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Engenharia de fogo: como construir o melhor fogo cientificamente

Engenharia de fogo: como construir o melhor fogo cientificamente


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O fogo é talvez o processo mais crucial para sustentar a vida civilizada, mas não é tão simples quanto acender um fósforo. Existe uma maneira de projetar perfeitamente o fogo para maximizar a distribuição de calor, a taxa de queima e a eficiência. Vamos projetar fogo.

O que o fogo precisa

A fogueira precisa de três coisas para ocorrer: oxigênio, calor e combustível. Este é o triângulo de fogo básico, mas criar um fogo perfeito não é tão simples. Acredite ou não, vários estudos foram publicados a respeito do que é necessário para criar um fogo perfeito, sendo o mais conhecido um de uma equipe da Duke University, publicado na Nature Scientific Reports. A equipe examinou as muitas maneiras diferentes de as pessoas fazerem fogueiras e descobriram que as melhores fogueiras têm quase a mesma largura que altura. Isso perpetua a forma piramidal básica que tem sido usada há séculos. No entanto, uma conclusão não é nada se não for apoiada por dados.

A equipe desenvolveu uma equação que representa a forma do fogo em função da temperatura, que pode ser vista abaixo. Quando a proporção entre a altura (H) e o comprimento da base (D) era igual a cerca de um, a equipe descobriu que a temperatura do fogo era a mais alta. A escala de comprimento de base é uma unidade que a equipe usou para desconsiderar a forma do fogo no estudo, por exemplo, um fogo quadrado de largura W teria o mesmo valor D que um fogo cônico com um diâmetro igual à largura W.

Compreendendo a matemática

A razão para esta faixa de condutividade térmica maximizada em torno de uma razão H / D de um foi encontrada para ser a capacidade do ar fluir através das densidades variáveis ​​dentro e fora do fogo. Qualquer fogo é alimentado com oxigênio por meio de um diferencial de pressão com o ar ao seu redor. À medida que o fogo queima, o ar quente de baixa densidade é acumulado no interior e o ar (relativamente) frio de alta densidade fica ao redor do fogo. A taxa na qual o ar flui através do diferencial de pressão depende da densidade do ar circundante (ρ), da aceleração gravitacional (g), do coeficiente de expansão térmica no incêndio (β), do diferencial de temperatura (ΔT) e do altura (H) do fogo. A equipe relacionou esses termos na seguinte equação.

ΔP ~ρgβΔTH

Em última análise, descobriu-se que o fluxo de ar foi maximizado quando a relação altura / base era um, conforme discutido antes. Como qualquer bom engenheiro faria, quando reconheceu este ponto de eficiência máxima, eles passaram a compreender o comportamento de incêndios em formas extremas, um fogo curto largo e um fogo alto e fino.

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Ao estudar o extremo mais alto, mais magro, a equipe descobriu que, conforme a superfície do fogo ficava mais alta, enquanto o volume permanecia o mesmo, a distância de qualquer ponto interno à estrutura diminuía. Eles relacionaram as densidades do ar circundante à área da seção transversal da estrutura de incêndio. Por sua vez, a equipe descobriu que, conforme o fogo fica proporcionalmente mais alto, a temperatura corporal diminui exponencialmente.

A equipe havia agora descoberto o que apelidou de limite alto para incêndios. Seguindo em frente, eles procuraram o limite raso para um incêndio. Usando equações semelhantes, mas ligeiramente variadas, os pesquisadores também descobriram que, à medida que um corpo de fogo se torna mais raso, a temperatura corporal diminui exponencialmente. Em suma, eles descobriram que o ponto ideal de altura igual a largura, ou diâmetro, permitia a respirabilidade maximizada, portanto, eficiência, dados os diferenciais de temperatura e pressão padrão no ar circundante.

Escolha as variáveis ​​certas

Além da matemática do fluxo de ar da fogueira, também existem diferenças razoáveis ​​na capacidade de combustão de várias madeiras. Para iniciar um incêndio, você precisará de uma fonte de combustível que queime e acenda rapidamente. Para isso, você pode usar uma madeira macia como o pinho ou o abeto. Isso criará uma chama quente de queima rápida. Depois que o fogo estiver aceso, opte por adicionar uma madeira dura, como bétula ou bordo. A madeira também precisa estar seca, ou o fogo pode ser apagado ou expelir o excesso de energia na fumaça.

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Projetar a fogueira perfeita tem mais a ver com termodinâmica e densidades de materiais, embora a pesquisa de Duke, e de outros, apenas tenha confirmado como os humanos têm feito fogo há anos. Os antigos egípcios tinham a altura piramidal em relação à base do fogo séculos atrás e, na maior parte, essa técnica de fazer fogo se tornou um conhecimento básico. No entanto, agora que você pode irritar seus amigos que não são engenheiros com a matemática por trás de uma fogueira, você certamente será um sucesso em sua próxima festa.


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