MOMENTO ANGULAR COMO INOVAÇÃO TECNOLÓGICA INCIPIENTE NOS CANHÕES DO SÉCULO XIX

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1 MOMENTO ANGULAR COMO INOVAÇÃO TECNOLÓGICA INCIPIENTE NOS CANHÕES DO SÉCULO XIX Miguel Arcanjo-Filho (PG) Universidade Federal do Rio de Janeiro - HCTE m.arcanjofilho@gmail.com Nadja Paraense dos Santos (PQ) Universidade Federal do Rio de Janeiro HCTE nadja@iq.ufrj.br RESUMO O presente trabalho tem como objeto de estudo a utilização do conceito de Momento Angular nas peças de artilharia usadas sistematicamente a partir de meados do século XIX. Essa utilização se dá por meio da invenção do canhão com alma raiada. Invenção essa que revolucionou os canhões a partir de então. Discutimos os principais conceitos físicos presentes nessa inovação tecnológica, sempre pensando no leitor não especializado em ciências exatas, em particular no historiador que muitas vezes reconhece a superioridade dos canhões de alma raiada sobre os de alma lisa, mas não compreende os conceitos científicos associados à essa inovação tecnológica. Palavras-chave: Canhões, História Militar, Momento Angular. 1. INTRODUÇÃO A utilização de diversos tipos de armamentos evoluiu de forma rápida e diversificada a partir do século XVIII. Considere, por exemplo, o uso das espadas medievais que levaram praticamente 400 anos para mudar de conformação e tamanho. Somente no início dos anos 1700 tais espadas começam a se tornar mais curtas e leves, aparecendo as chamadas espadas citadinas ou de passeio, características do século XVIII inglês e francês e as espadas militares se diferenciando entre as usadas para combate a pé e os sabres para combate a cavalo (Castro & Bittencourt, 1991). O mesmo podemos dizer das armas de fogo, notadamente os canhões que começavam utilizar avanço tecnológico importante, conhecido desde a antiguidade, mas que foi empregado sistematicamente somente a partir dos oitocentos nas peças de artilharia: a utilização de alma raiada para imprimir movimento rotacional nos projéteis lançados, ou seja, início da aplicação tecnológica do conceito de momento angular. A organização social de determinada época condiciona o ritmo e a evolução da ciência e da tecnologia. Essa organização social é diversas vezes submetida às

2 condições de estabilidade política de uma região, ou seja, de paz ou de conflito armado. Assim, quanto mais rápida e menos onerosa a solução de tais contendas, melhor para as sociedades envolvidas. Simplificando: caso seja necessário o conflito armado, quanto mais rápido o término de tal situação, melhor será para todos os envolvidos. Portanto, a tecnologia empregada na guerra é fundamental para a dissuasão de alternativas que pretendem a continuidade prolongada das atividades belicosas. Soluções tecnológicas que se mostraram, ao longo do tempo, de eficácia comprovada, levaram mais tempo para mudar ou serem substituídas por outras. Quando ficou patente a necessidade de maior precisão nos disparos dos canhões, buscou-se formas de adaptação de uma técnica já conhecida desde muito tempo para a maior precisão nos arremessos de flechas e dardos. Mais especificamente, o efeito de rotação que determina uma maior estabilidade e equilíbrio no projétil lançado. Esse efeito é conhecido modernamente como Momento Angular e foi assimilado pelas tecnologias de fabricação de canhões no século XIX, sendo utilizado até os dias atuais nas peças de artilharia modernas, como também na maioria das armas de fogo que são utilizadas até nossos dias. 2. MOMENTO DE INÉRCIA, VELOCIDADE ANGULAR E MOMENTO ANGULAR Uma das mais importantes leis da física a primeira lei de Newton afirma que um corpo em repouso tende a permanecer em repouso e um corpo em movimento tende a permanecer em movimento. De forma análoga, um corpo que gira em torno de um eixo tende a permanecer girando, a menos que sofra a atuação de uma interferência externa. Essa propriedade que os corpos possuem de resistir a mudanças no seu estado de movimento de rotação é chamada de inércia rotacional, ou Momento de Inércia (Hewitt, 2002). Essa inércia rotacional depende da massa do corpo e principalmente de como ela está distribuída em torno de um eixo de rotação. Quanto maior for a distância entre a maior parte da massa de um objeto e seu eixo de rotação, maior será sua inércia rotacional. Considere as figuras abaixo. Elas representam sistemas constituídos de duas esferas de mesma massa ligadas por uma barra rígida. No sistema da esquerda vemos as massas mais afastadas do eixo de rotação, no da direita estão mais

3 próximas. Considere que ambos os sistemas estejam girando com a mesma velocidade de rotação (ω representa a velocidade de rotação dos sistemas). Será mais difícil levar ao repouso o sistema da esquerda pelo fato de possuir maior Momento de Inércia (massa total mais afastada do eixo de rotação) do que o da direita que possui menor Momento de Inércia (massa total mais próxima do eixo de rotação). ω ω Até aqui discutimos o conceito de Momento de Inércia. Para a estabilidade de projéteis lançados, outra grandeza física relevante deve ser levada em conta: a velocidade angular. A velocidade angular nada mais é do que a rapidez com a qual um corpo gira. A combinação do momento de inércia com a velocidade angular de um corpo estabelece uma terceira grandeza física essencial para a precisão de um tiro de canhão: o Momento Angular. O objetivo do presente trabalho não é discutir em detalhes os conceitos físicos envolvidos no disparo de um projétil. Entretanto, para acompanhar a evolução histórica das tecnologias associadas a precisão do tiro, devemos compreender minimamente as grandezas físicas envolvidas nesse processo. O Momento Angular (representado por L) associado a um corpo é definido como o produto do Momento de Inércia (representado por I) e a velocidade angular (representada por ω). Assim temos: L = I.ω. Ou seja, quanto maior o Momento de Inércia, maior será o Momento Angular. Da mesma forma, quanto maior a rapidez de rotação de um projétil também será maior o Momento Angular. Na linguagem matemática o vetor Momento Angular é o produto do Momento de Inércia pelo vetor Velocidade Angular do corpo. Sendo um vetor, o Momento Angular, portanto, possui módulo, direção e sentido.

4 Mas, do ponto de vista da intuição humana, o que seria o Momento Angular? Quem sabe andar de bicicleta não terá grande dificuldade de compreender o significado físico do Momento Angular. Quando estamos nos deslocando numa bicicleta podemos, momentaneamente, soltar o guidão da mesma sem que a bicicleta se desequilibre. Podemos, inclusive, girar levemente o guidão e em seguida soltá-lo. Veremos que, neste caso, ele volta espontaneamente para a posição inicial. Isso acontece porque as rodas da bicicleta obviamente estão girando. Repare que a maior parte da massa dessas rodas estão afastadas do eixo de rotação das mesmas. Isso implica num Momento de Inércia (I) que associado à velocidade angular (ω) das rodas tem como resultado um Momento Angular (L = I. ω) que, na ausência de forças externas, tende a permanecer constante - chamamos isso de conservação do Momento Angular (Nussenzveig, 2002). Como o Momento Angular é um vetor, sua conservação implica na manutenção da sua direção. Essa direção está associada à perpendicular do plano formado pela rotação, isto é, a direção do momento angular é a direção do eixo de rotação do corpo girante. Essa direção deverá se manter constante ao longo de um determinado deslocamento. Vamos comparar o Momento Angular de dois corpos que possuem geometrias aproximadas a diferentes projéteis que podem ser lançados. O primeiro é uma esfera, característica principal das balas historicamente mais antigas (conhecidas como balas rasas) utilizadas nas peças de artilharia. O segundo um cilindro, que se aproxima mais da forma dos projéteis mais modernos (no formato de ogivas) sem levar em conta, para facilitar nossa comparação, as características associadas a aerodinâmica de tais artefatos. Para tanto, inicialmente vamos considerar os Momentos de Inércia da esfera e do cilindro. A figura abaixo mostra os valores calculados para ambos, no caso particular de mesma massa (M) e mesmo raio (R).

5 R R Para o cilindro (figura da esquerda) temos: I = 0,5.MR 2 e para a esfera (figura da direita) temos o valor: I = 0,4.MR 2. Portanto, o Momento de Inércia da esfera é menor do que o do cilindro, ambos com mesma massa e raio. Esses valores são calculados utilizando conceitos e técnicas do cálculo diferencial integral que para os objetivos do presente trabalho não necessitam ser discutidos. Assim, quando giramos esses dois corpos com a com mesma velocidade de rotação ω, será mais difícil mudar a direção do eixo de rotação do cilindro do que a direção do eixo de rotação da esfera porque o Momento Angular do cilindro é maior do que o da esfera. Lembrar que essa dificuldade está associada ao produto I. ω. Portanto, podemos afirmar que durante a rotação, o cilindro é mais estável que a esfera. Assim, o problema da estabilidade de projéteis lançados pode ser iniciado com a discussão de como poderemos aumentar a velocidade de rotação desses projéteis, uma vez que, definido seu formato, quanto maior for a rotação dos mesmos durante seu deslocamento, maior será a estabilidade numa dada direção de disparo. A solução encontrada, como adiantamos no início desse texto, foi fazer com que os projéteis lançados pelas armas de fogo se comportassem como as setas lançadas pelos arqueiros da antiguidade, que possuíam movimento de rotação enquanto seguiam sua trajetória em direção ao alvo. Desenvolveu-se, a partir de tal constatação, a fabricação de canhões que possuíssem alma raiada, isto é, a parte interna dos tubos de tais canhões deveria possuir ranhuras que, por fricção, provocassem movimento de rotação nos projéteis utilizados.

6 3. A FABRICAÇÃO DE CANHÕES COM ALMA RAIADA Existem evidências (Castro & Bittencourt, 1991) de que os canhões apareceram nos campos de batalha europeus ainda no século XIV, na batalha de Crecy, onde em 1346 a França sofreu sua primeira grande derrota na Guerra dos Cem Anos. Desde então diversas inovações foram sendo incorporadas ao uso das peças de artilharia, tanto na teoria das trajetórias dos projéteis, como nas técnicas de carregamento, disparo e materiais utilizados. Em particular, o conhecimento das trajetórias percorridas pelos projéteis somente pode ser estudado de forma sistemática e precisa com os trabalhos de Galileu Galilei no século XVIII. Até então predominavam teorias que não levavam em conta a aceleração da gravidade terrestre nem a forma dos projéteis disparados. Desde o século X a Europa cobriu-se de fortalezas que garantiam a segurança dos representantes da nobreza em seus castelos. O canhão mudou toda essa pretensão de segurança - mesmo sendo um armamento perigoso na sua manipulação, pois podia explodir facilmente e isso acontecia com frequência (Cipolla, 1989) se bem utilizado, era capaz de romper as muradas das fortalezas medievais, com isso mudando o equilíbrio militar existente até o século XIV. O desenvolvimento da alma raiada foi uma inovação tecnológica que garantiu o uso pretensamente cirúrgico dos canhões. A partir da sua utilização e desenvolvimento, os tiros com peças de artilharia ficaram mais confiáveis e precisos. A maioria dos historiadores afirma (Alves, 1959) que foi A. Kother, de Nuremberg, Alemanha, o primeiro a utilizar em canhões o princípio da alma raiada já em As raias dos canhões de Kother já eram helicoidais, mas como esses canhões ainda utilizavam projéteis esféricos, pouca rotação era imprimida nos mesmos, uma vez que o contato da bala com as raias do cano era mínimo pois as esferas em rotação tocam as superfícies apenas nos seus hemisférios. Os canhões de Kother não tiveram sucesso e foram rapidamente abandonados. Com a utilização posterior de projéteis não esféricos, o contato com o interior do cano (sua alma) ficou maior, promovendo uma fricção suficiente para provocar o movimento de rotação do projétil dentro do cano da arma. Com o desenvolvimento do conceito de Momento Angular, cada vez mais os disparos ficaram mais precisos e confiáveis.

7 Os canhões com alma raiada passaram por processos de fabricação cada vez mais sofisticados e a partir de 1867 a fábrica alemã Friedrich Krupp, de Essen, começou a produzir canhões de aço com alma raiada, cuja fabricação exigia processos altamente elaborados. Segundo o historiador militar Adler de Castro: A combinação de tubos-alma raiados, em aço, mecanismos de vedação mais eficientes e explosivos mais possantes tornou o canhão, na segunda metade do século XIX, uma arma com enorme poder de destruição. (Castro, 1991, p.58). O surgimento dos tubos com alma raiada foi um diferencial importante, talvez o mais importante, para a melhoria da precisão e do alcance dos projéteis disparados por canhões. 4. CONCLUSÃO A tecnologia associada a fabricação de canhões e sua utilização estiveram desde o século XIV ligadas à história dos conflitos entre nações e povos. Portanto conhecer os conceitos básicos dessa tecnologia e como ela é utilizada pode ser de interesse para aqueles que de uma forma ou de outra se interessam pela história dos conflitos militares que se confunde com a própria história das nações. Assim, ao longo desse trabalho, procuramos apresentar os elementos básicos do funcionamento dos canhões, em particular da tecnologia de lançamento de projéteis daquelas peças de artilharia que possuem alma raiada, mostrando sua superioridade sobre os de alma lisa. Apresentamos os conceitos mais importantes associados à precisão e alcance do tiro, sempre pensando no leitor não especializado que, entretanto, procura compreender minimamente os mecanismos que diferenciam os artefatos historicamente utilizados ao longo dos tempos e em diversas situações onde a história das ciências e das técnicas podem ser essenciais para a compreensão dos fatos e, por extensão, da própria história. REFERÊNCIAS ALVES, J.V.P.F. Seis séculos de artilharia. Rio de Janeiro: Biblioteca do Exército Editora CASTRO, A.H.F. & BITTENCOURT, J.N. Armas, ferramentas da paz e da guerra. Rio de Janeiro: Biblioteca do Exército Editora CIPOLLA, C.M. Canhões e velas na primeira fase da expansão europeia. Lisboa: Editora Gradiva

8 HEWITT, P.G. Física Conceitual. Porto Alegre: Editora Bookman NUSSENZVEIG, H.M. Curso de Física Básica. São Paulo: Editora Blucher