terça-feira, 25 de novembro de 2008

Como funcionam os motores elétricos

Introdução

Motores elétricos estão por toda parte! Em sua casa, praticamente tudo que se move devido à eletricidade usa um motor elétrico CA (corrente alternada) ou CC (corrente contínua).

Entender como funciona um motor elétrico ajuda a aprender muito sobre ímãs, eletroímãs e eletricidade em geral. Este artigo mostra como os motores elétricos funcionam.

Por dentro de um motor de corrente contínua

Vamos começar examinando o esquema geral de um simples motor elétrico CC de dois pólos. Um motor simples tem seis partes, conforme mostrado no esquema abaixo:

  • armadura ou rotor
  • comutador
  • escovas
  • eixo
  • ímã de campo
  • fonte de alimentação CC de qualquer tipo


Peças de um motor elétrico

Um motor elétrico funciona basicamente devido a ímãs e magnetismo: um motor usa ímãs para criar movimento. Se você já brincou com ímãs, conhece a lei fundamental de todos eles: pólos opostos se atraem e pólos iguais se repelem. Se você pegar duas barras de ímã com as extremidades marcadas "norte" e "sul", então a extremidade norte de um ímã atrairá a extremidade sul do outro. Por outro lado, a extremidade norte de um ímã repelirá a extremidade norte do outro (assim como a sul repelirá a sul). Dentro de um motor elétrico essas forças de atração e repulsão criam movimento de rotação.

No esquema acima, você pode ver dois ímãs no motor: a armadura (ou rotor) é um eletroímã, ao passo que o ímã de campo é um ímã permanente (o ímã de campo também pode ser um  eletroímã, mas na maioria dos motores pequenos isso não acontece, para economizar energia).

O motor elétrico de um brinquedo

O motor apresentado aqui é um motor elétrico simples, normalmente usado em brinquedos:

Como você pode observar, este é um motor pequeno, com diâmetro pouco maior do que uma moeda de 50 centavos. Do lado de fora estão a carcaça de aço que compõe o corpo do motor, um eixo, uma tampa de náilon e dois fios para ligar à pilha. Se você conectar os fios do motor a uma pilha de lanterna, o eixo gira. Se você inverter os fios, ele gira na direção oposta. A seguir estão duas outras vistas do mesmo motor. Observe as duas fendas na lateral da carcaça de aço na segunda foto - a finalidade delas ficará evidente na seqüência do texto.

A tampa de náilon é mantida no lugar por duas lingüetas que fazem parte da carcaça de aço. Pressionando as lingüetas para baixo é possível liberar a tampa e removê-la. Dentro das tampas estão as escovas do motor. Essas escovas transferem energia da bateria para o comutador enquanto o motor gira:

Outras peças de motores elétricos

O eixo sustenta a armadura e o comutador. A armadura é um conjunto de eletroímãs (neste caso, três). A armadura neste motor é um conjunto de finas placas de metal unidas, com fios de cobre enrolados em volta de cada um dos três pólos da armadura. As duas pontas de cada fio (um fio para cada pólo) são soldadas em um terminal e então cada um dos três terminais é ligado a uma das placas do comutador. As figuras abaixo facilitam a visão da armadura dos terminais e do comutador:

A peça final de qualquer motor elétrico CC é o ímã de campo. O ímã de campo neste motor é formado pela própria carcaça, mais os dois ímãs permanentes curvos:

Uma extremidade de cada ímã fica encostada na fenda da carcaça, e o clipe de retenção pressiona as outras extremidades de ambos os ímãs .

Eletroímãs e motores

Para entender como um motor elétrico funciona é importante entender como o eletroímã funciona. (Como funcionam os eletroímãs explica mais detalhes).

Um eletroímã é a base de um motor elétrico. Você pode entender como um motor funciona imaginando a seguinte situação. Digamos que você tenha criado um eletroímã simples enrolando 100 voltas de fio em um prego e conectando os terminais do fio a uma pilha. O prego se transforma em um ímã e tem um pólo norte e um pólo sul enquanto a bateria estiver conectada.

Agora digamos que você pegue seu eletroímã feito com prego, atravesse um eixo no meio do prego e o suspenda no meio de um ímã tipo ferradura, conforme mostrado na figura abaixo. Se você ligar uma bateria ao eletroímã de modo que o pólo norte apareça conforme mostrado, a lei básica do magnetismo diz a você o que acontecerá: o pólo norte do eletroímã será repelido pelo pólo norte do ímã tipo ferradura e atraído pelo pólo sul do ímã tipo ferradura. O pólo sul do eletroímã será repelido de maneira similar. O prego se moverá metade de uma volta e então parará na posição mostrada.


Eletroímã em um ímã tipo ferradura

Você pode ver que esse movimento de meia-volta é simplesmente devido à maneira como ímãs se atraem e repelem naturalmente. O importante para um motor elétrico é ir uma etapa adiante, de modo que, no momento em que esse movimento de meia-volta se completar, o campo do eletroímã tenha o sentido invertido. A inversão faz com que o eletroímã complete outra meia-volta de movimento. Para inverter o campo magnético basta mudar a direção do fluxo dos elétrons no fio (invertendo a corrente que vem da bateria). Se o campo do eletroímã for invertido precisamente no momento final da meia-volta de movimento, o motor elétrico girará livremente.

Armadura, comutador e escovas


Armadura

Veja a imagem da página anterior. A armadura ocupa o lugar do prego em um motor elétrico. A armadura é um eletroímã feito enrolando-se fio fino em volta de dois ou mais pólos de um núcleo de metal.

A armadura possui um eixo, e o comutador é conectado ao eixo. No diagrama à direita há três diferentes imagens da mesma armadura: frontal, lateral e na direção do eixo. Na imagem na direção do eixo, a bobina foi ocultada para deixar o comutador mais destacado. Você pode ver que o comutador é simplesmente um par de placas presas ao eixo. Essas placas fornecem duas conexões para a bobina do eletroímã.


Escovas e comutador

O trabalho de "inversão do campo elétrico" de um motor elétrico é feito por duas peças: o comutador e as escovas.

A figura à direita mostra como o comutador e as escovas trabalham em conjunto para fazer com que a corrente flua para o eletroímã e também para inverter o sentido em que os elétrons estão fluindo exatamente no momento correto. Os contatos do comutador são fixados ao eixo do eletroímã, de modo que eles giram junto com este. As escovas são somente duas peças de metal flexível ou grafite que fazem contato com o comutador.

Como interagem as partes do motor elétrico

Juntando todas essas peças, surge um motor elétrico:


Armadura

Nesta figura, a bobina da armadura foi ocultada de modo que fique mais fácil ver o comutador em ação. O importante a ser observado é que, à medida que a armadura passa pela posição horizontal, os pólos do eletroímã são invertidos. Devido à inversão, o pólo norte do eletroímã fica sempre acima do eixo, de modo que ele possa repelir o campo magnético do pólo norte do ímã de campo e atrair o do pólo sul do ímã campo.

Se você puder pegar um pequeno motor elétrico, verá que ele possui as mesmas peças descritas acima: dois pequenos ímãs permanentes, um comutador, duas escovas e um eletroímã feito enrolando-se fio ao redor de uma peça de metal. Entretanto, quase sempre o rotor terá três pólos em vez de dois, como explicado neste artigo. Há duas boas razões para que um motor tenha três pólos:

  • fazer com que o motor tenha uma melhor dinâmica. Em um motor de dois pólos, se o eletroímã estiver no ponto de equilíbrio, na horizontal perfeita entre os dois pólos do campo magnético, quando o motor der partida, a armadura pode travar. Isso nunca ocorre em um motor de três pólos.
  • a cada vez que o comutador atinge o ponto em que ele inverte o campo em um motor de dois pólos, o comutador coloca a bateria em curto-circuito (conecta diretamente os terminais positivo e negativo) durante um momento. Isso gasta energia e descarrega a bateria sem necessidade. Um motor de três pólos também resolve esse problema.

É possível ter qualquer número de pólos, dependendo do tamanho do motor e da aplicação específica para a qual será usado.

Motores em todos os lugares

Examine sua casa e descobrirá que ela está cheia de motores elétricos. Este é  uma experiência interessante: ande pela sua casa e conte todos os motores que encontrar. Começando pela cozinha, há motores:

  • no exaustor sobre o fogão e no forno de microondas
  • na batedeira
  • no abridor de latas
  • na geladeira - na realidade, dois ou três: um para o compressor, um no ventilador dentro da geladeira e também um no fabricador de cubos de gelo
  • no misturador  
  • provavelmente, até no relógio do forno
Na lavanderia, há um motor elétrico: Mesmo no banheiro, há um motor: O seu carro está cheio de motores elétricos: Além disso, há motores em todos os outros locais: Andando pela casa, contei mais de 50 motores elétricos localizados em todos os tipos de dispositivos. Tudo que se move usa um motor elétrico.

Como funciona uma bomba nuclear

Como funcionam as bombas nucleares
por Craig C. Freudenrich, Ph.D. - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Introdução

Certamente você já leu livros de história informando sobre as bombas nucleares usadas na Segunda Guerra Mundial. E também deve ter assistido a filmes de ficção científica onde bombas nucleares foram lançadas ou detonadas (" Limite de Segurança", "Dr. Fantástico", "O Dia Seguinte", "O Testamento", "Sombras no Futuro" e "O Pacificador", apenas para citar alguns). Nos noticiários, enquanto muitos países têm negociado o desarmamento de seus arsenais de armas nucleares, outros têm procurado desenvolver programas de armas nucleares.

Sabe-se que esses artifícios possuem um poder imenso de destruição, mas como eles funcionam? Neste artigo, falaremos sobre a física que faz da bomba nuclear algo tão poderoso, como ela é projetada e o que acontece após a sua explosão.


Imagem cedida pela NARA
Teste de canhão atômico, 1953

As bombas nucleares utiliza-se das forças, fortes e fracas, que mantêm o núcleo do átomo unido, em especial os átomos com núcleos instáveis (veja Como funciona a radiação nuclear para mais detalhes). Há dois modos básicos de a energia nuclear ser liberada a partir de um átomo:

  • fissão nuclear: o núcleo de um átomo pode se fissionar em dois fragmentos menores contendo nêutrons. Este método geralmente envolve isótopos de urânio (urânio-235, urânio-233) ou plutônio-239;
  • fusão nuclear: a partir de dois átomos menores, normalmente hidrogênio ou isótopos de hidrogênio (deutério, trítio), é possível formar um átomo maior (hélio ou isótopos de hélio); de maneira análoga, o sol produz energia.

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Em ambos os processos, fissão ou fusão, uma grande quantidade de energia calorífica e radiação será emitida.

Para construir uma bomba atômica é preciso:

  • uma fonte combustível físsil ou fusível;
  • um dispositivo de ativação;
  • um modo que faça que a maior parte do combustível entre em fissão ou fusão antes da explosão da bomba (ou o disparo da bomba irá fracassar).

As primeiras bombas nucleares usavam dispositivo de fissão, e as mais recentes bombas de fusão exigem ativação por meio de bomba de fissão. Serão abordados os seguintes tipos de projetos de dispositivos:

  • bombas de fissão (em geral);
  • bomba de fissão de ativação a partir de pistola (Little Boy), que foi detonada sobre Hiroshima, no Japão, em 1945;
  • bomba de fissão de ativação por meio de implosão (Fat Man), que foi detonada sobre Nagasaki, no Japão, em 1945;
  • bombas de fusão (em geral);
  • o projeto da bomba de fusão a hidrogênio de Teller-Ulam, que foi detonada como teste sobre a Ilha de Elugelap, em 1952.

A bomba de fissão utiliza um elemento como o urânio-235 para causar uma explosão nuclear. Se você leu Como funciona a radiação nuclear, então saberá qual o processo básico subjacente à degeneração e à fissão radioativas. O urânio-235 possui uma propriedade extra que o habilita tanto para geração de energia nuclear como para a geração de uma bomba nuclear. O U-235 é um dos poucos materiais que suportam a fissão induzida. Caso um nêutron livre adentre um núcleo de U-235, ele será absorvido imediatamente, tornando o núcleo instável e levando-o a fissurar.

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A figura à direita mostra o núcleo do elemento urânio-235 com a proximidade de um nêutron. Tão logo o núcleo capture o nêutron, ele será fissurado em dois átomos menores e expelirá dois ou três novos nêutrons (o número de nêutrons ejetados dependerá de como o átomo U-235 foi fissurado). Os dois novos átomos emitirão uma radiação gama conforme eles se ajustam a seus novos estados (veja Como funciona a radiação nuclear). Há três aspectos sobre o processo de fissão que o tornam interessante:

  • a probabilidade de um átomo U-235 capturar um nêutron conforme este transita é muito grande. Em uma bomba operando devidamente, nêutrons ejetados da fissão poderão ocasionar outras fissões. Essa condição é conhecida como supercriticalidade;
  • o processo de captura e fissão de um nêutron acontece muito rapidamente, na ordem de picossegundos (um trilionésimo de segundo);
  • uma quantidade incrível de energia será liberada, na forma de calor e radiação gama, durante a explosão de um átomo. A energia liberada por uma única fissão acontece devido aos produtos de fissão e nêutrons, conjuntamente, pesarem menos do que o átomo original U-235.

A diferença no peso será convertida em energia a uma taxa regida pela equação e = mc2. No caso de 450 g (1 libra) de urânio altamente enriquecido, como se usa numa bomba nuclear, será igual a 1 milhão de galões de gasolina ou 3.785.412 litros. Ao considerar que 450 g de urânio ocupam menos volume que uma bola de beisebol e que 1 milhão de galões de gasolina enchem um cubo de 15,24 metros de aresta (15,24 metros é a altura de um prédio de cinco andares), pode-se ter uma idéia da quantidade de energia disponível em apenas um pouco de U-235.

Para ativar estas propriedades de U-235, uma amostra de urânio deverá estar enriquecida. O urânio para uso em armas é composto de pelo menos 90% de U-235.

Massa crítica
Em uma bomba de fissão, o combustível deverá ser separado das massas subcríticas, que não suportam fissão, de forma a prevenir a detonação prematura. Massa crítica é o mínimo de material fissurável exigido para garantir sustentação a uma reação de fissão nuclear. Essa separação torna possível a ocorrência de diversos problemas no projeto da bomba de fissão, que deverão ser solucionados:

  • as duas ou mais submassas críticas deverão ser agrupadas para dar origem a uma massa supercrítica, que fornecerá mais nêutrons do que o suficiente para proporcionar uma reação de fissão no momento da detonação;
  • nêutrons livres deverão ser introduzidos à massa supercrítica para dar início à fissão;
  • a maior parte do material fissurável deverá explodir previamente para impedir uma falha.

Para agrupar as massas subcríticas com a massa supercrítica, duas técnicas serão utilizadas:

  • ativação por meio de pistola
  • implosão

gerador de nêutrons. Esse gerador é uma pequena esfera de polônio-berílio, separados por uma lâmina dentro do combustível fissurável. Neste gerador:

  • A lâmina será rompida quando as massas subcríticas agruparem-se e o polônio emitir partículas alfa.
  • Essas partículas alfa colidirão com o berílio-9 para produzir berílio-8 e liberar nêutrons.
  • Os nêutrons darão início à fissão.

Finalmente, a reação de fissão será confinada dentro de um material denso, conhecido como refletor de reator nuclear, que é normalmente composto por urânio-238. O refletor de reator nuclear se aquece e se expande por meio da zona central da fissão. Essa expansão exerce uma pressão de volta ao refletor e desacelera a expansão da zona central. O refletor de reator nuclear também refletirá nêutrons de volta à zona central de fissão, aumentando a eficiência da reação.

Tipos de bombas

Bomba de fissão ativada por pistola
O modo mais simples de agrupar as massas subcríticas é produzindo uma pistola que dispare massa subcrítica dentro da outra. Uma esfera de U-235 é formada ao redor do gerador de nêutron e uma pequena bala de U-235 será removida. A bala será posicionada na extremidade de um tubo longo com explosivos na parte traseira, enquanto a esfera será posicionada na outra extremidade. Um sensor de medição de pressão barométrica determinará a altitude apropriada para detonação e ativará a seguinte seqüência de eventos:

  1. os explosivos serão detonados e darão propulsão à bala para fora do cano;
  2. a bala atingirá a esfera e o gerador, dando início à reação de fissão;
  3. a reação de fissão terá início;
  4. a bomba explodirá.

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A Little Boy foi uma bomba desse tipo e possuía uma pressão de 14.5-kilotons (o equivalente a 14.500 toneladas de TNT) com eficiência de aproximadamente de 1.5%. Isto é, 1.5% do material foi fissurado antes que a explosão arrebatasse o material.

Bomba de fissão ativada por implosão
No começo do Projeto Manhattan (em inglês), programa secreto dos EUA para desenvolvimento da bomba atômica, cientistas que trabalhavam no projeto identificaram que comprimir as massas subcríticas conjuntamente em uma esfera através de implosão poderia ser uma forma viável de se produzir massa supercrítica. Houve vários problemas com relação à essa idéia, em especial acerca do modo de controle e direcionamento da freqüência da onda de choque de maneira uniforme ao longo da esfera. Entretanto, a equipe do Projeto Manhattan solucionou os problemas. O dispositivo de implosão consistia em uma esfera de urânio-235 (refletor de reator nuclear) e uma zona central de plutônio-239 envolvida por explosivos de alto alcance. Quando a bomba foi detonada, o resultado foi o seguinte:

  • os explosivos foram detonados, criando uma onda de choque;
  • a onda de choque comprimiu a zona central;
  • a reação por fissão teve início;
  • a bomba explodiu.

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A Fat Man foi uma bomba desse tipo e possuía uma pressão de 23-kilotons com uma eficiência de aproximadamente 17%. Estas bombas explodiam em frações de segundo, geralmente 560 bilionésimos de segundo.

Bomba de ativação por implosão de projeto moderno
Em uma modificação recente do projeto de ativação por implosão, o resultado foi o seguinte:

  • os explosivos detonam criando uma onda de choque;
  • a onda de choque dá propulsão à agrupação das partículas em uma esfera;
  • as partículas de plutônio atingem uma pequena esfera de berílio-plutônio na região central;
  • a reação por fissão teve início;
  • a bomba explodiu.

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Bombas de fusão
As bombas de fusão funcionaram, porém não foram muito eficientes. As bombas de fusão também são conhecidas bombas termonucleares, possuindo pressões de kiloton superiores e eficiências maiores dos que as bombas de fissão. Para projetar uma bomba de fusão, alguns problemas deverão ser solucionados:

  • deutério e trítio, combustíveis para fusão, são gases de difícil armazenamento;
  • o trítio possui um volume inferior e menor meia-vida, portanto o combustível na bomba deverá ser continuamente reabastecido;
  • tanto o deutério quanto o trítio deverão ser comprimidos a altas temperaturas para dar início à reação de fusão.
Em primeiro lugar, para se armazenar o deutério, o gás deverá ser quimicamente combinado ao lítio para produzir um composto de lítio-deutério em estado sólido. Para solucionar o problema de insuficiência de trítio, os desenvolvedores da bomba reconheceram que os nêutrons resultantes de uma reação de fissão poderiam produzir trítio a partir do lítio (lítio-6 adicionado a pressões de nêutrons de trítio e hélio-4; lítio-7 adicionado a pressões de nêutrons de trítio, hélio-4 e um nêutron). O que significa que tal trítio não necessitará ser armazenado na bomba. Finalmente, Stanislaw Ulam reconheceu que a maior parte da radiação emitida em uma reação de fissão foi de raios X, e que estes raios X poderiam fornecer as altas temperaturas e pressões necessárias para dar início à fusão. Dessa forma, ao se encapsular uma bomba de fissão em uma bomba de fusão, vários problemas poderão ser solucionados.

Projeto da bomba de fusão de Teller-Ulam
Para entender o projeto dessa bomba, imagine que dentro da carcaça de uma bomba haja uma bomba de fissão por meio de implosão e um cilindro contendo urânio-238 (refletor de reator nuclear). Dentro do refletor de reator nuclear está o deuterídeo de lítio (combustível) e um tirante oco de plutônio-239 no centro do cilindro. Mantendo separado o cilindro da bomba de implosão está uma blindagem de urânio-238 e uma espuma plástica que preenche os espaços remanescentes na carcaça da bomba. A detonação da bomba ocasionou a seguinte seqüência de eventos:

  1. a bomba de fissão implodiu, produzindo raios X;
  2. estes raios X aqueceram o interior da bomba e do refletor de reator nuclear; a blindagem preveniu uma detonação prematura do combustível;
  3. o calor fez com que o refletor de reator nuclear se expandisse e fosse incinerado, exercendo pressão interna contra o deuterídeo de lítio;
  4. o deuterídeo de lítio foi estilhaçado em pelo menos 30 partículas;
  5. as ondas de choque de compressão deram início à fissão no tirante de plutônio;
  6. o tirante de fissão liberou radiação, calor e nêutrons;
  7. os nêutrons penetraram o deuterídeo de lítio, combinados ao lítio produzindo assim, o trítio;
  8. a combinação de altas temperaturas e pressão foram suficientes para que as reações de trítio-deutério e deutério-deutério ocorressem, produzindo mais calor, radiação e nêutrons;
  9. os nêutrons das reações de fusão induziram uma fissão às partículas de urânio-238 do refletor de reator nuclear e de blindagem;
  10. a fissão das partículas do refletor de reator nuclear e de blindagem produziram ainda mais radiação e calor;
  11. a bomba explodiu.

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Todos estes eventos aconteceram em aproximadamente 600 bilionésimos de segundo para os eventos de fusão. O resultado foi uma imensa explosão 700 vezes superior à explosão da Little Boy: ela alcançou uma pressão de 10.000 kilotons.

Conseqüências e riscos à saúde

A detonação de uma bomba nuclear sobre um alvo como uma cidade populosa provoca danos imensos. O grau dos danos dependerá da distância de onde o centro da bomba é detonado, chamado de hipocentro ou marco zero. Quanto mais próximo alguém estiver do hipocentro, maior será o grau de danos sérios. Os danos são causados por diversos aspectos:

  • uma onda de calor intenso de uma explosão;
  • pressão da onda de choque criada pela detonação;
  • radiação;
  • precipitação radioativa (nuvens de finas partículas de poeira radioativa e resíduos da bomba que voltam a cair no solo).
No local do hipocentro, tudo será imediatamente vaporizado devido à alta temperatura (até 500 milhões de graus Fahrenheit ou 300 milhões de graus Celsius). Fora do hipocentro, a maioria das ocorrências são causadas devido a queimaduras ocasionadas pelo calor, ferimentos devido a estilhaços aéreos dos edifícios derrubados pela onda de choque e exposição à alta radiação. Fora da área imediata da detonação, as ocorrências são causadas pelo calor, radiação e incêndios gerados pela onda de calor. A longo prazo, a precipitação radioativa ocorre sobre uma área mais ampla devido a espirais de vento antecedentes. As partículas de precipitação radioativa penetram o manancial d'água e são inaladas e ingeridas por pessoas a uma distância considerável do local de detonação da bomba.

Cientistas estudaram os sobreviventes dos bombardeios de Hiroshima e Nagasaki (em inglês/japonês) para compreender os efeitos de curto e longo prazo das explosões nucleares sobre a saúde humana. A radiação e a precipitação radioativa afetam as células responsáveis pela divisão ativa (cabelo, intestino, medula óssea, órgãos de reprodução). Algumas dos problemas de saúde incluem:

Estes problemas freqüentemente aumentam o risco de ocorrência de:
  • leucemia;
  • câncer;
  • infertilidade;
  • deficiências congênitas.

Cientistas e físicos ainda estão estudando os sobreviventes das bombas lançadas sobre o Japão e aguardam mais resultados.

Na década de 80, cientistas avaliaram os possíveis efeitos de uma guerra nuclear, isto é, bombas nucleares explodindo em diversos locais do planeta, e propuseram a teoria de que o "inverno nuclear" pudesse ocorrer. Em um cenário de inverno nuclear, as explosões de muitas bombas levantaria muitas nuvens de poeira e material radioativo, que teriam uma rápida penetração na atmosfera terrestre. Estas nuvens poderiam bloquear a luz solar. O nível baixo de luz solar poderia diminuir a temperatura do planeta e reduzir a fotossíntese realizada pelas plantas e bactérias. A redução da fotossíntese romperia a cadeia alimentar, causando a extinção em massa da vida (incluindo a vida humana). Este cenário é semelhante à hipótese de um asteróide proposta para explicar a extinção dos dinossauros. Os proponentes do cenário de inverno nuclear apontaram para a existência de nuvens de poeira e resíduos que viajaram muito além do planeta, após as erupções vulcânicas do Monte Santa Helena, nos Estados Unidos, e do Monte Pinatubo, nas Filipinas.

As armas nucleares possuem um incrível poder de destruição a longo prazo, que ultrapassaria em muito o alvo original. É por essa razão que os governos mundiais buscam uma tentativa de controlar a difusão da tecnologia de armamento nuclear e seus materiais, bem como a redução do arsenal de armas nucleares empregadas durante a Guerra Fria.

segunda-feira, 8 de setembro de 2008

Por que as conchas reproduzem o som do mar?

Você deve ter segurado uma concha perto da sua orelha quando era pequeno. As melhores conchas para produzir esse som são as conchas grandes e em espiral.

Algumas pessoas sugeriram que o som que você ouve da concha é o eco do seu sangue correndo através dos seus vasos da sua orelha. Isso não é verdade. Se fosse verdade, o som seria intensificado após exercícios físicos, já que seu sangue corre mais rapidamente após exercícios. Entretanto, o som permanece o mesmo após exercícios físicos.

Outros dizem que o som de ondas dentro da concha é gerado pela passagem de ar através da concha (o ar fluindo através da concha e fora dela gera um ruído). Você vai notar que o som é mais alto quando você posiciona a concha ligeiramente mais acima da orelha do que quando ela está bem na altura da orelha. Entretanto, essa teoria não é confirmada em uma sala a prova de som. Numa sala destas, ainda existe ar, mas quando você segura a concha perto da sua orelha, não há som.

A explicação mais aceitável para esse som parecido com o de ondas é o ruído do ambiente a sua volta. A concha que você está segurando ligeiramente acima da sua orelha captura esse ruído, que ressoa dentro da concha. O tamanho e forma da concha, portanto, têm algum efeito no som que você ouve. Conchas de outras formas têm sons diferentes porque elas acentuam diferentes frequências. Você nem precisa da concha para ouvir o ruído. Você pode produzir o mesmo som "do mar" usando uma xícara vazia posicionando-a sobre sua orelha. Experimente e varie a distância que você posiciona a xícara perto da sua orelha. O nível do som vai variar dependendo do ângulo e distância que a xícara está da sua orelha.

O ruído de fora da concha também pode alterar a intensidade do som que você ouve dentro. Você pode encarar a concha como sendo uma câmara ressonante. Quando o som de fora entra na concha, ele se envolve no espaço, criando assim um ruído audível. Então, quanto mais ruidoso for o ambiente em que você estiver, mais alto o som parecido com o mar.

E se eu pulasse num buraco que atravessasse a Terra no meio?

Embora isso seja impossível de ser feito na Terra, é perfeitamente possível na Lua. A Lua tem um núcleo frio e não tem oceanos ou água subterrânea para complicar as coisas. Além disso, a Lua não tem atmosfera, portanto o túnel teria um bom vácuo dentro dele, o que elimina o arrasto aerodinâmico.

Portanto, imagine que o túnel através da Lua tivesse 7 metros de diâmetro. Em um lado há uma escada. Se você descesse a escada, você iria descobrir que seu peso diminui. A gravidade é causada por objetos que atraem outros com sua massa (veja a Como funciona a gravidade). Conforme você desce dentro do túnel, mais e mais da massa da lua fica acima de você, atraindo você para cima. Quando você descesse até o centro da Lua, ficaria sem peso. A massa da Lua estaria toda ao redor de você e atraindo-o igualmente, portanto se anularia totalmente e você se sentiria sem peso.

Se você realmente pulasse dentro do túnel e se deixasse cair, aceleraria em direção ao centro a uma velocidade muito alta. Você passaria rapidamente pelo centro e começaria a desacelerar. Finalmente, você iria parar quando alcançasse a borda do túnel no outro lado da lua e começaria a cair de volta na outra direção. Você iria oscilar para frente e para trás dessa forma para sempre.

Se você pudesse fazer isso na Terra, um efeito impressionante seria a facilidade de viajar. O diâmetro da terra tem 12.700 km. Se você perfurasse o túnel direito através do centro e pudesse criar um vácuo em seu interior, tudo o que você jogasse dentro do túnel alcançaria o outro lado do planeta em apenas 42 minutos.

Como funcionam as auroras

Introdução a Como funcionam as auroras

Se você acampar perto da fronteira dos Estados Unidos/Canadá ou ainda mais ao norte, você poderá ver um brilho inacreditável no céu noturno. Às vezes pode parecer com o crepúsculo, outras vezes, com um feixe de luz que brilha e “dança”. A luz pode ser verde, vermelha, azul ou uma combinação dessas cores. É o fenômeno chamado aurora boreal, ou simplesmente aurora.

aurora borealis
Michael Melford/Image Bank/Getty Images
A aurora boreal sobre uma lagoa no Parque Nacional de Acádia, em Maine

As auroras têm diversos significados, dependo da cultura. Os Vikings acreditavam que elas eram reflexos das armaduras das míticas Valquírias Para os esquimós nativos da Groenlândia e do Canadá, as auroras eram mensagens dos mortos. Já para os índios americanos, elas eram luzes das enormes fogueiras ao norte. Nos tempos medievais, as auroras eram presságios de guerra ou de desastres, tais como as epidemias. Hoje, sabemos que são um fenômeno de luz resultante da interação das partículas de alta carga dos ventos solares com o campo magnético da Terra. Mas a explicação física das auroras certamente não tira a beleza desse espetáculo natural de luzes.

Como a aurora é causada pela interação dos ventos solares com o campo magnético da terra, ela pode ser vista mais freqüentemente perto dos pólos, norte e sul. No norte, ela é chamada aurora boreal, ou luzes do norte. Aurora é o nome da deusa romana do amanhecer, e "boreal" significa "norte" em Latim. No hemisfério sul, a aurora é chamada aurora austral (em Latim: "australis" - que vem do sul).

As auroras acompanham os ciclos solares e são mais freqüentes no fim do outono e no começo da primavera (fevereiro, março e outubro são os melhores meses). Em volta do Círculo Polar Ártico, no norte da Noruega e Alasca, elas podem ser vistas quase todas as noites. À medida que se desce em direção ao sul, elas se tornam mais raras. Perto do sul do Alasca, do sul da Noruega, na Escócia e no Reino Unido, elas podem ocorrer de uma a dez vezes por mês. Perto da fronteira Estados Unidos/Canadá, é possível vê-las de duas a quatro vezes por ano. Uma vez ou duas vezes por século, elas podem aparecer no sul dos Estados Unidos, no México e nas regiões equatoriais.

Vamos dar uma olhada mais de perto nas auroras e em suas causas.

Com o que as auroras se parecem?

Como já dissemos, as auroras podem ter formas e cores diferentes. Elas podem aparecer como um brilho vermelho ou alaranjado no horizonte - como um nascer ou por do sol. Às vezes, elas podem parecer incêndios como acreditavam os índios americanos. Elas podem também ter a forma de cortinas ou feixes que se movem e ondulam durante a noite.

aurora borealis
Michael S. Quinton/National Geographic/Getty Images
Aurora boreal vermelha sobre o Parque Nacional Wrangell/St.Elias no Alasca

As auroras podem ser verdes, vermelhas ou azuis. Freqüentemente, elas serão uma combinação de cores, sendo cada cor visível a uma altura diferente na atmosfera.

  • Azul e violeta: menos de 120 quilômetros.
  • Verde: 120 a 180 quilômetros.
  • Vermelho: mais de 180 quilômetros.

Após o máximo do ciclo solar, a cor vermelha pode aparecer a altitudes que variam entre 90 e 100 quilômetros.

Os íons de oxigênio irradiam uma luz. Os íons de nitrogênio irradiam uma luz vermelha, azul e violeta. Nos lugares onde tanto o nitrogênio quanto o oxigênio estão presentes, nós temos a cor verde. Nós vemos cores diferentes a altitudes diferentes porque a concentração de oxigênio e nitrogênio na atmosfera muda em função da altitude.

O brilho das auroras pode variar. As pessoas que costumam observar e reportar as auroras usam uma escala de avaliação que vai de zero (fraco) a quatro (muito brilhante). Elas anotam a hora, data, latitude e cores da aurora e fazem rápidos esboços do fenômeno no céu. Tais relatórios ajudam os astrônomos, astrofísicos e cientistas a monitorar as atividades das auroras. As auroras podem ajudar a compreender o campo magnético da Terra e suas mudanças através do tempo.

Como o campo magnético da terra é tridimensional, a aurora aparece como um anel oval em volta do pólo. Isso foi observado por satélites, pela Estação Espacial Internacional e por ônibus espaciais. A aurora não é um círculo perfeito porque o campo magnético da Terra é distorcido pelos ventos solares.

O diâmetro do anel da aurora pode variar. Embora não com freqüência, as auroras podem ser vistas no sul dos Estados Unidos. Em geral, elas permanecem perto das regiões polares. Além disso, elas ocorrem em dupla - quando vemos uma aurora boreal, certamente há uma aurora austral correspondente no hemisfério sul.

As auroras só acontecem na Terra?

Como as auroras são causadas pelas interações dos ventos e erupções solares, você pode pensar que elas também ocorrem em outros planetas. Para que isso aconteça, são necessários alguns fatores:

  • erupções e ventos solares que forneçam as partículas carregadas e a energia para interagir com o campo magnético do planeta;
  • que o campo magnético do planeta atraia elétrons do espaço;
  • uma atmosfera planetária que contenha gases iônicos que interajam com os elétrons energéticos do campo magnético e produzam luz com a “excitação” e “relaxamento” de seus elétrons.

Assim, quando essas condições estão presentes, é possível observar auroras em outros planetas, como em Júpiter e Saturno. Ambos têm poderosos campos magnéticos e atmosferas com gases ionizados, principalmente por hidrogênio e hélio.

O telescópio espacial Hubble capturou imagens de auroras em Júpiter, e a sonda Cassini, que está na órbita de Saturno, fotografou auroras por lá. ­

O que causa uma aurora?

As auroras são indicadores da conexão entre a Terra e o sol. A freqüência delas tem relação com a freqüência e com ciclo de atividade solar (o ciclo solar dura 11 anos).

solar winds
Imagem cedida pela NASA
Ilustração do impacto dos ventos solares na magnetosfera terrestre

Conforme o processo de fusão ocorre dentro do sol, ele emite partículas de carga elevada (íons, elétrons, prótons, nêutrons) e radiação no vento solar. Quando há uma forte atividade solar, é possível ver grandes erupções solares, também chamadas flares solares e ejeções de massa coronal. Essas radiações e partículas de carga elevada são liberadas no espaço e viajam através do sistema solar. Quando chegam à Terra, elas se deparam com o campo magnético de nosso planeta.

Os pólos do campo magnético da Terra ficam perto, embora não exatamente, sobre os pólos geográficos (onde o planeta gira sobre seu próprio eixo). Os cientistas acreditam que o núcleo externo líquido da terra gira e produz o campo magnético. O campo é distorcido pelo vento solar, ficando comprimido na parte que fica de frente para o sol (frente de choque) e se projetando para fora no lado oposto (cauda magnética). Os ventos solares formam um buraco no campo magnético nas cúspides polares, que estão no lado solar da magnetosfera (a área em torno da Terra que sofre a influência do campo magnético). Veja a seguir como isso causa a aurora.

  1. Conforme as partículas carregadas dos ventos e erupções solares se chocam contra o campo magnético da terra, elas viajam ao longo das linhas do campo.
  2. Algumas partículas são desviadas, enquanto outras interagem com as linhas do campo magnético, fazendo com que as correntes das partículas carregadas dentro dos campos magnéticos se dirijam a ambos os pólos - daí a razão da simultaneidade das auroras em ambos os hemisférios (essas correntes são chamadas correntes de Birkeland em homenagem a Kristian Birkeland, o físico norueguês que as descobriu).
  3. Quando uma carga elétrica atravessa um campo magnético, ela gera uma corrente elétrica. Conforme essas correntes descem até a atmosfera ao longo das linhas do campo, elas ficam mais carregadas.
  4. Quando se chocam contra a região ionosférica da atmosfera superior da terra, elas batem nos íons de oxigênio e nitrogênio.
  5. As partículas então transferem sua energia para os íons de oxigênio e de nitrogênio.
  6. A absorção da energia pelos íons de oxigênio e de nitrogênio faz com que os elétrons dentro deles fiquem "excitados" e passem de uma órbita de baixa energia para uma órbita de alta energia.
  7. Quando os íons relaxam, os elétrons nos átomos de oxigênio e de nitrogênio voltam para suas órbitas originais. Durante o processo, eles re-irradiam energia em forma de luz. Essa luz produz a aurora e as diferentes cores provêm da luz irradiada pelos diferentes íons.

Nota: As partículas que interagem com os íons de oxigênio e nitrogênio na atmosfera não vêm do sol. Na verdade, elas já haviam sido atraídas pelo campo magnético da terra. Os ventos e erupções solares afetam o campo magnético e fazem com que essas partículas dentro da magnetosfera comecem a se mexer.

Para mais informações sobre as auroras, veja os links na próxima página.

Como nós conhecemos a causa da aurora?

Em 1895, o físico norueguês Kristian Birkeland analisou a causa das auroras. Birkeland acreditava que as auroras eram causadas por elétrons do sol que interagiam com o campo magnético da Terra. Para testar isso, ele colocou um ímã esférico chamado terrella dentro de uma câmara a vácuo. Isso junto com um canhão de elétrons. Quando ele ligou o canhão, os elétrons interagiram com o campo do ímã e produziram uma aurora artificial, comprovando sua tese.

Entretanto, a aurora artificial de Birkeland não tinha o anel oval característico. O anel da aurora foi anunciado em 1964 por um estudante japonês chamado Sun-ichi Akasofu. Ele examinou fotografias das auroras e concluiu que as auroras eram anéis. Mas então por que as auroras de Birkeland não eram ovais? Birkeland pensava que os elétrons que excitavam os íons de oxigênio e de nitrogênio vinham diretamente do sol. Apenas quando os satélites começaram a estudar as auroras e a medir a magnetosfera é que os os cientistas descobriram que os elétrons vinham da própria magnetosfera. Quando esta idéia foi colocada em prática, com os modelos matemáticos, os anéis da aurora foram explicados.

quinta-feira, 14 de agosto de 2008

veiculo a ar comprimido


Foto cortesia de Zero Pollution Motors
Espera-se que o e.Volution com motor a ar comprimido seja o automóvel ideal para cidades muito poluídas

Você foi ao posto de gasolina nos útlimos dias?  O preço da gasolina  tem subido vertiginosamente. Mas o custo não é o único problema no uso da gasolina como combustível primário. Ela também prejudica o meio-ambiente e, uma vez que não se trata de um recurso renovável, eventualmente se esgotará.

Uma alternativa possível é o carro movido a ar. Existem pelo menos dois projetos em desenvolvimento para um novo tipo de carro que será movido a ar comprimido. Neste artigo, você conhecerá a tecnologia por trás desses dois modelos de carros a ar comprimido que estão sendo desenvolvidos e saberá como eles poderão substituir o seu "beberrão" de gasolina até o final da década!

Motor de dois cilindros de ar comprimido


Foto cortesia de Zero Pollution Motors
O e.Volution será capaz de viajar a cerca de 200 km (124 milhas) antes de precisar ser abastecido com ar comprimido

Em alguns anos você poderá ver o primeiro veículo movido a ar circulando pela sua cidade. Provavelmente, será o e.Volution , carro que está sendo construído pela Zero Pollution Motors em Brignoles, França. Estes automóveis têm gerado grande interesse nos últimos anos e o governo do México já assinou um acordo para comprar 40 mil e.Volutions para substituir, na extremamente poluída Cidade do México, táxis movidos a gasolina e óleo diesel.

Os fabricantes promovem o e.Volution como sendo um carro de baixa poluição ou poluição zero. Entretanto, há discussões sobre qual seria o impacto ambiental que esses automóveis movidos a ar causariam. Fabricantes sugerem que, como os carros são movidos a ar, eles são ambientalmente corretos. Já aqueles que não são favoráveis ao carro movido a ar dizem que estes automóveis apenas tiram a poluição dos canos de escape e a transferem para outro lugar, assim como acontece em uma usina elétrica. Estes carros necessitam de eletricidade para que o ar seja comprimido em seus tanques, e é necessário combustível fóssil para fornecer energia elétrica.

O e.Volution é impulsionado por um motor de dois cilindros comprimido a ar. O conceito básico existente por trás do motor é único: ele pode se mover tanto com apenas ar comprimido ou atuar como um motor de combustão interna. O ar comprimido é armazenado em tanques de fibra de carbono ou de vidro a uma pressão de 1.900 kg por polegada quadrada (psi). O ar é alimentado através de um injetor de ar até o motor e flui dentro de uma pequena câmara, a qual faz o ar se expandir. O ar empurra os pistões e estes empurram o virabrequim, dando força ao carro.


Foto cortesia de Zero Pollution Motors
O escape do motor do carro e.Volution, visto aqui, não conterá poluentes

A Zero Pollution Motors também trabalha em uma versão híbrida do seu motor que poderá operar com uma combinação de combustível tradicional e ar. A mudança de fonte de energia será feita eletronicamente. Quando o carro trafegar a velocidades inferiores a 60 km/h, ele será movido a ar. Em velocidades superiores, será movido a combustíveis tais como gasolina, óleo diesel ou gás natural.

Tanques de ar fixados na parte inferior do carro podem comportar cerca de 300 l (79 galões) de ar. Este ar comprimido pode abastecer o e.Volution por até 200 km (124 milhas) a uma velocidade máxima de 96,5 km/h (60 milhas por hora). Quando o tanque estiver quase vazio, você poderá encostar o carro e reabastecer o e.Volution na bomba de ar mais próxima. Usando-se uma fonte elétrica doméstica, o tanque de ar comprimido levará cerca de quatro horas para ser reabastecido. Entretanto, com uma bomba de alta pressão é possível fazer uma recarga rápida de três minutos.

O motor do carro exige uma pequena quantidade de óleo, cerca de 0,8 l, que o motorista deverá trocar apenas a cada 50 mil km (31.000 milhas). O carro será equipado com transmissão automática, tração traseira, direção do tipo pinhão e cremalheira e terá uma distância entre eixos de 2,89 m (9,5 pés). Ele pesará cerca de 700 kg (1.543 libras) e terá o tamanho de 3,81 m (12,5 pés) de comprimento, 1,74 m (5,7 pés) de altura e 1,71 (5,6 pés) de largura.

Em outubro, o e.Volution fez sua primeira aparição pública em Johannesburg, África do Sul, na Auto Africa Expo 2000. A Zero Pollution afirmou que o carro seria posto à venda na África do Sul em 2002, mas não diz quando o automóvel estará disponível em outras partes do mundo.

Outra versão de carro movido a ar está sendo desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Washington usando o conceito de motor a vapor, com a exceção de que não há combustão. Os pesquisadores usam nitrogênio líquido como propulsor para seu protótipo de carro a ar LN2000. Os pesquisadores decidiram usar nitrogênio por causa de sua abundância na atmosfera - o nitrogênio compõe aproximadamente 78% da atmosfera terrestre - e pela disponibilidade de nitrogênio líquido. Há cinco componentes no motor do LN2000:

  • um tanque de aço inoxidável de 91 l
  • uma bomba que move o nitrogênio líquido para o economizador
  • um economizador que aquece o nitrogênio líquido com calor resultante do escapamento
  • um permutador de calor que ferve o nitrogênio líquido, criando um gás de alta pressão
  • um expansor, que converte a energia do nitrogênio em força utilizável
O nitrogênio líquido, armazenado a -196 ºC (-320 ºF), é vaporizado pelo convertor de calor. O convertor de calor é o coração do motor criogênico do LN2000, que recebe este nome devido às temperaturas extremamente baixas nas quais o nitrogênio líquido é armazenado. O ar movido em torno do veículo é usado para aquecer o nitrogênio líquido ao ponto de fervura. Uma vez que o nitrogênio líquido ferve, transforma-se em vapor da mesma forma que a água fervida se torna vapor d'água em um motor a vapor.

O gás nitrogênio formado pelo convertor de calor é expandido em aproximadamente 700 vezes seu volume quando em estado líquido. Este gás altamente pressurizado é então alimentado ao expansor, onde a potência do gás nitrogênio é convertida em força mecânica para empurrar os pistões do motor. O único resíduo de escape é o nitrogênio, e como este compõe a maior parte da atmosfera, o automóvel emite pouca poluição. Entretanto, estes carros podem não reduzir a poluição tanto quanto você pensa. Enquanto a poluição inexiste no carro, ela pode ser transferida para outro lugar. Assim como com o e.Volution, o LN2000 necessita de eletricidade para comprimir o ar. O uso dessa eletricidade significa que haverá alguma quantidade de poluição em outro lugar.

Parte do calor resultante da exaustão circula através do motor para o economizador, que pré-aquece o nitrogênio antes deste entrar no convertor de calor, aumentando a eficiência. Dois ventiladores situados na traseira do veículo sugam o ar através do convertor de calor para aumentar a transferência de calor para o nitrogênio líquido.

Os pesquisadores de Washington desenvolveram um protótipo ainda primitivo de seu carro, usando um furgão de correio Grumman-Olson Kubvan ano 1984 convertido. O furgão tem um motor radial de cinco cilindros que produz 15 cavalos com combustível de nitrogênio líquido. Ele é também equipado com transmissão manual de cinco marchas. Atualmente, o carro é capaz de percorrer apenas 3,2 km (2 milhas) com um tanque cheio de nitrogênio líquido, e sua velocidade máxima é de apenas 35.4 km/h (22 m/h). Entretanto, como o carro movido a nitrogênio líquido será mais leve, os pesquisadores acham que um tanque com 227 l (60 galões) dará ao LN2000 uma autonomia potencial de aproximadamente 321.8 km (200 milhas).

Com o preço da gasolina disparando, como vem acontecendo nos últimos anos, não demorará muito para que os motoristas recorram a veículos movidos a combustíveis alternativos. Ainda que os veículos movidos a ar percam terreno para os seus concorrentes movidos à gasolina no que diz respeito a desempenho e potência, eles operam com menor custo e são ecologicamente corretos, o que os torna mais atrativos como o futuro do transporte nas estradas.

pesquisa retirada do site: http://carros.hsw.uol.com.br/carros-a-ar.htm

Se a natureza tem aversão a vácuo, por que o vácuo espacial não absorve toda a atmosfera da Terra?

Com base em nossa experiência com a natureza, a impressão é que ela realmente tem aversão a vácuo. Se você criar um vácuo dentro de um recipiente aqui na Terra, a natureza rapidamente encherá este recipiente com ar, se você permitir (por exemplo, perfurando o recipiente).

Por outro lado, sabemos que o espaço sideral é um vácuo gigante, ele é infinitamente maior que a Terra, de modo que 99% de nosso universo é um vácuo. Com base nisso, o ideal é dizer que a "natureza ama o vácuo". Então, por que o vácuo do espaço sideral não absorve nossa atmosfera?

Digamos que você está na Terra segurando uma garrafa de vidro. Se você prender a garrafa a uma bomba de vácuo e tirar todo o ar e em seguida você fechar a garrafa, ela ficará com um vácuo. Se você fizer um furo nesta garrafa, o ar entrará. Isso ocorre devido à pressão atmosférica ao redor da garrafa. Na Terra, estamos todos rodeados de ar, que sobe muitos quilômetros acima de nós. As moléculas de ar ficam umas sobre as outras e criam uma pressão de 14,7 psi ao nível do mar. Quanto mais alto você subir na atmosfera, menor será a camada de moléculas e menor a pressão.

Pressão atmosférica a várias altitudes

  • Nível do mar - 14,7psi
  • 3.000m - 10,2psi
  • 6.000m - 6,4psi
  • 9.000m - 4,3psi
  • 12.000m - 2,7psi
  • 15.000m - 1,6psi

Ao nível do mar, é o peso de todas essas moléculas sobre a garrafa (7 kg/cm2) que as força para dentro do vácuo perfurado.

Se viajasse em um foguete à margem da atmosfera, você descobriria que não há pressão atmosférica. Ao contrário, as moléculas de ar individuais ficam se movendo ao redor no vácuo espacial. As moléculas podem mover-se para qualquer lugar, mas elas tendem a seguir em direção à Terra, pois a gravidade da Terra age sobre elas assim como age sobre qualquer coisa que tenha massa. A razão de o vácuo espacial não atrair as moléculas é o fato de não haver absorção ao vácuo espacial - não há pressão atmosférica que força as coisas para o vácuo. O que há no espaço são as moléculas que percorrem este vácuo.

Você pode ver que não há risco de o vácuo absorver nossa atmosfera, mas existe outra força que poderia roubar nossa atmosfera. Essa força é chamada de vento solar. Felizmente, a atmosfera é protegida contra o vento solar pelo campo magnético da Terra.

informação retirada do site:http://ciencia.hsw.uol.com.br/questao200.htm