Arquimedes e o espelho ardente

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Esta gravura mostra Archimedes usando um espelho parabólico, grande para fazer seu ataque, mas parece mais provável que empregou uma série de pequenos espelhos planos.
Provavelmente não é um conto antigo tem gerado tanta controvérsia como a história do inventor grego Arquimedes usando um espelho gigante, ou conjunto de espelhos, para atear fogo Roman naves atacando sua casa, na cidade de Siracusa em 212 A.C.. Isso realmente aconteceu? Cientistas e estudiosos vieram para baixo em cada lado da questão. Às vezes suas conclusões baseiam-se no registro histórico (ou falta dela), algumas vezes os pesquisadores na verdade tentei configurar o teste se usando espelhos reais e zombam de navios. Em 2010, Obama presidente dos Estados Unidos até desafiou os anfitriões do programa de TV Mythbusters para testar o problema e chegar a uma conclusão definitiva. Eles fizeram, mas foi a sua resposta correta?
Vamos começar nossa exploração do assunto, voltando-se para uma conta do que Arquimedes supostamente fizeram. Zonares e Tzetzes, escrevendo no século XII citado de um trabalho anterior (agora perdido) chamado o Cerco a Siracusa, disse:
Quando [o General romano] Marcellus tinha colocado os navios disparou um arco, o velho [Archimedes] construído uma espécie de espelho hexagonal. Ele colocou a uma distância adequada do espelho outros espelhos menores do mesmo tipo, que foram movidos por meio de suas dobradiças e determinadas placas de metal. Ele é colocado entre os raios do sol ao meio-dia, tanto no verão e no inverno. Os raios sendo refletidos por isso, uma assustadora lenha ardente estava animada sobre os navios, e os reduziu a cinzas, à distância de um tiro de proa. Assim, o velho confundiu Marcellus, por meio de suas invenções.
É claro que, pelo menos na superfície, o método descrito parece plausível. Muitas crianças em idade escolar têm usado uma lupa para concentrar os raios do sol em um pequeno pedaço de madeira, colocando-a em fogo. O mesmo pode ser feito com um pequeno espelho parabólico que pode levar os raios do sol e traduzi-las em um pequeno ponto. Os autores sugerem que Arquimedes fizeram isso em grande escala com um enorme espelho com foco em navios ancorados "um tiro de proa" da parede da cidade (Talvez 500 pés).
A capacidade de espelhos para concentrar-se ao sol para obter temperaturas muito altas é bem conhecida. Há alguns anos o departamento de energia dos EUA, junto com um grupo de empresas, construiu uma estação de "Torre do poder" solar no deserto de Mojave, perto de Barstow, Califórnia, para demonstrar a viabilidade de aproveitamento deste tipo de energia. A estação é composta por uma matriz de espelhos que refletiam o sol para uma torre no centro do campo. No topo desta torre era um alvo grande usado sal fundido para absorver o calor e transferi-lo para uma caldeira de água no chão. A caldeira criado vapor que então corri de turbinas e geradores, como uma planta de poder regular para produzir eletricidade. A planta pode produzir 10 megawatts usando espelhos quase 2000 se movimentam sob o controle do computador, rastreando o sol e refletindo sua luz para a torre.
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A usina de energia Solar II perto de Barstow, CA, usado quase 2000 espelhos e o calor do sol para fazer 10 megawatts de energia.

É fácil imaginar enfocando aqueles espelhos de um navio de madeira em vez da torre e defini-la em chamas. O destino na parte superior da torre pode alcançar temperaturas superiores a 1.000 Fahrenheit, bem sobre o ponto de auto-ignição de mais madeira. No entanto, cada um dos espelhos da instalação era enorme (430 metros quadrados que é um espelho de mais de vinte metros comprimento por vinte metros de largura) e quase 2000 deles, provavelmente não havia algo Archimedes poderia ter arranjado dado a tecnologia na época.
A questão não é se o sol poderia fornecer calor suficiente, é se Arquimedes poderiam ter construído um mecanismo com as ferramentas que tinha disponível no momento para concentrar a luz solar suficiente para definir o convés de um navio de madeira no fogo.

Um espelho parabólico

Muitos ilustradores têm retratado o velho inventor usando um único espelho parabólico a poucos metros de diâmetro, para fazer o trabalho. Um espelho parabólico tem uma forma curvada que irá focar os raios de luz paralelos provenientes de uma fonte de luz (como o sol) em um único ponto (chamado ponto focal), que é uma distância do espelho (a distância focal).
O problema com este esquema é que um espelho único, sólido tem uma distância focal conjunto. Isto significa que a nave que você deseja definir ao fogo deve ser precisamente a distância focal, longe de seu espelho para tal regime de trabalho. Qualquer um mais perto ou mais longe e a luz não está concentrada em um ponto pequeno, mas em vez disso é espalhada por uma área maior. Isto, por sua vez, significa que a temperatura resultante não será alta o suficiente para iniciar combustão.
Desde que Arquimedes não podia controlar a distância Marcellus estacionado seus navios, ele não podia antecipar onde definir o ponto focal, quando ele construiu seu espelho. Uma maneira de contornar este problema é construir um grande espelho que mesmo se o ponto de foco não é precisamente no navio você ainda concentra luz suficiente para obtê-lo queimar. O problema com isto é que um único espelho o tamanho necessário seria extremamente difícil de se mover e controlar com o equipamento primitivo que Archimedes tinha.
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Um espelho parabólico centra-se raios de luz paralelos a um único ponto em que seu poder de concentração.

Outro problema com um grande espelho parabólico é que quanto mais longe o ponto focal é longe do espelho, a menos de energia que você pode se concentrar nele. Por exemplo, um espelho parabólico diâmetro de um pé com três metros de distância focal pode concentrar a luz do sol por 10 vezes. No entanto, um espelho parabólico diâmetro de um pé com um pé de cem longa distância focal que não concentrar a luz solar em tudo. Se os navios romanos eram qualquer distância do espelho, dizer 500 pés, Arquimedes seria preciso uma parabólica espelho pelo menos 10 metros de diâmetro apenas duplicar o calor normal que o destino iria obter do próprio sol. Isso seria muito menor do que o que seria necessário para fazer uma fogueira.

Vários espelhos

Tudo isso parece tornar muito mais provável que Arquimedes em vez disso usou um número de espelhos pequenos, planos em vez de um, um grande e parabólico. Cada um dos espelhos pode ser usado para concentrar a luz solar para uma pequena mancha no alvo. Juntos eles seriam uma forma mais ou menos o mesmo que um enorme espelho parabólico. Para fazer isso ele poderia ter equipado centenas de soldados com espelhos. Trabalhando juntos, com cada homem ajustando seu próprio espelho, eles podem ter sido capazes de focar um único ponto em um navio para obtê-lo a queimar a luz suficiente.
Esta abordagem é exatamente o que usaram um número de tentativas para reproduzir a realização de Arquimedes. Aparentemente em 1973 uma cientista grego, Dr. Ioannis Sakkas, tornou-se curioso sobre se Arquimedes realmente poderiam ter usado um copo de"queimado" para destruir a frota romana e configurar um experimento envolvendo 60 marinheiros gregos, cada um usando um oblongo 3' 5' espelho liso para concentrar a luz em um barco a remo de madeira 160 metros de distância. De acordo com fontes ele não teve problema ficando a madeira pegar fogo muito rapidamente.
Em 2009, como um exercício de design, uma aula no MIT decidiu tentar reproduzir a arma de Arquimedes utilizando 127 espelha um pé por pé. Eles foram bem sucedidos em levantar um zombou nave feita de carvalho vermelho para iniciar a gravação após dez minutos de exposição à direta do sol. Sua experiência, no entanto, apresentou algumas falhas com a idéia de usar isso como arma.
O problema com o uso de espelhos individuais é que cada um deles tem de visar o alvo (um ponto específico no navio), a sua própria particular ângulo do sol. Se você entregou uma pessoa um espelho e pediu-lhe para refletir a luz do sol para um local, é fácil para ele fazer. Ele simplesmente usa o ponto luminoso formado pelo reflexo do espelho, como um guia para visar o alvo. Se você dá cem pessoas espelhos e tentar fazer a mesma coisa, no entanto, você tem caos. Cem espelhos significa cem pontos brilhantes e ninguém tem a certeza de qual lugar é deles.
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Soldados usando vários espelhos planos poderiam concentrar a luz num navio, mas podem realmente ter calor suficiente para explodir em chamas? (Copyright Lee Krystek, 2011)

Com algum treino e talvez o uso de um dispositivo de pontaria, este problema pode ser minimizado. Um problema mais difícil de resolver é o comprimento do tempo necessário por parte da tripulação do MIT para acender um fogo. Dez minutos é muito tempo para manter sua atenção focado em visando um espelho no ponto distante enquanto o caos da batalha está acontecendo ao seu redor. Além disso, o período de tempo necessário para conseguir algo queimando poderia facilmente ser estendido ainda mais se o inimigo tomou a medida defensiva simples de espirrar água em sua área alvo para esfriá-la.
Em 2010 o programa de televisão Mythbusters tentada uso 500 espelhos plana controlados por 500 alunos voluntários do ensino fundamental e médio para reproduzir a lenda de espelho ardente. Apesar de uma hora de focalizar o sol uma vela (que deveria ter um ponto de ignição de apenas cerca de 500 graus Fahrenheit) que só podem entrar a temperatura até cerca de 230 graus. Ainda mais significativo é que usaram espelhos de prata modernos fazem isso. Espelhos de bronze polidos, mais típicos de que teria sido disponível na época de Arquimedes, teria sido 30% menos eficiente, resultando em uma temperatura mais baixa.
A conclusão de Mythbusters foi que, embora em teoria incendiando um navio com espelhos pode ser possível, parece um método pouco provável para ser usado em batalha. Jamie Hyneman, um dos anfitriões Mythbusters que esteve a bordo do navio simulado durante o experimento, observou que, enquanto o navio não explodir em chamas ele encontrou o brilho deslumbrante dos espelhos desconcertante e sugeriu que Arquimedes podem ter simplesmente usado a confundir o inimigo e perturbar sua capacidade de ver os seus adversários.
Outros sugeriram que enquanto os espelhos não seria capazes de incendiar os navios, podem ter sido muito eficaz em assediar a tripulação do navio. Ter um feixe de luz focado em você que poderia elevar a temperatura de pele para mais de 200 graus, seria extremamente desagradável.

Início contas sem espelho

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Fogo grego foi pensado para ser uma forma de petróleo pegajosa que seria definida em chamas. Pode ser entregue em um jarro, ou pulverizado sobre com um sifão, como mostrado aqui.
Dado que parece que os espelhos são uma forma impraticável para atear fogo um navio, talvez faz sentido olhar para a exactidão dos documentos que afirmam que Arquimedes realmente fizeram isso. A citação que vimos anteriormente foi escrita 14.000 anos após o fato. Diz que ele está citando um trabalho anterior, mas que o trabalho precoce é agora então perdeu realmente não podemos ver o próprio material de origem.
Escritores contemporâneos à época, como Políbio, Tito Lívio e Plutarco, nunca mencionam o uso de espelhos para incendiar navios, embora eles discutir outros dispositivos defensivos de Arquimedes. Em particular, dizem sobre "Garra de Arquimedes", que aparentemente era um guindaste que empinava longe sobre o muro da cidade e usaria um gancho para apanhar os navios romanos, levantá-los e derrubá-los.
Dois escritores do segundo século A.D., Luciano de Samósata e Galeno de Pérgamo, dizer que Arquimedes incendiaram navios romanos, mas não diz exatamente como. Isto levou à especulação de que o inventor pode ter empregado um método diferente do que espelhos: fogo grego.

Fogo grego?

O fogo grego era exatamente é um mistério para os historiadores hoje. As fontes dizem-nos iria queimar na água e algumas fontes nos contou que iria ser inflamado por água. Um número de investigadores, no entanto, suspeito que o fogo grego era na verdade uma forma espessa, pegajosa de petróleo. Enquanto tal um material realmente não explodir em chamas em contacto com a água, também não iria trabalhar como um agente extintor particularmente eficaz de água e na verdade podem espalhar as chamas. A forma mais fácil de entrega teria sido uma panela cheia com o material que tem um pavio aceso saindo do topo. Quando convertido para uma nave, o pote quebra aberto a derramar o líquido que seria definido em chamas pela chama. O arranjo agiria exatamente como uma versão antiga de um coquetel molotov.
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Arquimedes ateia fogo a um navio usando um espelho enorme, composto de muitos segmentos planos neste filme mudo de 1914.

Outro dos desenhos defensiva de Arquimedes supostamente implantados durante a batalha foi uma forma de catapulta. Seria fácil imaginar uma dessas máquinas socando o Roman navios com potes de fogo grego e reduzindo-os a cinzas. Se, ao mesmo tempo Arquimedes foi também empregando espelhos para confundir e cega o inimigo, um observador da batalha pode ser confuso sobre o que causou o fogo.
Então Arquimedes incendiou navios no cerco a Siracusa? Nós nunca pode ter certeza da verdade. Ele certamente poderia ter tentada, embora muitos dos fatos que temos hoje parecem sugerir que ele não poderia ter sido tão bem sucedido como diz a lenda. A história da época provavelmente suporta esta conclusão. Se os romanos tivessem achado ardentes espelhos uma defesa eficaz durante a batalha, há pouca dúvida de que eles teria percebido como adicionar tal arma a seu próprio arsenal, que nunca fizeram.

Uma bibliografia parcial

Ciência grega na antiguidade por Clagett, Marshall, Dover Publications, 2001
Arquimedes e os espelhos ardentes de Siracusa por D.L. Simms, tecnologia e cultura Vol. 18, n. º 1 (janeiro de 1977)
Revisão da tevê: MythBusters do 8,27 - Presidente desafio por Ann Wells, Fandomania, http://fandomania.com/tv-review-mythbusters-8-27-presidents-challenge/