chutes a gol. O resultado é um robustecimento dessas fibras, que armazenam assim mais energia, além da gradual transformação das fibras intermediárias em rápidas. O programa, é claro, não consegue aumentar o número de nervos em cada músculo, definido geneticamente, mas pode ativar as terminações nervosas fora de uso por falta de exercício. O treinamento pode conseguir, ainda, que uma porcentagem muito alta de fibras se contraia de modo simultâneo (coordenação intramuscular), o que mais uma vez tem como conseqüência uma alta aceleração”.

“Um fato decisivo que costuma ser levado em conta é que quase toda a musculatura do corpo se põe em ação no momento do chute, por meio de "alças" opostas de contração e distensão. A perna com a qual se chuta tem somente uma fração da energia necessária para o disparo. A bola oficial de futebol, que pesa aproximadamente 450 gramas, é acelerada até alcançar uns 120 quilômetros por hora. A tremenda descarga de energia envolvida no ato, assim, só obtém o resultado máximo quando o movimento está coordenado de forma ótima”.

“Mas não é só a Biologia que impõe limites à arte do superchute. As leis da Física, naturalmente, também contam. Isso significa que o jogador não pode sonhar com técnicas de golpear a bola que contrariem as regras do movimento dos corpos. Cabe-lhe, isto sim, carregar o corpo com a maior quantidade de energia possível, o que ocorre quando toma impulso na corrida. Se ele já não vier correndo pelo campo a toda velocidade, convencionou-se que pelo menos cinco passos são recomendáveis”.

“Pouco antes do chute, quando o jogador coloca a perna de apoio junto à bola, diminui a velocidade e todo o corpo estira-se para trás como um arco pronto a disparar uma flecha. Mais do que a velocidade do impulso, essa tensão prévia é requisito importante para uma explosiva contração muscular no chute”.

“Os músculos do estômago se contraem rapidamente e catapultam a perna que dispara para  a frente como um relâmpago. Outra conclusão das pesquisas é que também o músculo reduz a velocidade alguns décimos de segundo antes do contato com a bola. A freada repentina faz com que a perna à altura do joelho, agora retardada, se lance como um chicote. Num chicote de verdade, o estalo é resultado da enorme velocidade da ponta da tira de couro, no momento do seu retrocesso. A comparação não é descabida, pois o peito do pé golpeia a bola durante 5 a 10 milésimos de segundo, acelerando-a instantaneamente”.

Alguns exemplos históricos de jogadores com chutes violentos

Roberto Carlos (1,68m) (baixo e com coxas musculosas) – chute parcialmente violento e com efeitos de rotação (com pontaria)

Rivelino (1,71 m) (baixo e com coxas musculosas) – chute parcialmente violento e com efeitos de rotação (com extrema pontaria)

Nelinho (1,80m) (Alto e com panturrilhas musculosas) – chute bastante violento e com muitos efeitos de rotação (com extrema pontaria)

Pepe (1,75m) (Estatura mediana com panturrilhas e coxas musculosas) – chute muito violento e sem efeitos de rotação (com grande pontaria)

Alemão (1,80m) O Canhão da Ilha do Retiro (Alto e com panturrilhas musculosas) – chute extremamente violento e sem efeitos de rotação (sem pontaria).

Em 25 de novembro de 2006, o lateral esquerdo brasileiro Ronny de Araújo do Sporting de Lisboa, num jogo contra o Naval, pelo campeonato portugues, deu um chute a 222 km/h.

Em 31 de março de 2009, o albanês Prill Budalla, jogador do Vegalta Sendai do Japão, num jogo contra o Kashima Antlers F. C, deu o chute mais forte já registrado: 232,431 km/h.

Só pra contrastar, Roberto Carlos, o mais recente dos conhecidos chutadores violentos, dava aquelas suas pauladas a mais ou menos 130 km/h.

Os chutes de Alemão, por exemplo, nunca foram medidos, dada à época em que ele praticou o esporte (início dos anos 1960). Entretanto; mas, a se julgar pelos depoimentos e testemunhos de quem o viu jogar (como este que agora escreve), em comparação com os recordes acima citados, o seu chute deveria exceder facilmente os 300  km/h.

Tomemos, por exemplo, o relato insuspeito e abalizado de Valdir ex-goleiro do Palmeiras e preparador de goleiros da seleção brasileira e seu contemporâneo:

"Depois que o Brasil Sub-20 perdeu o Mundial para Gana, nos pênaltis, veio-me à lembrança o zagueiro Alemão, um dos maiores cobradores de tiros livres que meus olhos já viram. Eu tive a oportunidade de jogar contra alguns dos principais batedores de faltas do Brasil, entre eles Rivelino, Zico, Paulo César Caju, e treinar contra aquele que tinha o chute mais potente que eu já vi no futebol brasileiro. Ele veio do Recife, onde fora apelidado de "Canhão da Ilha" pela torcida do Sport. Foi precedido no Rio pelo seu irmão mais famoso, Manga, goleiro do Botafogo e da seleção brasileira. Em uma única oportunidade me confrontei contra ele em um treino do América, onde jogávamos. O nosso técnico era Gentil Cardoso, que para não deixar o costume de jamais perder treinos, marcou um pênalti a favor dos titulares contra os aspirantes. Preparei-me para a defesa sem nenhuma convicção. Escolhi um lado e pulei pra lá. A bomba que saiu dos pés de Alemão, explodiu na minha mão direita e a bola saiu mansa pela linha de fundo. Levantei-me com intensas dores no pulso e pedi assistência médica. Ao meu lado Gentil comentou: ‘Ô goleirinho! Você tinha que meter a mão, né? Agora, aguenta!' Foi contra o Fluminense, num jogo nas Laranjeiras que presenciei o estrago que a perna direita do zagueiro era capaz de fazer. Em três oportunidades, Jairo, goleiro tricolor, ajeitou a barreira do lado direito da sua meta. Alemão, que tomava uma distância quilométrica para chutar, nas duas primeiras tentativas, mirou e acertou o mesmo homem na barreira, colocando-o a nocaute. Na terceira cobrança, Jairo só escutou o barulhinho que a bola faz ao estufar as redes. A bola passou no meio da barreira. O cara que levou as duas primeiras porradas se agachou, permitindo passagem para o pombo sem asas. Afinal, era louco, ma non tropo".

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. A Física de um Chute Violento no Futebol. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.

http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2011/11/fisica-de-um-chute-violento-no-futebol.html. Acessado em 17 de Novembro de 2011. (atualizar a data)

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. A Física de um Chute Violento no Futebol. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.

http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2011/11/fisica-de-um-chute-violento-no-futebol.html. Acessado em 17 de Novembro de 2011. (atualizar a data)

 

A Primeira Lei da Termodinâmica e o Longo Mergulho das Focas e Baleias

Alexandre Medeiros (PhD, University of Leeds – Professor de Física e Astronomia, UFRPE)

SÉRIE DE TEXTOS: A FÍSICA NO DIA A DIA

AUTOR: Alexandre Medeiros

TÓPICO: PRIMEIRA LEI DA TEMODINÂMICA

TÍTULO DO ARTIGO: A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA E O LONGO MERGULHO DAS FOCAS E BALEIAS

Por que as baleias e as focas conseguem mergulhar por longos períodos de tempo?

Esta questão está diretamente relacionada com outra sobre a qual já escrevi um comentário: a cor das carnes das galinhas e a presença da mioglobina em seus tecidos, responsável pela retenção do oxigênio nos tecidos. Nos mamíferos aquáticos, a mioglobina é normalmente encontrada em grande quantidade. É o que ocorre com as focas, as baleias, os golfinhos e as morsas ou leões-marinhos. Quando comparados aos mamíferos terrestres, esses animais aquáticos possuem mais glóbulos vermelhos e também alvéolos pulmonares mais desenvolvidos e em número maior. E, nos músculos, a abundante presença de mioglobina garante um formidável suprimento de oxigênio. Isso faz com que eles possam mergulhar e permanecer submersos na água por longos períodos de tempo.

Mas, onde entra a Física nessa questão?

É que o oxigênio acumulado na mioglobina dos tecidos é o resultado direto do contínuo e enorme esforço muscular (trabalho) que tais mamíferos exercem em sua faina diária. É a queima (combinação com o oxigênio) dos alimentos ingeridos que propicia a liberação da energia interna contida nas suas ligações químicas. Deste modo, há uma equivalência entre o trabalho realizado por tais mamíferos e a energia contida no sistema composto pelo oxigênio retido na mioglobina e os alimentos ingeridos pelos mesmos. Em outras palavras: o fenômeno ocorre como uma consequência natural da Primeira Lei da Termodinâmica, o nosso bom e velho Princípio de Conservação da Energia.

 

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. A Primeira Lei da Termodinâmica e o Longo Mergulho das Focas e das Baleias. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG. http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2011/11/primeira-lei-da-termodinamica-e-o-longo.html. Acessado em 17 de Novembro de 2011. (atualizar a data)

A Primeira Lei da Termodinâmica e a cor das carnes da galinha

Alexandre Medeiros (PhD, University of Leeds – Professor de Física e Astronomia, UFRPE)

SÉRIE DE TEXTOS: A FÍSICA NO DIA A DIA

AUTOR: Alexandre Medeiros

TÓPICO: PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA E ENERGIA INTERNA

TÍTULO DO ARTIGO: Por que as galinhas possuem tanto carnes brancas quanto carnes escuras?

A diferença na coloração clara ou escura das carnes da galinha deve-se a um pigmento presente nos músculos da ave que é denominado mioglobina. Ele é uma pequena proteína relacionada com a hemoglobina; mas, enquanto a hemoglobina carrega o oxigênio no sangue, a mioglobina retém esse mesmo oxigênio no interior das células musculares possibilitando a produção da energia indispensável para a contração muscular. A célula muscular é plenamente capacitada à produção de trabalho mecânico intermitente, realizado com o consumo da energia química.

Em uma situação de grande atividade muscular, quando trabalho está sendo realizado, os músculos necessitam de muita energia e essa energia é obtida pela “queima” (reação com o oxigênio) do alimento ingerido pelo animal, propiciando assim a liberação da energia interna acumulada em suas ligações químicas.

Se o músculo for usado repetidamente e por longos períodos de tempo, aumenta a quantidade de mioglobina no tecido do qual ele é composto. É por isso que as aves migratórias, como patos e gansos, têm carne mais escura nos músculos do peito – os músculos usados para voar. As coxas da galinha também apresentam carne escura, porque elas usam mais os músculos das pernas do que os do peito. A carne das asas, porém é branca, claro, porque as galinhas não voam.

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. Primeira Lei da Termodinâmica e a cor das carnes da galinha. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.

http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2011/11/primeira-lei-da-termodinamica-e-cor-das.html. (atualizar a data)

A Lei de Stevin e a Mineração Romana com a Técnica do Ruina Montium

Alexandre Medeiros (PhD, University of Leeds – Professor de Física e Astronomia, UFRPE)

SÉRIE DE TEXTOS: A FÍSICA NO DIA A DIA

AUTOR: Alexandre Medeiros

TÓPICO: HIDROSTÁTICA: LEI DE STEVIN

TÍTULO DO ARTIGO: A Lei de Stevin e a Mineração Romana com a Técnica do Ruina Montium

Como os Antigos Romanos Conseguiram Remover Completamente Montanhas Inteiras na Mineração de Las Medulas? Qual a Física subjacente a este feito?

Por volta do ano 25 AC, o imperador romano Augusto iniciou a mineração de ouro na região de Las Medulas, na Espanha (figura abaixo). Pelos dois séculos seguintes, os romanos utilizaram em tal exploração uma técnica hidráulica revolucionária para a época, denominada “Ruina Montium” e que consistia literalmente em cortar as rochas com poderosos jatos de água dirigidos a partir de um reservatório situado até 250 m acima da local da jazida.

A grande quantidade de água necessária para a mineração era retirada dos rios que nasciam nas montanhas da próxima Serra de La Cabrera. Ela era, então, trazida por sete longos aquedutos que atingiam a extensão de 300 quilômetros; sendo em seguida armazenada em enormes reservatórios nas montanhas. 

Com esses jorros de água de alta pressão os romanos abriam cavidades e túneis nas montanhas. Os aquedutos ainda eram utilizados mais tarde também para enxaguar os gigantescos depósitos de ouro. De uma forma resumida, pode-se dizer que eles “arruinavam as montanhas”, numa tradução literal do termo Ruina Montium.

A técnica permitia explodir montanhas inteiras com o simples auxílio da variação da pressão exercida pela água graças ao aumento da profundidade. Assim procedendo, eles estavam utilizando intuitivamente aquilo que posteriormente viria a ser conhecido, no século XVII, como a Lei de Stevin:

Onde delta P é a variação de pressão, rô é a massa específica da água, g é a aceleração da gravidade e h é a profundidade do túnel.

Os romanos escavavam, nas paredes dos reservatórios, túneis inclinados profundos (figura acima) que penetravam na montanha. Era a grande profundidade desses túneis que garantiria a elevada pressão a ser exercida posteriormente pela água. Eles, então, vedavam as entradas desses túneis com comportas e enchiam os reservatórios com o auxílio dos túneis de condução de água e dos aquedutos. Quando os reservatórios estavam cheios, os romanos abriam as comportas; liberando a entrada da água Isso fazia com que fosse exercida uma enorme pressão nas partes mais baixas do interior da montanha (lei de Stevin) o que a escavava lentamente e terminava por causar a explosão da mesma.

O monte Medilianum, por exemplo, que então dominava a paisagem da região, foi integralmente desfeito por sucessivas enxurradas de água controladas pelos exploradores romanos.

A exploração do ouro em Las Medulas, durante os dois séculos de trabalho, envolveu cerca de 60 mil trabalhadores livres e trouxe aos romanos aproximadamente 1,65 milhões de quilos de ouro. No século III da nossa era, o ouro acabou e os romanos deixaram a região completamente devastada. Como não houve mais qualquer atividade extrativa na região, desde então, os espetaculares traços dessa marcante e devastadora tecnologia hidráulica da Antiguidade permanecem visíveis até hoje.

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. A Lei de Stevin e a Mineração Romana com a Técnica do Ruina Montium. Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG. http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2011/11/lei-de-stevin-e-mineracao-romana-com.html. Acessado em 15 de Novembro de 2011. (atualizar a data)