02/04/2025

Projecteis, alcance e... CPmíssil

Há perguntas cuja resposta pode ser simples ou complicada, dependendo de como foi feita e das definições que a pessoa tem.

Em 1994/95, no último ano do meu secundário, aprendi o movimento de projecteis.
E com ele, escrevi um dos meus primeiros jogos de calculadora, o CPMíssil.


A imagem é umuma captura de ecrã do CPmíssíl 3.0 de Novembro de 1999 para calculadoras Casio cfx-9950G, mas as versões 1.0 e 2.0 foram escritas para uma máquina com apenas 400 bytes de memória, a Casio fx-6300G... em 1994.
Aquela "vel vento" foi uma variável aleatória que juntei na versão 3

[ CPmissil não foi o meu primeiro jogo, há muitas formas extracurriculares de expor e reter assuntos: não hostilizem a tecnologia... ]

Era uma espécie de "Angry birds" com tanques.
A ideia para o jogo ocorreu-me enquanto estava a estudar, como forma de testar os meus conhecimentos, melhor do que andar meramente a resolver exercícios.
Funcionar, funcionou!
Acabei o secundário com 20 a Física, e hoje em dia ainda domino vários assuntos da àrea...

Não vou disponibilizar o jogo -ainda corre nas calculadoras actuais- embora, vários ex-alunos meus tenham ficado com uma cópia, oferta minha.

Lembrei-me disto porque recentemente vi o código das versões 1.0 e 2.0, e ainda vi uma pergunta num grupo do facebook :

Num lançamento obliquo, se fixarmos uma velocidade, qual o ângulo que permite obter um alcance máximo?

O "alcance" é definido como sendo a distância, na horizontal, percorrida pelo projéctil.
(Na imagem, a linha verde é o chão... se o chão fosse horizontal, o alcance seria a distância entre os dois tanques)

Se não houver vento, nem resistência do ar (e...), a resposta correcta é 45 graus. Porquê?

A equação do movimento do projéctil (o míssil do meu jogo) é {x=x0+(v0cosθ0)ty=y0+(v0senθ0)t12gt2
onde (x0,y0) são as coordenadas do local de lançamento (o meu tanque da esquerda), v0 é o módulo da velocidade de lançamento (ou velocidade inicial), e θ0 é o tal ângulo (deixei um indice zero porque é o ângulo inicial que o vector velocidade faz com a direcção do semi-eixo positivo das abcissas), g é o módulo da aceleração da gravidade e t é o tempo desde o momento de lançamento, e naturalmente está no intervalo [0,tmax] onde tmax, chamado "tempo de voo", é o instante quando o projéctil atinge a mesma altura que tinha quando foi lançado.
Para facilitar os cálculos, e sem perder qualquer generalidade vou considerar que o ponto de lançamento (onde está o primeiro tanque) é a origem das coordenadas, ou seja, é o ponto (0,0).
Assim ficamos com {x=(v0cosθ0)ty=(v0senθ0)t12gt2
no ponto onde o projectil atinge o solo ( ou o outro tanque, se lá estiver ) temos (x,y)=(xmax,0)
aquele xmax é justamente o tal alcance. Então {xmax=(v0cosθ0)tmax0=(v0senθ0)tmax12gt2max
Como tmax>0 então{xmax=2v20cosθ0senθ0g=v20sen(2θ0)gtmax=2v0senθ0g
xmax é máximo quando sen(2θ0)=1 como, dadas as limitações geométricas do problema, θ0 tem de estar entre 00 e 900 então 2θ0=900 logo θ0=450.
O olho mais atento notará que a equação do movimento de um projectil, "pode descrever" uma parábola (aquela mesma parábola do texto das cónicas). É "pode descever" porque se θ0 for 900, aquilo parametriza outra coisa. Nem é preciso fazer contas para dizer o quê...
Claro que do ponto de vista físico podem se fazer outras deduções, que para alguém de Matemática não passam de curiosidades, como por exemplo, a altura máxima, o tempo de subida, a equação da trajectória... etc. São apenas contas. E simples.
Sobre o jogo... no máximo gravo um vídeo e ponho no youtube.
Quem tiver curiosidade que escreva um.
Eu ainda consigo escrevê-lo e pô-lo a correr... no Geogebra!