A Bola Usada é Mais Veloz que Uma Nova?/A Used Ball is Faster Than a New One?*

Será Que Uma Bola Usada é Mais Veloz Que Uma Nova?

Se Você Sabe a Resposta e Consegue Explicar a Razão, Então Não Perca Seu Tempo Lendo Esse Artigo!


Olá tenista!

Qual bola de tênis se desloca mais rapidamente aplicando-se a mesma força em ambas, uma nova ou uma usada?

A resposta para tal fenômeno não é tão simples como se imagina.
Primeiro temos que conhecer as Leis que governam a Mecânica dos Fluídos ou Fluidodinâmica.

Apesar de muitas pessoas desconhecerem, os gases também são fluídos, como os líquidos.
Sabemos que a diferença entre eles está na compressibilidade, os gases são compressíveis e os líquidos são considerados incompressíveis.
Na verdade, sofrem compressão, mas os valores são irrelevantes para a maioria dos casos.

Muito bem, como é que um fluído, gás ou líquido, se movimenta numa superfície qualquer?
Eis a pergunta chave para elucidarmos a questão principal de nosso artigo!
Apesar de intuitivamente acreditarmos que os fluídos se movam uniformemente, isso não é verdade.
Os fluídos movem-se em camadas, pois sofrem forças de cisalhamento.
Cisalhamento significa cortar ou causar deformação numa superfície.

O desenho abaixo demonstra como as inúmeras camadas se movimentam num plano e num determinado sentido em função das forças de cisalhamento.
Observe que no plano inferior que está estático, a velocidade da camada que está em contato com o citado plano é zero, por incrível que pareça!
                   
E o que provoca o cisalhamento?
É a viscosidade do elemento, no caso, o ar atmosférico.
Mas como, desde quando o ar tem viscosidade?
Para a surpresa da maioria das pessoas, o ar, sim, tem viscosidade!
Aliás, todo gás, como líquido, apresenta viscosidade.

O Autor já havia prevenido os leitores que alguns artigos poderiam causar desmaios, transtornos psicológicos irreversíveis e tentativas de suicídio.
No momento, estamos sendo informados que em função da viscosidade do ar, os Prontos-Socorros ao longo do país estão sobrecarregados e o caos é generalizado.

Bem, num gás, a viscosidade é pequena, nós não a percebemos e nem sentimos através de nossos cinco sentidos (comenta-se que o Autor tem mais que cinco), porém a viscosidade tem a capacidade de mudar o rumo de inúmeros fenômenos.
A título de informação, apresentamos abaixo uma tabela com as viscosidades da água e do ar em diversas temperaturas:



Note que a viscosidade cinemática da água a 25º C é da ordem de 576 vezes maior que a do ar.

Você já observou que quando a poeira se deposita no seu carro e após dirigir por horas e elevadas velocidades, ela ainda permanece na superfície?
Já percebeu que as hélices dos ventiladores estão sempre sujas e temos que limpá-las?
E os aviões, porque são constantemente lavados?
Com é possível a poeira permanecer no lugar, mesmo sofrendo a ação severa do ar em movimento?
A resposta está na própria viscosidade do ar, que mantém as partículas de poeira agregadas na superfície em velocidade zero.

Ao contrário do que se pensa, um fluído se deslocando numa tubulação, não apresenta a mesma velocidade numa dada seção da mesma.
O diagrama abaixo mostra claramente que a velocidade do fluído na superfície de contato da tubulação é zero e no centro da mesma, a velocidade é máxima.
Tudo isso causado pela viscosidade do fluído e pela rugosidade do material em que o fluído está se movimentando.



E qual a interferência da viscosidade do ar e a rugosidade da superfície no movimento da bola de tênis?
A interferência é crítica, pois é ela que vai determinar quanto de arrasto, atrito ou perda de carga, teremos na superfície de uma bola.

Como peso, pressão e diâmetro das bolas de tênis são padronizados, a única maneira de alterarmos a velocidade das mesmas é modificando a rugosidade de sua superfície, no caso o feltro.
Suspeito que Aristóteles em 350 a.C. utilizando apenas lógica, teria chegado à mesma conclusão.
Não há como modificar a viscosidade do ar, exceto se alterarmos nossa altitude em relação ao nível mar ou se houver substancial mudança na temperatura e umidade da atmosfera.

Se hipoteticamente pudéssemos produzir uma superfície perfeita, com rugosidade zero, a primeira camada do fluído ou camada limite em contato com a superfície, não conseguiria aderir perfeitamente a ela.
É o caso de um vidro plano limpo onde sua rugosidade é desprezível e por isso quando jogamos água, ela não adere na sua superfície.
Basicamente, isso significa perda de energia da bola que é transformada em calor e como isso a bola perde velocidade.

Abaixo, a título de informação, apresentamos uma tabela de diversos materiais e suas rugosidades.



Aí entra a função do feltro, que é um elemento com uma rugosidade previamente calculada e exaustivamente testada em túneis de vento.
Se a rugosidade do feltro for superior ou inferior à determinada pelos fabricantes, a bola vai se movimentar com uma velocidade diferente da estabelecida.

No caso da bola usada, temos que grande parte do feltro já foi consumido, portanto, rugosidade reduzida, e dessa forma arrasto, atrito ou perda de carga aumentadas. O motivo é que o fluído ar, terá dificuldades em manter a camada limite, ou da superfície, com velocidade zero. E isso, como já sabemos, gera turbulência.

Para a situação onde temos o feltro com muita rugosidade, ultrapassando a estabelecida, essa rugosidade exagerada produzirá uma força contrária ao movimento da bola acarretando indesejado arrasto, atrito ou perda de carga elevadas. A rugosidade exagerada atuará como um freio ao invés de colaborar com o movimento da bola.

A titulo de curiosidade, no golfe temos um fato bastante elucidador.
Como é de conhecimento de todos, a bola de golfe apresenta na sua superfície reentrâncias com uma única função: aumentar a aderência da camada limite e reduzir o arrasto, atrito ou perda de carga durante o voo. Parece loucura e contra-intuitivo, porém é isso que efetivamente ocorre.
A foto abaixo apresenta claramente as reentrâncias na superfície de uma bola oficial de golfe.





Experiências realizadas em laboratório demonstram que uma bola de golfe com superfície lisa e lançada com o mesmo peso e diâmetro de uma bola padrão, percorre apenas a metade da distância quando comparada com uma bola oficial.

Bem, poderíamos discorrer sobre Número de Reynolds, Equação de Hazen-Williams, Equação de Bernoulli, Equação de Colebrook-White e tantas outras, mas não agregariam muito ao que já foi descrito acima. 
Basicamente elas tratam da movimentação de fluídos em superfícies e suas consequências.

Em resumo, a viscosidade do ar e a rugosidade da superfície é que comandam a velocidade da bola quando impulsionada por uma mesma força.
Na Lua, onde quase não há atmosfera, a viscosidade e a rugosidade não teriam praticamente nenhum efeito sobre a bola.

Quando alguém lhe perguntar, porque a bola nova é mais rápida, responda, você tem um "tempinho"?

Um forte abraço
Franco Morais
www.tenniscience.com.br



Is a used ball faster than a new one?*

If you know the answer and can explain the reason, then don't waste your time reading this article!


Hello tennis player!

Which tennis ball moves faster by applying the same force to both, a new or a used one?

The answer to such a phenomenon is not as simple as one imagines.
First we have to know the Laws that govern Fluid Mechanics or Fluid Dynamics.

Although many people are unaware, gases are also fluid, like liquids.
We know that the difference between them is in compressibility, gases are compressible and liquids are considered incompressible.
In fact, they suffer compression, but the values ​​are irrelevant in most cases.

Okay, how does a fluid, gas or liquid, move on any surface?
This is the key question for us to elucidate the main matter of our article!
Although we intuitively believe that fluids move evenly, this is not true.
The fluids move in layers as they undergo shear forces.
Shearing means cutting or causing deformation on a surface.

The drawing below shows how the countless layers move in a plane and in a certain direction as a function of shear forces.
Note that in the lower plane that is static, the velocity of the layer that is in contact with that plane is zero, oddly enough!

And what causes the shear?
It is the viscosity of the element, in this case, the atmospheric air.
But how, since when does the air have viscosity?
To the surprise of most people, the air does have viscosity!
In fact, all gas, as a liquid, has viscosity.

The Author had already warned readers that some articles could cause fainting, irreversible psychological disorders and suicide attempts.
At the moment, we are being informed that due to the viscosity of the air, the Emergency Rooms throughout the country are overloaded and chaos is widespread.
Well, in a gas, the viscosity is small, we do not perceive it or feel it through our five senses (it is said that the Author has more than five), but the viscosity has the ability to change the course of numerous phenomena.

For information, we present below a table with the viscosities of water and air at different temperatures:




Note that the kinematic viscosity of water at 25º C is on the order of 576 times greater than that of air.
Have you ever noticed that when dust settles on your car and after driving for hours and high speeds, it still remains on the surface?

Have you noticed that the fan blades are always dirty and we have to clean them?
And airplanes, why are they constantly washed?
How is it possible for the dust to remain in place, even suffering the severe action of the moving air?
The answer lies in the viscosity of the air itself, which keeps dust particles aggregated on the surface at zero speed.

Contrary to popular belief, a fluid moving in a pipe does not have the same speed in a given section.
The diagram below clearly shows that the fluid speed at the contact surface of the pipeline is zero and in the center of it, the velocity is maximum.
All this caused by the viscosity of the fluid and the roughness of the material in which the fluid is moving.


And what is the interference of air viscosity and surface roughness in the movement of the tennis ball?
Interference is critical, as it will determine how much drag, friction or drop pressure we will have on the surface of a ball.

As the weight, pressure and diameter of the tennis balls are standardized, the only way to change their speed is to modify the surface roughness, in this case the felt.
I suspect that Aristotle in 350 BC using logic alone would have come to the same conclusion.
There is no way to modify the viscosity of the air, except if we change our altitude in relation to sea level or if there is a substantial change in the temperature and humidity of the atmosphere.

If hypothetically we could produce a perfect surface, with zero roughness, the first layer of the fluid or boundary layer in contact with the surface, would not be able to adhere perfectly to it.
It is the case of a clean flat glass where its roughness is negligible and that is why when we pour water, it does not adhere to its surface.
Basically, this means loss of energy from the ball which is transformed into heat and as a result the ball loses speed.
Below, for information, we present a table of different materials and their roughness.


Here comes the function of the felt, which is an element with a previously calculated roughness and exhaustively tested in wind tunnels.
If the felt's roughness is higher or lower than that determined by the manufacturers, the ball will move with a different speed than the established one.

In the case of the used ball, we have that much of the felt has already been consumed, therefore, reduced roughness, and thus increased drag, friction or loss of load. The reason is that the air fluid will have difficulties in maintaining the boundary layer, or the surface, at zero speed. And this, as we already know, creates turbulence.

For the situation where we have the felt with a lot of roughness, exceeding the established, this exaggerated roughness will produce a force contrary to the movement of the ball causing undesired drag, friction or high drop pressure. The exaggerated roughness will act as a brake instead of contributing to the movement of the ball.

As a curiosity, in golf we have a very illuminating fact.
As everyone knows, the golf ball has concavities on its surface with a single function: to increase the adherence of the boundary layer and to reduce drag, friction or loss of load during the flight. It sounds crazy and counter-intuitive, but that's what actually happens.
The photo below clearly shows the concavities on the surface of an official golf ball.


Laboratory experiments show that a golf ball with a smooth surface and thrown with the same weight and diameter as a standard ball, travels only half the distance when compared to an official ball.

Well, we could talk about Reynolds Number, Hazen-Williams Equation, Bernoulli Equation, Colebrook-White Equation and so many others, but they would not add much to what has already been described above.
Basically they deal with the movement of fluids on surfaces and their consequences.

In short, the viscosity of the air and the roughness of the surface are what control the speed of the ball when driven by the same force.
On the Moon, where there is almost no atmosphere, viscosity and roughness would have virtually no effect on the ball.

When someone asks you, why the new ball is faster, answer, can we talk a little bit?

Best regards
Franco Morais
www.tenniscience.com.br