Movimento no espaço curvo altera leis da física

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/08/2022

Este robô implementa na prática um espaço curvo.
[Imagem: Shengkai Li et al. - 10.1073/pnas.2200924119]

Quebrando a lei da conservação do momento

Quando humanos, animais e máquinas se movem, eles sempre se apoiam em algo, "empurrando" esse algo - seja o solo, o ar ou a água - no sentido oposto ao do seu movimento.

Os livros de física nos dizem que isso é sempre assim, seguindo a lei da conservação do momento, ou lei da conservação da quantidade de movimento - sempre que um corpo ganha quantidade de movimento, outro corpo perde igual quantidade de movimento.

Mas parece que esta não é a história toda, conforme acabam de demonstrar Shengkai Li e colegas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos EUA.

Li construiu um robô que demonstra exatamente o oposto desse "comportamento constante" da natureza: Quando um objeto existe em um espaço curvo, ele pode de fato se mover sem empurrar algo.

O robô fica confinado a uma superfície esférica, com um nível sem precedentes de isolamento do ambiente, de modo que os efeitos induzidos pela curvatura predominassem.

"Nós fizemos nosso objeto, que muda de forma, se mover no espaço curvo mais simples, uma esfera, para estudar sistematicamente o movimento no espaço curvo," explicou o professor Zebg Rocklin. "Nós aprendemos que o efeito previsto, que era tão contra-intuitivo que foi descartado por alguns físicos, de fato ocorreu: À medida que o robô mudava de forma, ele avançava em torno da esfera de uma maneira que não podia ser atribuída a interações ambientais."

Detalhes do experimento.
[Imagem: Shengkai Li et al. - 10.1073/pnas.2200924119]

Implementação de um espaço curvo

Para confinar o objeto sobre a esfera com o mínimo de interação ou troca de momento com o ambiente no espaço curvo, o robô possui um conjunto de motores que se move em trilhas curvas, como massas em movimento.

Esse sistema foi conectado a um eixo giratório, para que os motores sempre se movessem sobre a esfera. O eixo é apoiado em rolamentos de ar e buchas, para minimizar o atrito, e o alinhamento do eixo foi ajustado com a gravidade da Terra, para minimizar a força residual da gravidade.

Conforme o robô se movia, a gravidade e o atrito exerciam pequenas forças sobre ele. Essas forças hibridizaram com os efeitos de curvatura, produzindo uma estranha dinâmica com propriedades que nenhuma daquelas forças poderia induzir sozinha.

O que se vê então é uma demonstração de como se pode construir espaços curvos, e como eles fundamentalmente desafiam as leis da física - e a nossa intuição - pensadas para o espaço plano.

"Na dinâmica newtoniana, a aceleração requer força, o que significa que um objeto estacionário não pode se mover sem trocar momento com seu ambiente. Aqui, nós concretizamos um sistema que desafia esse requisito: Um robô confinado a uma esfera. À medida que o dispositivo muda ativamente sua forma, a não comutatividade de 'translações' em espaços curvos permite que ele avance sem forças de atrito ou gravitacional, semelhante a como um gato em queda pode usar mudanças de forma para controlar sua orientação, mas não sua posição," resumiu a equipe.

Aplicações no espaço

Embora os efeitos sejam pequenos, à medida que a robótica se torna cada vez mais precisa, entender esse efeito induzido pela curvatura pode ser de importância prática, assim como a ligeira mudança de frequência induzida pela gravidade se tornou crucial para permitir que os sistemas GPS transmitissem com precisão nossas posições aos satélites em órbita.

Em última análise, os princípios de como a curvatura de um espaço pode ser aproveitada para a locomoção podem permitir que uma espaçonave navegue no espaço altamente curvo ao redor de um buraco negro, sugere a equipe.

"Esta pesquisa também está relacionada ao estudo do 'motor impossível'," disse Rocklin, referindo-se a um motor que funciona continuamente. "Seu criador alegou que ele poderia avançar sem qualquer propelente. Esse motor era de fato impossível, mas, como o espaço-tempo é muito ligeiramente curvo, um dispositivo poderia realmente avançar sem nenhuma força externa ou emissão de um propulsor - uma descoberta fora do comum."

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