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Distribuição Gratuita - nº 12 | Jun / Jul 2015
Vai além da sala de aula
controle
de
vibrações
O edifício Taipei 101 conta
com tecnologia avançada de
amortecimento para evitar o
desconforto e possíveis danos
estruturais causados por
vibrações. Leia na página 10
SONDAS ESPACIAIS
como elas nos ajudam a entender a
evolução do Sistema Solar e da Terra
página 3
HACKING
segurança de sistemas em
cirurgias teleoperadas
página 6
BOTÂNICA
comportamentos peculiares
de plantas carnívoras
página 16
DO MODELO
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Tecnologia
na
exploração
Espacial
texto por Cristian Westphal
edição por Raisa Jakubiak e André Sionek
Há séculos o homem tenta compreender
melhor o universo e sua origem. A observação do espaço conhecido na astronomia
antecede a história registrada confiável,
e foi a partir da descoberta do planeta
Júpiter e suas quatro principais luas pelo
astrônomo Galileu Galilei, em 1610, que
mudamos para sempre a nossa visão sobre
o universo. Mas foi somente com o desenvolvimento de foguetes e tecnologias mais
avançadas que a exploração espacial se
tornou realidade.
Galileu Galilei - Imagem: iryna1 / Shutterstock.com
E
ntre a metade do século XX e início do século
XXI, pessoas foram enviadas para a Lua, robôs
para o planeta Marte e sondas espaciais foram
lançadas com o objetivo de alcançar os confins do
nosso Sistema Solar. Telescópios espaciais orbitam a
Terra trazendo imagens feitas a milhares de anos-luz
para mais perto de nós. Não apenas isso, mas muitos
objetos que hoje são de uso cotidiano nasceram das
necessidades dos programas espaciais, sendo um dos
principais motores de inovação tecnológica. As limitações de peso e volume em missões espaciais, por
exemplo, foram definitivas no desenvolvimento de
dispositivos eletrônicos compactos, além do grande
avanço nas telecomunicações. Graças a isso que hoje
temos smartphones, tablets e laptops.
Dentre as diversas missões já planejadas, a
Sonda Espacial Galileo é uma das que puderam revolucionar não só a exploração espacial, mas também
áreas do conhecimento como astrobiologia, astrofísica e biologia. Ela foi lançada em 1989 a fim de colher
informações sobre os gigantes gasosos - planetas com
grandes diâmetros e massa, compostos principalmente de hidrogênio, hélio e metano, os mesmos
presentes na nebulosa que deu origem ao Sistema
Solar, podendo apresentar um pequeno núcleo sólido
rochoso no seu interior.
A missão principal da Galileo era estudar o
planeta Júpiter e suas principais luas. Durante seu
percurso, no ano de 1994, ela foi posicionada perfeitamente para observar a colisão dos fragmentos do
Cometa Shoemaker-Levy 9 com o planeta. Foram
quase seis anos de viajem pelo espaço até chegar no
seu destino final, em dezembro de 1995.
Antes de mergulhar na atmosfera de Júpiter e
ser esmagada pela força gravitacional, cerca de 2,5
vezes maior que na Terra, Galileo coletou muitas
informações sobre o planeta e seu entorno. Através de
um sensor chamado Espectrômetro de Mapeamento
do Infra-vermelho Próximo (NIMS), os cientistas
puderam observar que ao menos quatro camadas
diferentes de nuvem formam a face visível de Júpiter,
tendo em sua composição desde água na parte inferior
da atmosfera, até amônia e sulfeto de hidrogênio na
parte superior. Imagens captadas pelo NIMS mostraram que a Grande Mancha Vermelha - uma grande
tempestade presente na atmosfera do planeta, com
aproximadamente de 16.100 km de comprimento também é formada por espirais de nuvens avermelhadas separadas por camadas. Um dos mais intrigantes quebra-cabeças científicos investigado pela
Galileo foi a ligação do enorme campo magnético
de Júpiter, o mais forte dentre todos os planetas do
www.polyteck.com.br | Revista Polyteck | 3
nosso sistema, com suas quatro grandes luas. Ele foi cuidadosamente estudado pelo magnetômetro da espaçonave durante cada
sobrevôo nessas luas. A análise dos resultados coletados mostrou
que três luas do gigante gasoso (Ganimedes, Europa e Callisto)
possuem seus próprios campos magnéticos, enquanto a lua Io não
possui. No mês de março deste ano, o Telescópio Espacial Hubble
confirmou que Ganimedes possui um oceano por baixo de uma
camada superficial de gelo. Observações de Europa apoiaram a
teoria de que um oceano com água líquida também poderia existir abaixo de sua superfície.
Juno e as origens do Sistema Solar
A sonda Juno, lançada no topo de um
foguete Atlas V, começou sua jornada a
Júpiter com um lançamendo espetacular.
Foto: NASA/Bill Ingalls
Imagem de Júpiter, o maior planeta do Sistema Solar, e suas
luas Io e Ganímedes capturada
pelo astrônomo amador Damian
Peach em 12 de setembro de 2010,
quando o planeta estava próximo
da oposição. O sul está para cima,
e a Grande Mancha Vermelha
é visível na imagem. Foto: Nasa/
Damiam Peach
4 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
Porém, as missões para Júpiter não acabaram com o fim
de Galileo. Em 2011, a sonda Juno foi lançada ao espaço e deverá
chegar ao planeta em julho de 2016. Ela está equipada com uma
poderosa instrumentação para exploração, incluindo espectrômetros em vários comprimentos de onda, detectores de plasma
e partículas energéticas e um magnetômetro.
Ao chegar, a nave irá orbitar Júpiter 32 vezes a cerca de 5.000
km acima do teto de nuvens. Este processo deve durar cerca de
um ano. Para evitar a maioria das zonas de radiação do planeta,
a Juno utiliza uma nave rotatória movida a energia solar, além de
uma órbita elíptica. Isso faz com que a “mira” da nave se torne
estável e fácil de controlar. A cada rotação, os campos de visão
dos instrumentos mudam.
A Juno será a primeira nave movida a energia solar projetada pela NASA a operar tão longe do Sol. Para se ter uma ideia,
Em 5 de junho de 2015, a sonda
Juno estava a aproximadamente
740 milhões de quilômetros
da Terra. A esta distância, o
tempo de viagem de um sinal
de rádio da Terra para Juno é
de 41 minutos. A sonda viaja
a uma velocidade aproximada
de 36 km/s em relação à Terra
e 10 km/s em relaão ao Sol.
Até agora, Juno já viajou 2,56
bilhões de quilômetros desde
o seu lançamento e deve percorrer mais 265 milhões antes
de entrar em órbita de Júpiter.
Imagem: NASA/JPL-Caltech
Júpiter orbita o Sol a uma distância cinco vezes maior do que
a Terra, o que significa que o planeta gigante recebe 25 vezes
menos radiação solar do que nós (a intensidade da radiação
diminui com o quadrado da distância). No entanto, a Juno
está equipada com células solares ultra modernas que são 50%
mais eficientes e tolerantes à partículas carregadas, presentes em um cinturão em torno do planeta, do que as células
fotovoltaicas de silício disponíveis para missões espaciais há
20 anos, época em que Galileo foi lançada. As necessidades
energéticas da missão são baixas, com os instrumentos operando em potência total durante apenas seis horas dos 11 dias
necessários para completar uma órbita completa no planeta.
Debaixo de sua densa cobertura de nuvens, Júpiter
guarda segredos dos processos e condições fundamentais
que governaram nosso Sistema Solar durante a sua formação.
As teorias mais aceitas consideram que tudo começou com o
colapso de uma gigantesca nuvem de gás e poeira, cuja maioria formou o recém-nascido Sol. Devido às semelhanças na
composição gasosa entre o Sol e Júpiter, assume-se que ele
se formou cedo no Sistema Solar, capturando a maioria do
material que sobrou após o nascimento de nossa estrela. No
entanto, a maneira com que isso ocorreu ainda não é clara.
Diferente da Terra, a grande massa de Júpiter permitiu
que ele mantivesse sua composição original, garantindo-nos
uma maneira de rastrear a história do Sistema Solar. Com
sua robusta quantidade de instrumentos científicos, a Juno
irá investigar a existência de um núcleo planetário sólido,
mapear o campo magnético intenso de Júpiter, medir a quantidade de água e de amônia na atmosfera, além de observar
a presença de auroras no planeta. Estas são informações
cruciais para compreender tanto a origem de Júpiter como
a do Sistema Solar. Além disso, através do mapeamento dos
campos gravitacional e magnético do gigante gasoso, a Juno
deverá revelar a estrutura interior do planeta e medir a massa
do seu núcleo. Enquanto aguardamos os resultados, podemos
usufruir dos avanços que o desenvolvimento de sondas espaciais propiciaram para aplicações que usualmente não vão pra
tão longe de casa. ■
Fontes:
»» M. J. S. Belton et al., “Galileo’s First Images of Jupiter and the
Galilean Satellites”, Science, 274, 5286, 377-385 (1996)
»»A. S. McEwen et al., “Galileo at Io: Results from HighResolution Imaging”, Science, 288, 5469, 1193-1198 (2000)
»» Joseph A. Burns et al., “The four hundred years of planetary
science since Galileo and Kepler”, Nature 466, 575–584 (2000)
»» Ichiko Fuyuno et al., “Space exploration: A shot in
the dark?”, Nature 439, 132-133 (2006)
»» Margaret G. Kivelson et al., “Galileo Magnetometer
Measurements: A Stronger Case for a Subsurface Ocean
at Europa”, Science, 289, 5483, 1340-1343 (2000)
»»Agência Espacial Americana (NASA)
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Foto: DLR MiroSurge
Segurança
em cirurgias
operadas
por robôs
texto por Raisa Jakubiak
6 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
C
irurgias são procedimentos médicos invasivos amplamente utilizados que, na maioria das vezes,
resultam em grande desconforto para
o paciente durante sua recuperação. No
método convencional, os médicos cirurgiões têm que abrir o paciente, cortando
pele e tecidos para ter acesso às estruturas e órgãos envolvidos na operação.
Nas últimas décadas, evoluções
da medicina e de diversas tecnologias
iniciaram uma revolução na maneira
como cirurgias podem ser realizadas.
Para reduzir o desconforto e os impactos negativos dos procedimentos cirúrgicos convencionais, um novo tipo de
cirurgia vem sendo utilizado nas últimas décadas: a Cirurgia Minimamente
Invasiva (CMI), ou laparoscópica. Na
CMI, instrumentos laparoscópicos como
trocartes e cânulas, agulhas, dissectores,
pinças, tesouras, portagulhas e grampeador são inseridos no corpo através de
pequenas incisões. Os cirurgiões então
realizam a operação de maneira remota,
manipulando os instrumentos através
de uma interface controladora e de imagens fornecidas por um espectroscópio.
No entanto, apesar de as CMI
reduzirem o trauma ao corpo, dor pós-operatória e duração da internação do
paciente quando se comparado à cirurgia convencional, ela também tem seus
Foto: Raven Surgical Robot / University of Wahsington
Foto: Applied Dexterity
desafios. Além da falta de destreza e
capacidade de manipulação fina, há a
falta sensibilidade no que diz respeito
à interação instrumento – tecido.
Estas são dificuldades já conhecidas
e há centenas de trabalhos no que
diz respeito à tecnologia para minimizar o impacto destes fatores.
Outra evolução de grande
impacto é a telecirurgia, que são
cirurgias realizadas a distância em
que é possível controlar robôs remotamente para que realizem os procedimentos, tanto convencionais
como laparoscópicos (apesar da
grande maioria das telecirurgias ser
realizada por laparoscopia). A primeira telecirurgia da história aconteceu em 2001, quando um cirurgião em Nova Iorque removeu, com
sucesso, a bexiga de um paciente
em Strasbourg, França – cerca de
6.000 km de distância. Na época, a
comunicação entre os dois pontos
foi realizada através de fibras ópticas
dedicadas fornecidas especialmente
para a operação por uma empresa de
telecomunicações. Esta é uma opção
caríssima, já que os custos da cobertura de grandes distâncias com fibras
ópticas dedicadas podem chegar a
dezenas de milhares de dólares.
Desde então, com o avanço
rápido das tecnologias de telecomunicação, os médicos cirurgiões vêm
testando procedimentos de telecirurgia com conexões comuns pela internet, o que é significativamente mais
barato. No entanto, apesar de até hoje
nenhum incidente em relação a estes
procedimentos ter sido registrado,
recentemente especialistas em segurança digital chamaram a atenção
para outro potencial problema desta
tecnologia. E se hackers quisessem
tomar o controle dos robôs que controlam os instrumentos cirúrgicos?
Insegurança
Atualmente, pós graduandos
da Universidade de Washington,
em Seattle, como Tamara Bonaci,
estão analisando os potenciais riscos envolvidos nas telecirurgias no
que se diz respeito às telecomunicações. Várias aplicações da telerobótica, campo que estuda o controle
remoto de robôs, têm sido exploradas, como detecção e desarme de
bombas, resgate e procedimentos
cirúrgicos à distância. Nestas atividades, os robôs atuam como extensões
de pessoas, que interagem com eles
através de um canal de comunicação.
O objetivo do projeto de
Bonaci e seus colegas é desenvolver
ferramentas que evitem ameaças de
segurança em telerobótica, procurando soluções para atividades maliciosas através do seu monitoramento
e detecção. Parte disso é realizado
adaptando técnicas de segurança
virtual e as estendendo para sistemas
com interface virtual-física. Assim, é
necessário obter conhecimento sobre
os vínculos físicos e interações entre
as componentes virtuais e físicas do
sistema que interferem na segurança.
Com esta base de conhecimentos, os pesquisadores estão desenvolvendo um sistema de monitoramento
que coleta os comandos do operador e as ações dos robôs. Se houver
discrepâncias entre os comandos e
ações, é sinal de alerta. Para testar o
método e explorar o problema, eles
mostram como um hacker pode invadir e manipular o comportamento
de um telerobô durante a cirurgia,
podendo inclusive tomar o controle
total. Eles utilizaram o robô Raven
II, desenvolvido pela Universidade
de Washington, que tem o objetivo
de diminuir de maneira drástica o
tamanho deste tipo de equipamento,
ao mesmo tempo que aumenta sua
durabilidade para que possa ser utilizado em ambientes inóspitos.
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Raven II
O robô consiste em dois braços cirúrgicos manipulados por um
cirurgião, que utiliza um sistema
de controle de última geração que
inclui vídeo e feedback tátil. O robô
funciona através de um único computador que roda softwares abertos,
como Linux e o Sistema de Operação
de Robôs. Ele se comunica com o
console de controle utilizando um
protocolo padrão de comunicação para cirurgias remotas conhecido como Interoperable Telesurgery
Protocol. Esta comunicação acontece através de redes públicas que
são facilmente acessíveis a qualquer
um. Além disso, como os robôs são
projetados para operar sob condições extremas, estes links podem
ser até conexões de internet de baixa
qualidade, até mesmo wireless.
E é aí que entra o risco: “Devido
à natureza aberta e incontrolável das
redes de comunicação, torna-se fácil
para entidades maliciosas obstruir,
desfazer ou tomar controle da comunicação entre robô e cirurgião”, disse
Bonaci ao MIT Technology Review.
Logo, para desenvolver seu
método de segurança em telecirurgias, foi exatamente isto o que
a equipe fez: tentar vários tipos
de cyber ataque no robô para avaliar o quão fácil seria comprometer seu funcionamento.
Teste de segurança
O experimento é relativamente simples: ao invés de realizar
uma cirurgia de verdade, o operador
tem que controlar os braços robóticos para mover bandas elásticas
em um pegboard de um pino para
outro. A equipe então mede o quão
rápido o operador consegue completar a tarefa antes e durante o ataque,
observando as dificuldades na operação geradas pela interferência.
O console controlador é conectado ao robô através de uma rede
comum, à qual o computador do
hacker também está conectado. Este
arranjo permite ao computador malicioso manipular os sinais mandados
em ambas as direções entre o console
controlador e o robô, ou seja: o robô
pode tanto agir de maneira diferente do que foi comandado, quanto
o operador pode receber informações erradas sobre os tecidos em
que está trabalhando, por exemplo.
A equipe experimentou três
tipos de ataque. O primeiro muda os
comandos mandados pelo operador
ao braço robótico, deletando, atrasando ou reordenando os dados. Isto
faz com que os movimentos do robô
fiquem erráticos e dificulta seu controle. É possível ver, em um vídeo
apresentado pela equipe na conferência HealthTech 2014, que o robô derruba a banda elástica algumas vezes.
Caso fosse uma cirurgia real, com
os robôs manipulando instrumentos
Devido à
“
natureza aberta e
incontrolável das
redes de comunicação,
torna-se fácil para
entidades maliciosas
obstruir, desfazer ou
tomar controle da
comunicação entre
robô e cirurgião”
afiados, o incidente poderia causar
sérios danos aos tecidos do paciente.
O segundo tipo de ataque
modifica as intenções dos sinais do
operador para o robô, alterando os
pacotes de feeback. Ou seja, ele muda
a distância que um braço deveria
se mover, o ângulo de rotação, etc,
influenciando assim nas decisões do
cirurgião. Segundo Bonaci, a maioria
dos ataques teve impacto no Raven
II imediatamente após iniciados.
Já o terceiro tipo de ataque é uma invasão que assume
controle total sobre o robô.
Impressionantemente, fazer isso
é fácil, já que o Protocolo para
Telecirurgia é aberto. Neste ataque, a equipe conseguiu tomar controle total sobre o procedimento.
Além de tudo, a conexão
de vídeo também é acessível ao
público, possibilitando que qualquer
8 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
um assista a cirurgia a qualquer
momento. Assim, não é difícil imaginar como estes ataques poderiam
gerar consequências letais ao paciente.
Soluções
Após concluir o quão simples
foi invadir e comprometer o funcionamento destes sistemas, Bonaci e
companheiros também sugeriram
maneiras de prevenir ataques. Eles
inclusive, durante os ataques, estudaram como gerar movimentos que
acionavam o mecanismo de parada
automática no robô, como mover os
braços além de distâncias pré definidas ou realizar movimentos muito
bruscos. Quando estes comandos
eram enviados repetidamente, foi
possível executar um estado de “serviço negado”, parando o robô completamente. No entanto, isso fez com
que o robô não pudesse ser nem resetado, impossibilitando qualquer procedimento cirúrgico. Isto torna este
mecanismo de parada desinteressante.
A solução mais óbvia para prevenir ataques seria criptografar as
comunicações entre o console de controle e o robô. A equipe inclusive testou a ideia e garantiu que o robô funcionou da maneira esperada. “O uso
de criptografia e autenticação é barato
e traz grandes benefícios à cirurgia
teleoperada, anulando muitos dos
ataques testados”, concluiu a equipe.
No entanto, a criptografia não
é capaz de evitar todos os tipos de
ataque. Em particular, ainda é possível interceptar os sinais “na mão”
em ambas as direções, enviando
sinais falsos enquanto as duas partes acham que estão se comunicando propriamente. Desta maneira,
será necessário desenvolver estudos em que tipo de segurança é
mais vantajosa em telecirurgias.
Este projeto reúne várias
áreas do conhecimento, como robótica, computação, segurança de
redes, teoria de controle e aprendizado de máquina com o objetivo
de compreender sistemas robóticos teleoperados complexos e também projetar sistemas que forneçam
segurança e garantia de privacidade. A equipe já tem uma série de
patentes na área utilizando vários
métodos de prevenção de ataques, e
espera-se que logo tenham uma solução definitiva para evitar intervenções
maliciosas a sistemas de telecirurgia. ■
Fontes:
»“Security
»
Experts Hack Teleoperated Surgical
Robot”, MIT Technology Review, 24/04/2015
»»Ali Talasaz, “Haptics-Enabled Teleoperation for
Robotics-Assisted Minimally Invasive Surgery”,
University of Western Ontario - Electronic
Thesis and Dissertation Repository. (2012)
»»Tariq Yusuf et al., “Dr. Hacker, I Presume? An
Experimentally-based Discussion about Security of
Teleoperated Surgical Systems”, USENIX Summit
on Health Information Technologies (2014)
»» Peter Berkelman,“A Compact, Modular,
Teleoperated Robotic Minimally Invasive
Surgery System”, Ji Ma Biomedical
Robotics and Biomechatronics (2006)
»»A. M. Okamura, “Methods for haptic
feedback in teleoperated robot-assisted surgery”
Ao invés de realizar uma cirurgia de verdade, no experimento o operador controlava os braços robóticos para mover bandas elásticas em um pegboard de
um pino para outro, durante um ataque. É possível ver, em um vídeo apresentado pela equipe na conferência HealthTech 2014, que o robô derruba a banda
elástica algumas vezes. Foto: Raven Surgical Robot / University of Wahsington
,Public Manuscript na US National Library
of Medicine National Institutes of Health
»» http://www.tamarabonaci.com/
www.polyteck.com.br | Revista Polyteck | 9
controle
de
vibrações
texto por André Sionek
Tradicionalmente, estruturas são projetadas para resistir a
cargas estáticas. Porém, elas podem estar sujeitas a eventos que geram cargas dinâmicas, como terremotos, ventos,
ondas e tráfego. Este tipo de carga pode causar movimentos
vibratórios que podem prejudicar a estrutura e trazer perigo
para aqueles em seu interior. Em prédios altos, por exemplo,
as vibrações induzidas pelo vento podem causar desconforto
aos ocupantes - especialmente nos andares superiores - ou
danos estruturais. Devido a isso, engenheiros do mundo todo
estudam formas de desenvolver estruturas mais seguras. Por
exemplo, alguns projetos que enfrentaram problemas com
vibrações viram fonte de estudo e acabam servindo como
fonte de conhecimento para evitar problemas semelhantes
no futuro. Da mesma maneira, projetos que contam com
tecnologia avançada de amortecimento de vibrações também são extensivamente estudados.
10 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
Oferecimento
Cenas do colapso
de Tacoma Narrows
Fonte: YouTube
A
Tacoma
Narrows
ponte pênsil de Tacoma Narrows
foi aberta para o tráfego em primeiro de julho de 1940. A secção
central da ponte, localizada no estado
de Washington, nos EUA, tinha 853 m
de comprimento, a terceira mais longa
do mundo. Desde o dia de sua inauguração, a força do vento fazia o vão central subir e descer alguns centímetros,
o que, apesar de não alarmar os motoristas e engenheiros, causava enjoos em
algumas pessoas. Tacoma Narrows foi
a primeira ponte que Leon Moisseiff
projetou como engenheiro chefe. Ele foi
um reconhecido engenheiro de pontes suspensas - um dos responsáveis
pela Manhattan Bridge sobre o East
River em Nova Iorque, e também pela
Benjamin Franklin Bridge sobre o Rio
Delaware, em Filadélfia. Moisseiff ficou
famoso pelo seu trabalho com a teoria da deflexão, em que afirmava que
quanto mais longas fossem as pontes, mais flexíveis elas poderiam ser.
A teoria de Moisseiff afirmava
que a força do vento em vãos longos
é transferida principalmente para os
cabos em vez das estruturas rígidas.
Quanto maior o estresse nos cabos,
mais difícil para deslocar a ponte lateralmente. Esta teoria permitiu que o
projeto de Tacoma Narrows fosse muito
mais econômico devido, principalmente, aos menores suportes de vigas
metálicas. Por isso ela era muito leve e
flexível, oferecendo pouca resistência
ao vento. O fato é que todas as pontes
se movem com o vento, porém quanto
mais rígida a ponte, menos ela reagirá
às forças do vento. Tacoma Narrows,
por ser mais flexível, movia-se mais.
A ponte havia sido bem projetada e construída, mas ao perceber que
as ondulações verticais causadas pelo
vento chegavam a uma amplitude de
quase um metro, os engenheiros instalaram uma série de cabos auxiliares ao
longo dos vãos da ponte para mantê-la
mais estável e evitar que girasse. Porém,
na manhã de 07 de novembro de 1940, a
ponte enfrentou ventos sustentados de
68 km/h que a fizeram vibrar de uma
maneira não usual. Os cabos auxiliares que tensionavam o vão central
para baixo romperam e o vento causou
movimentos de torsão de até 45 º e oscilações com amplitude de mais de oito
metros. O colapso começou quando as
vigas de reforço começaram a deformar
e o concreto rachou, fazendo com que
os cabos de suspensão rompessem sob
o estresse e a secção central caísse na
água. Tudo foi gravado em vídeo, o que
permitiu aos engenheiros estudar em
detalhes o que aconteceu com a ponte.
O colapso de Tacoma Narrows
teve efeitos duradouros em ciência e
engenharia. Muitos textos de física na
graduação apresentam o caso como um
exemplo do poder destrutivo da ressonância - fenômeno que ocorre quando
um sistema físico recebe energia por
meio de excitações com freqüência
igual a uma de suas freqüências naturais de vibração, levando-o a vibrar com
amplitudes cada vez maiores. Porém, a
teoria mais aceita diz que o colapso foi
causado por vibrações aeroelásticas: à
medida que o deck da ponte torcia em
uma direção, as forças do vento atuando sobre a sua superfície aumentavam. Quando ela rodava novamente,
estas forças a empurravam na direção
oposta. À medida que o deck do vão
central rodava mais e mais, as forças
atuando sobre a sua superfície aumentavam, o que levou aos movimentos
de oscilação que causaram o colapso
da ponte. Exceto por um cachorro que,
muito assustado, não saiu de um carro
abandonado sobre o vão central, não
foi registrada nenhuma fatalidade.
Um dos fatores que contribuíram
para o fracasso de Tacoma Narrows
foram os lados sólidos de sua plataforma, que não permitiam a passagem do vento e forçavam a estrutura a suportar a força de arrasto das
rajadas de vento. Outra medida que
poderia ter contido o colapso seria
a instalação de amortecedores para
absorver e dissipar a energia das oscilações. O acidente impulsionou a pesquisa no campo de aerodinâmica
de pontes, que influenciou todos os
projetos de pontes de longa extensão construídos a partir de 1940.
www.polyteck.com.br | Revista Polyteck | 11
controle de vibrações
Millennium Bridge
Outro exemplo menos trágico ocorreu com
a Millennium Bridge, uma passarela de pedestres
em Londres, na Inglaterra. Sua inauguração, em
10 de junho de 2000, contou com uma multidão de
mais de mil pessoas, com direito a banda e tudo
mais. Porém, quando eles resolveram atravessar
a ponte houve um imediato e pronunciado movimento lateral do deck. O movimento foi tão forte
que as pessoas tiveram que parar de caminhar
para recuperar o equilíbrio e, em alguns momentos, tiveram de segurar nos corrimãos. Mesmo
limitando o número de pessoas na ponte, a movimentação era suficiente para que os pedestres se
sentissem desconfortáveis, levantando questões
sobre a segurança da obra. Registros em vídeo
mostraram que a secção sul da passarela estava
se movendo com amplitude de 5 cm a 0,8 Hz e o
vão central a 1 Hz e 7,5 cm de amplitude. Ela foi
fechada dois dias depois da inauguração para que
o problema fosse resolvido, e só foi reaberta cerca
de um ano e meio depois.
A hipótese de que o vento havia contribuído
para a vibração da ponte foi rapidamente descartada. Outra explicação foi de que o acoplamento
dos movimentos laterais e torsionais do deck estava
permitindo que a excitação vertical causada pelos
passos dos pedestres transferisse energia para o
modo de vibração lateral. Porém, a oscilação de
1 Hz do vão central era somente o segundo modo
12 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
de vibração do deck, com um nó no centro do
vão e dois nós nos pilares das pontes. Como esse
modo não permite praticamente nenhum movimento de torsão, os engenheiros concluíram que
este possível acoplamento com a vibração vertical
não foi significativo para o movimento lateral da
Millennium Bridge.
Um programa de pesquisa foi imediatamente
lançado pelos engenheiros que projetaram a ponte
com o apoio de várias universidades e institutos
de pesquisa. Ao analisar a literatura de pontes, os
pesquisadores encontraram um exemplo similar
em um relatório alemão de 1972 que descrevia a
vibração lateral que ocorreu durante a abertura de
uma passarela de aço com a presença de aproximadamente 400 pessoas. A explicação encontrada
para a vibração da passarela foi que o centro de
gravidade de uma pessoa caminhando desloca-se
para a direita e esquerda com a metade da frequência com a qual ela caminha. O passo médio de
caminhada de uma pessoa é aproximadamente 2 Hz
- logo, o seu centro de massa oscila com frequência próxima de 1 Hz. Como a Millennium possuía
um modo de vibração lateral de aproximadamente
1,1 Hz, o movimento do centro de gravidade dos
pedestres entrou em ressonância com a frequência
natural da ponte.
Em um artigo de 1993, Fujino et al. analisaram o movimento das cabeças dos pedestres em
Oferecimento
uma ponte de comprimento similar à Millennium
Bridge e que sofreu o mesmo problema de vibração lateral. É fácil imaginar que as pessoas, caminhando a uma mesma velocidade, vão naturalmente sincronizar os seus passos umas com as
outras e, inconscientemente, ajustar a fase dos
passos de todo o grupo, de forma que a força
aplicada sobre a ponte aumentará. Se a frequência dos passos for próxima à frequência natural
de vibração da estrutura, ela começará a vibrar
devido à ressonância. Fujino concluiu, ainda, que
o movimento lateral do deck encoraja os pedestres
a caminhar em fase: é mais confortável caminhar
em sincronia com o balanço da passarela. Esse
comportamento instintivo faz com que as passadas sejam aplicadas de forma ressonante com a
estrutura, e com uma fase de modo a aumentar
a amplitude do seu movimento.
Embora este efeito de excitação lateral sincronizado já tivesse sido relatado anteriormente,
ele ainda não era bem conhecido na época da
construção da Millennium Bridge, e não estava
incorporado nos manuais de pontes. Afinal, ninguém imaginava que os pedestres poderiam sincronizar a sua passada tão facilmente e que isso
causaria uma força lateral tão grande sobre a
estrutura.
O grupo de pesquisa formado após a interdição da Millennium começou a coletar informações específicas sobre a ponte. Os principais testes incluíram chacoalhar o deck artificialmente
para confirmar o formato dos modos de vibração
e como se dava o amortecimento. Uma série de
testes com várias quantidades de pedestres caminhando a diferentes velocidades em cada secção também forneceu dados quantitativos sobre
o fenômeno de excitação lateral sincronizada.
Com os dados, os pesquisadores construíram um
modelo de auto-excitação para prever a resposta
estrutural em diversas situações.
Uma possível solução para a Millennium
Bridge seria deixá-la mais rígida para aumentar
as suas frequências naturais e eliminar a excitação
externa, o que, no entanto comprometeria seriamente o design artístico da obra. A alternativa
foi encontrar maneiras de aumentar o seu baixo
amortecimento, de forma que a auto-excitação
não ocorresse. Os pesquisadores descobriram que
o movimento da passarela aumentaria abaixo de
um determinado nível de amortecimento e que,
acima dele, o efeito de ressonância não ocorreria
mais. Determinar este nível e instalar o amortecimento adequado foi uma tarefa desafiadora, que
envolveu a adição de 37 amortecedores lineares
viscosos e mais de 50 amortecedores de massas
sintonizadas à estrutura inicial. Hoje, a ponte
é, provavelmente, a estrutura com sistema de
amortecimento passivo mais complexo no mundo.
Vibration Control Devices
As the buildings are getting taller and bridges spans longer, there
is a need to decrease discomfort and damage caused by seismic
activity and wind loading. These dynamic forces act on structures
making them sway, so engineers have developed various methods,
which may be both active or passive, to suppress energy in vibrating
systems. The first apply forces to the structure through external
actuators, controlled in real time by sensors and algorithms. The
later consists on the installation of devices in the structure, which
are capable of dissipating energy from the movement. However,
active devices are not yet a practical and reliable option for structural building or bridge control systems due to the energy demand
and possible failure in case of power loss. This made the civil engineering community focus on semi-active control devices in the
last years. This kind of system has, at the same time, the benefits
of passive and active devices without requiring huge amounts of
energy to work properly.
Base Isolation
A building will experience severe accelerations during an earthquake and, if it is built directly on the ground, the motion can
sustain extensive damage to its structure. When it is built isolated
from the ground, resting on base isolators - flexible bearings or
pads - it will move considerably less. It works similarly to the base
isolation of precision machinery - where small ground movements
may compromise the work - decoupling the machine from ground
vibration. Base isolation technology is one of the most popular
means to protect structures against seismic forces, as it can make
medium-rise masonry buildings or reinforced concrete structures capable of withstanding earthquakes. It is a passive method
of vibration control, designed only for hard soil and not suitable
for all types of structures.
A building without base isolation (left) deforms when it experiences
vibrations from the ground. Also the higher the story, the larger the
amplitude. The base isolator in a building (right) partially absorbs
ground movements and prevents the building from being deformed
and damaged by vibrations.
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controle de vibrações
Tuned Liquid Dampers
A Tuned Liquid Damper is usually installed in the top floors of a building. As the structure experiences vibrations,
the inertia of the liquid mass reduces the structural
movements. Illustration: Magnusson Klemencic Associates
2
1
4
3
The largest Tuned Mass Damper sphere in the world is
installed at the Taipei 101 building, in Taiwan. It can
reduce up to 40 percent of the tower’s movements caused by high winds and earthquakes.
1 - Mass Block
The TMD sphere measures 5.5 m and weights 728 tons;
2 - Cables
The mass block is suspended from the 92nd floor using
steel cables measuring 8.9 cm in diameter and 42 m in
length. Each steel cable is composed of over 2000 steel
strands, and only 1/4 of the steel cables are required to
support the entire mass.
3 - Bumper System
A bumper ring has been installed under the mass block
to restrict its swaying. The bumper ring itself is connected to eight horizontal snubber hydraulic viscous dampers designed to limit the swaying of the damper ball to
within 150 cm on very rare major typhoons or powerful
earthquakes.
4 - Hydraulic Viscous Damper
Eight diagonal primary hydraulic viscous dampers were
installed below the mass block to automatically absorb
the energy from tower’s movement.
Figure: Taipei Financial Center Corp
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A tuned liquid damper (TLD) uses the sloshing energy of a
sloshing of a liquid confined in a container, usually placed on
top of a building, to absorb and dissipate the vibration energy
and reduce the dynamic response of a system subjected to
excitation. This passive system uses liquid contained in partially filled tanks mounted on the structure. The shear force
caused by the inertia of the liquid mass reduces the structural response to excitation action. The tank’s shape and the
water height influences the system effectiveness, as it changes
the frequencies to wich the system has an optimal response.
Tuned Mass Dampers
A Tuned Mass Damper (TMD) is a passive device composed of a mass, spring and damper, that is connected to the
structure to reduce its vibration. The TMD frequency is tuned
for a particular natural frequency of the structure, and once
it experiences vibration, the device sways out of phase. The
TMD mass needs to be only a fraction of the structure to
have a great damping effect. This type of device can also be
employed in base isolation systems to damp ground movements. Several structures in the world have TMDs installed
on their structures, as an example, Rio-Niteroi Bridge, in Brazil,
counts on 32 tuned mass dampers inside the main span beams
to reduce up to 80% of structure vibration.
A variation consists in a pendulum hanging near the roof
level. A movable block of steel or concrete - the pendulum
mass - is tuned to sway freely at about the same period as the
building. When the building sways, the mass will tend to sway
in the opposite direction and at a larger amplitude. Dampers
bolted between the building frame and the TMD mass will
dissipate the motion energy in the form of heat.
A TMD was also used by Renault, on its 2005 F1 car (the
Renault R25). The system was introduced as part of the suspension system, and was in use up to the 2006 German Grand
Prix when it was deemed illegal by the FIA. It was considered
to be illegally influencing the car’s aerodynamics performance.
Semi Active Devices
Semi-active devices can also be used to control the vibration
of a base excited structure. Among the possible semi-active
technologies, the magneto-rheological fluid based devices are
seen as a promising solution for structural control. Basically
two types of rheological fluids can be used to create a structural control system: Electro-rheological (ER) and Magnetorheological (MR) fluids. MR fluids are materials that exhibit
a change in rheological properties with the application of a
magnetic field while ER fluids exhibit rheological changes
when an electric field is applied.
For vibration control purposes, the MR fluid works as a
variable damping device. The current applied to a MR fluid
essentially allows controll of the damping force without the
need of mechanical valves. This offers the possibility to create
a reliable damper that reverts from active to passive in case
of a control system failure.
Oferecimento
Taipei 101
O arranha-céu Taipei 101, localizado
em Taiwan, com seus 101 andares e 508 m de
altura, foi classificado como o prédio mais alto
do mundo em 2004, mas perdeu o título com
a inauguração do Burj Khalifa, em Dubai, em
2010. A obra, fruto de uma colaboração entre
engenheiros e arquitetos, precisava atender a
requisitos estéticos, econômicos e de conforto
dos ocupantes sob a ação de ventos moderados, além de oferecer segurança estrutural em
furacões e terremotos. O projeto arquitetônico
da torre tem um perfil diferenciado de qualquer
outro arranha-céu: uma base que vai se estreitando, seguida por oito módulos de oito andares
cada - lembrando bambu indígena articulado e
pagodes. Toda construção possui uma grande
lista de desafios. No entanto, a lista para o Taipei
101 é muito maior do que qualquer um possa
imaginar. Ela ilustra como grandes e pequenas
decisões de projeto são necessárias para completar um grande prédio em um ambiente desafiador - sujeito a furacões e localizado a apenas
alguns quilômetros de uma falha geológica.
O primeiro desafio foi econômico.
Construir um novo andar vem sempre a um
custo mais alto do que o anterior, como se ele
tivesse sido adicionado à base do prédio. Há a
necessidade de suportar todos os andares acima,
planejar espaços para elevadores e escadas, instalações mecânicas, elétricas, bombeamento e
sistemas contra incêndio. A altura econômica
de um prédio chega ao limite quando o custo de
adicionar um novo andar ultrapassa a renda que
o aluguel do mesmo irá proporcionar. A construção do Taipei 101 só foi possível devido ao
desejo de investidores e empresas financeiras em
ter espaço em um edifício referência no mundo.
Outro desafio foi encontrado nas fundações do edifício. Para atingir o manto de rocha,
que só aparece a cerca de 40 a 60 m abaixo de
um solo argiloso, foi necessário criar um porão
com 21 m de profundidade, equivalente a 5
andares de estacionamento. O sistema de fundações contém uma parede de contenção com
47 m de profundidade e 1,2 m de espessura que
cerca tanto a torre quanto o podium (piso térreo
do edifício, maior do que a torre). O muro de
contenção corta lençóis freáticos subterrâneos
e fornece embutimento da ponta bem abaixo
da profundidade de escavação. Uma segunda
parede de contenção engloba apenas as fundações da torre, onde uma rede contínua de
Foto: A.Hornung / Shutterstock.com
concreto armado com espessura entre 3
e 4,7 m transfere as cargas das colunas e
shear walls - paredes com um sistema
estrutural desenhado para conter
os efeitos de forças laterais, causadas principalmente por ventos e
atividades sísmicas - para uma rede
de 380 estacas com até 80 m de profundidade (aproximadamente 30 m
no manto de rocha), 1,5 m de diâmetro e espaçadas 4 m uma da outra,
como num tabuleiro de xadrez.
Arranha-céus como Taipei
101 precisam ser flexíveis em
ventos fortes e ainda permanecer rígidos o suficiente para prevenir
movimentos laterais.
A flexibilidade previne danos estruturais,
enquanto a resistência
garante o conforto de
ocupantes e a proteção
de itens como cortinas de vidro e divisórias internas. Os
edifícios geralmente
experimentam forças laterais alternadas
devido à formação de
vórtices: o vento atravessando um objeto se
separa das faces laterais em redemoinhos
alternados. A formação desses vórtices é
definida pelas dimensões da construção e
velocidade do vento.
Logo, em certos
casos, a sua frequência pode coincidir
com um dos modos
de vibração naturais
do edifício e, aí, grandes forças laterais, às
vezes muito maiores
do que as calculadas
no projeto, podem
surgir. Por isso, ao
analisar a estrutura de um modelo
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controle de vibrações
do prédio em um túnel de vento, os
engenheiros demonstraram que uma
torre quadrada com cantos afiados
sofre grande excitação com ventos
cruzados. Cantos arredondados ou
chanfrados a 45º reduzem a força
lateral, mas um canto no formato
dente de serra conseguiu uma redução dramática nessas forças. Os
arquitetos entenderam os benefícios
deste formato e o incorporaram nos
oito módulos superiores da torre.
Para prevenir movimentos que
pudessem danificar as fachadas, o
deslocamento entre os andares - definido como a deflexão lateral de um
andar em relação ao que está imediatamente abaixo dele, dividido pela
distância entre os andares - foi limitado a h/200 (distância entre os andares dividido por 200) para uma tempestade típica que ocorre em média a
cada 50 anos. Isto pode parecer muito
flexível, mas os ventos em Taipei são
extremos. Para comparação, se a
torre fosse projetada com as estimativas dos furacões de Nova Iorque,
essa deflexão seria de somente h/400.
Uma boa parte da tração na
torre é criada pela rotação de andares inferiores, então, para que ela
resistisse a estes movimentos, os
engenheiros precisavam de rigidez
nas colunas. Simplesmente adicionar colunas de aço era impraticável
pelo custo e execução. A solução foi
erguer colunas de concreto de alta
resistência (10.000 psi ou 69 MPa),
preenchidas com uma bomba para
evitar o uso de guindastes de cargas
pesadas. O concreto aguenta compressão, é mais barato e, ao contrário do aço, as misturas com maior
resistência também costumam possuir um maior módulo elástico.
A construção deste sistema de
controle de tração nos deslocamentos
laterais, no entanto não é suficiente
para assegurar o conforto dos ocupantes. Basta considerar a grande
altura do edifício, as altas velocidades
dos ventos e o baixo amortecimento
inerente a uma estrutura de aço com
conexões apertadas e que permitem
pouco deslize e fricção para entender que um dispositivo de amortecimento era necessário. Além disso, os
vórtices criados pelo vento fornecem
apenas um pequeno impulso para o
edifício, mas seus efeitos podem acumular energia se sincronizados com
o período de oscilação da torre - de
aproximadamente 7 segundos. Estas
oscilações devem ser removidas, por
isso um pêndulo de aço de 726 toneladas (0,24% da massa total da construção) instalado próximo ao topo da
torre funciona como um amortecedor de massa sintonizada. Suspenso
entre os 92 º e 87 º andar, o pêndulo
oscila para cancelar os movimentos do edifício causados por fortes
rajadas de vento ou terremotos. O
dispositivo, o maior amortecedor
de massa sintonizada pendular do
mundo - e o único visível para visitantes - consiste em 41 placas circulares de aço presas umas às outras
para formar uma esfera com 5,5 m de
diâmetro. Outros dois amortecedores de massa sintonizados, cada um
pesando 7 toneladas, também foram
instalados na ponta da torre para
evitar danos causados pelos ventos.
A frequência de oscilação desse
amortecedor é definida da mesma
forma que a de um pêndulo simples.
O comprimento e a massa do sistema
foram calculados para corresponderem a uma frequência de vibração
natural do prédio. Após a instalação, os engenheiros fizeram ajustes
finos na sua frequência de oscilação
para que vibrasse fora de fase com
o movimento do edifício. Oito pistões hidráulicos primários, cada um
com aproximadamente dois metros
de comprimento, envolvem a parte
inferior da esfera para dissipar a
energia do movimento na forma de
calor. A resistência aplicada pelos
pistões varia com o quadrado da
velocidade da massa. Isto significa
que uma oscilação lenta e regular do
pêndulo, induzida pelo movimento
da estrutura, faz com que a massa
crie uma força de resistência relativamente pequena nos pistões hidráulicos, fornecendo amortecimento
ao mesmo tempo em que permite
o balanço da massa. Já no caso de
um movimento súbito, como em um
terremoto, a resistência dos pistões
aumentará drasticamente, limitando
o movimento da massa e absorvendo a energia da vibração. O prédio
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também é equipado com outros sistemas para aumentar a segurança
durante eventos sísmicos extremos.
Em engenharia, assim como em
qualquer ciência, aprendemos com os
erros e acertos daqueles que executaram projetos semelhantes no passado.
Hoje a tecnologia de construção civil
permite a concepção de edifícios com
mais de 800 m de altura. Os princípios físicos que atuam sobre eles continuam os mesmos, porém a mudança
na ordem de grandeza das construções fez com que efeitos antes imperceptíveis se tornassem relevantes.
Entender e saber modelar os impactos da atuação de forças dinâmicas
em estruturas pode ser o diferencial entre o sucesso e fracasso de um
projeto. Podemos esperar que, com
as novas construções, efeitos antes
desconhecidos sejam descobertos e
adicionados à nossa base de conhecimentos, abrindo caminho para
obras ainda mais impressionantes.
Resta saber quais serão os desafios
das próximas grandes construções. ■
Referências:
»» Morse-Fortier, Leonard J., “Professor
Robert H. Scanlan and the Tacoma Narrows
Bridge” Structures, ASCE (2005)
»» K. Yusuf Billah e Robert H. Scanlan,
“Resonance, Tacoma Narrows bridge failure,
and undergraduate physics textbooks”,
American Journal of Physics, 59 (1991)
»» David E. Newland, “Vibration of the
London Millennium Footbridge”, Department
of Engineering University of Cambridge
»» Pat Dallard et al., “London Millennium
Bridge: Pedestrian-Induced Lateral
Vibration”, J. of Bridge Engineering,
Trans. ASCE, 6, 412-417 (2001)
»»Yozo Fujino et al., “Synchronization of
Human Walking Observed during Lateral
Vibration of a Congested Pedestrian
Bridge”, Earthquake Engineering and
Structural Dynamics, 22, 741-758 (1993)
»» Dennis C. K. Poon et al., “Structural Design
of Taipei 101, the World’s Tallest Building”,
CTBUH 2004 Seoul Conference (2004)
»»Aly Mousaad Aly et al., “Dynamics and
Control of High-Rise Buildings under
Multidirectional Wind Loads”, Smart
Materials Research, 549621 (2011)
»» P. Rentzos, “Active vibration control
of civil engineering structures”, Doctoral
thesis, City University London, (2007)
Plantas carnívoras muitas vezes usam
cores vivas como armadilhas para insetos.
Foto: Shutterstock
O lado solidário
das plantas carnívoras
P
lantas carnívoras são seres
estranhos por definição.
Elas são vegetais florais predatórios que atraem, prendem e
matam animais com o objetivo
de obter nutrientes a partir de
seus corpos. No entanto, cientistas descobriram alguns comportamentos que tornam seus hábitos
ainda mais peculiares, como servirem de “hotel” para morcegos.
Com alguns exemplares
podendo chegar a seis metros de comprimento e um metro de altura, plantas carnívoras são seres vivos relativamente raros. Acredita-se que existam
pouco mais de 600 espécies no
mundo, sendo a maioria das Ordens
Caryophyllales e Lamiales. Algumas
têm armadilhas que podem chegar
a 40 cm de profundidade e armazenar até 2 l de líquidos digestivos.
Armadilha mortal
Algumas espécies se beneficiam dos
nutrientes fornecidos pelas fezes de animais que se alimentam de seu néctar.
Foto: Magnusson Klemencic Associates
Estes tipos de planta utilizam diversas armadilhas para atrair
as presas, como cores vivas, fontes
extras de néctar, pelos, folhas que
se parecem com insetos, etc. Ao
contrário da ideia popular, as flores
nunca são usadas como armadilha,
pois a planta tende a não aprisionar
seus principais polinizadores (apesar de isto eventualmente acontecer).
Um inseto atraído pelo néctar
doce de uma planta carnívora pousa
na borda de um jarro. No entanto, a
superfície desta estrutura, chamada
peristômio, contém microsestruturas que tornam a superfície altamente
hidrofílica, ou seja, “molhável”. Isso
significa que o peristômio é extremamente escorregadio, dificultando
a aderência do inseto e fazendo com
que ele caia para dentro do jarro.
Uma vez que a presa é aprisionada, é muito difícil escapar, pois o
interior do jarro também é escorregadio. Segundo Tanya Renner, que
estudou plantas carnívoras durante
seu doutorado, ele é tão escorregadio
que até insetos voadores raramente
escapam, pois os açúcares e líquidos digestivos tornam muito difícil
voar com as asas molhadas. A presa
é então digerida com o auxílio de
enzimas no líquido e a planta absorve
nutrientes importantes para determinadas funções dos vegetais, como o
nitrogênio. Algumas plantas inclusive
contam com a ajuda de bactérias no
seu interior para cumprir esta tarefa.
Como elas não utilizam as presas como fonte de energia, mas sim
de nutrientes, a maioria das plantas
carnívoras consegue crescer mesmo
sem consumir “carne”. No entanto,
elas crescem mais rapidamente e têm
a reprodução facilitada quando recebem nutrientes derivados das presas.
Darwin chamou esta preferência alimentar de “síndrome carnívora”, o que apareceu várias vezes
no processo de evolução de plantas, sempre pelo mesmo motivo:
quando plantas acabavam crescendo em solos com deficiência de
nitrogênio, nutriente fundamental na síntese de proteínas e DNA,
elas desenvolveram preferência por
carne, matéria rica neste elemento.
Contudo, estudos recentes
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mostram que estas criaturas mordazes não são apenas assassinas cruéis. Enquanto a maioria devora insetos (como aquela bonitinha que você
comprou na floricultura com a esperança de que devorasse os pernilongos
do seu quarto no verão), outras têm
gostos mais requintados. Além disso,
cientistas recentemente descobriram
um lado mais solidário destas plantas, como fornecer “hospedagem” para
animais, além de relações de mutualismo com bactérias e outras criaturas.
Musaranho ajudante
Apesar de a maioria das plantas carnívoras capturarem insetos,
algumas espécies desenvolveram
gostos bem peculiares ao longo de
sua evolução. Tão peculiares que
a Nephenes lowii, uma espécie de
regiões tropicais, prefere as fezes
de um mamífero, o Tupaia montana, um musaranho arbícola endêmico da ilha de Bornéu, Malásia.
Sabendo que o musaranho
ocasionalmente sobe nestas plantas para beber os líquidos doces da
borda do jarro, em 2009 uma equipe
de cientistas liderada pelo doutor
Jonathan Moran, da Royal Roads
University, no Canadá, viajou para
a floresta na Malásia onde a N. lowii
cresce para entender melhor esta
relação. Como a planta apresenta
tanto jarros terrestres ao longo do
chão como jarros aéreos suspensos,
os pesquisadores também queriam
entender se havia diferenças de comportamento e dieta entre os dois.
Através de uma câmera escondida que filmava uma N. Iowii
durante o dia, a equipe confirmou
que apenas os jarros terrestres capturavam insetos. Enquanto isso, os
jarros aéreos eram visitados pelo
musaranho arbícola, que se alimenta
do néctar produzido em suas bordas. Mas não só isso: enquanto o
musaranho se alimenta, ele às vezes
defeca dentro do jarro. As fezes, por
sua vez, são muito úteis para a planta,
já que são ricas em nitrogênio.
Para confirmar a teoria de que
a N. Iowii utiliza as fezes dos musaranhos para obter nitrogênio, os cientistas conduziram um experimento
utilizando análise de isótopos estáveis nas folhas do jarro. Através desta
técnica, é possível rastrear a origem
de determinado elemento, e os resultados foram surpreendentes: as N.
Iowii que tinham jarros aéreos obtinham entre 57 e 100% do suprimento
de nitrogênio através do das fezes do
mamífero. Esta foi a primeira relação
de mutualismo entre uma planta carnívora e um mamífero já descoberta.
Bat caverna
Assim que os estudos sobre
os musaranhos foram publicados,
alguns pesquisadores voltaram suas
atenções para o hábito de alguns
morcegos, que dormem dentro dos
jarros de plantas carnívoras. Até
então se acreditava que eles simplesmente usavam as estruturas como
“hotéis” quando não conseguiam
chegar ao ninho até o nascer do sol.
A dupla de estudantes de doutorado Caroline e Michael Schöner
viajou para Bornéu para procurar jarros de Nepenthes hemsleyana, espécie
conhecida por abrigar morcegos lanosos. Ao longo do estudo, publicado na
Edição 12
Junho / Julho 2015
Vai além da sala de aula
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Biology Letters, eles encontraram 32
morcegos dormindo nos jarros, todos
da mesma espécie: morcego lanoso.
Para analisar o comportamento dos
mamíferos, a dupla colocou rastreadores em 17 destes morcegos. Através
da análise dos dados dos rastreadores,
eles descobriram que, apesar de a floresta oferecer outras opções de abrigo,
como buracos em troncos, o morcego
lanoso usa exclusivamente os jarros de N. hemsleyana como abrigo.
Em troca, a N. hemsleyana
recebe cerca de um terço das suas
reservas de nitrogênio da digestão das fezes do morcego, o que
também foi comprovado por
análise de isótopos estáveis.
O que torna esta descoberta
especial é que, em relações de colaboração entre plantas e animais, as
plantas normalmente fornecem alimento em troca de serviços, como
na polinização. Enquanto as plantas fornecem néctar e frutas, alguns
animais ou insetos as visitam para se
alimentar e ao sair espalham pólen
e sementes. Já neste caso, os papéis
se invertem: a planta recebe nutrientes enquanto o animal recebe serviços, como proteção contra desidratação, predadores e o clima. Este
tipo de mutualismo é muito raro. ■
Referências:
»» Cat Adams , “Inside a giant…the giant
plants that eat meat”, BBC Campus, 04/2015
»» International Carnivorous Plant Society
»» Jonathan A Moran, “The carnivorous syndrome
in Nepenthes pitcher plants, current state of
knowledge and potential future directions”,
Plant Signal Behav, 5 (6), 644–648 (2010)
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