Princípios básicos e elevadores sem cabo

A importância de decidir “o que não fazer”

Acredita-se que a roda tenha sido inventada por volta de 3500 a.C. pelo Homo sapiens que vivia na Mesopotâmia. Ela é usada em quase todos os meios de transporte modernos — desde carroças, bicicletas, motocicletas e carros básicos até caminhões, bondes, trens e aviões.[1] O autor deste texto acredita firmemente que, embora a roda seja a maior inovação da humanidade, “um mais um é igual a dois” é a maior descoberta da humanidade.

A roda pode transformar a rotação em um espaço finito em movimento linear infinito. O primeiro princípio do transporte terrestre (horizontal) é o uso da roda; o primeiro princípio da transmissão de potência dinâmica é a rotação; o primeiro princípio da matemática é a simples ideia de que “um mais um é igual a dois”.

1. Fundo

O autor deste texto foi palestrante na Elevcon 2023, que ocorreu de 20 a 22 de junho. Foi lá que apresentei projetos de elevadores multifuncionais de cabine dupla com compartilhamento de tempo para torres residenciais de luxo esbeltas.[2] Como parte disso, também participei, em 22 de junho, da “Sessão 11: Sistemas de Elevadores do Futuro”, que foi presidida pela Dra. Marja-Liisa Siikonen, MSc, Ph.D., CEO da MLS Lift Consulting Ltd., e presidente e gerente de programa da Elevcon 2023. Esta sessão abordou o histórico de movimentos verticais e horizontais sem cabos; sistemas de içamento sem cabos, simulação, consumo de energia, falha de energia; e elevadores, espaço e ambiente lunar.

Os elevadores sem cabos foram um tema polêmico no congresso. Pessoalmente, discordei da maioria dos argumentos apresentados pelos palestrantes, especialmente o do elevador lunar.

Embora a Lua gire em torno do seu próprio eixo à mesma velocidade com que orbita a Terra, mostrando sempre a mesma face voltada para o planeta, a órbita da Lua em relação à Terra é uma elipse, o que significa que as distâncias entre a Terra e a Lua estão sempre mudando.

Por outro lado, a Terra gira em torno do seu próprio eixo uma vez a cada 24 horas. Como seria possível construir uma estação de ancoragem na Terra para manter uma direção fixa em relação à Lua? Havia muitos problemas técnicos sem solução, como a fixação dos trilhos-guia no céu, a transmissão de energia para o elevador lunar, e assim por diante.

Em última análise, nenhum desses autores possui formação em engenharia mecânica, tendo, em vez disso, formação em engenharia da computação ou engenharia elétrica. Nunca duvidei da inteligência deles em suas respectivas áreas de especialização, mas creio que a confiança que depositam em suas ideias de engenharia mecânica decorre do efeito Dunning-Kruger, ou seja, "Ele não sabe o que não sabe".

Elon Musk também foi criticado por alguns especialistas, mas obteve sucesso em quase todos os seus projetos em diversas áreas. Como Musk consegue realizar seus projetos com tanto sucesso? Essa é uma pergunta que me intriga desde então.

Em 21 de junho, descobri que meu artigo, que argumentava que o elevador sem cabos é inviável, havia sido publicado em ELEVATOR WORLD EuropeEdição de maio-junho de 2023. Essa conclusão foi feita por meio das seguintes declarações:

• O projeto/invenção não deve apresentar contradições fundamentais não resolvidas.
• O projeto/invenção não deve infringir nenhum dos princípios TRIZ da invenção.
• “A cobertura nunca deve ser mais cara que o bolo.”
• Uma única falha em um subsistema nunca deve causar uma falha sistêmica.
• Nunca questione as limitações; qualquer produto mecânico possui limitações físicas.

Após refletir mais sobre o elevador sem cabos, acredito que se pode recorrer à filosofia para fundamentar afirmações sobre o progresso tecnológico. A filosofia pode provar o que não pode ser feito, em vez do que pode. Inspirado por Musk, a filosofia, através de seus princípios fundamentais, oferece novas perspectivas que reforçam a afirmação de que o elevador sem cabos é, em última análise, inviável.

2. O Efeito Dunning-Kruger e o Primeiro Princípio

O autor deste texto caiu num “vale do desespero” (Figura 2) aos 19 anos, quando cursava o segundo ano da universidade na China. Depois disso, leu muitos livros sobre política, história, filosofia e psicologia. Após aproximadamente 10 anos, finalmente recuperou a autoconfiança a ponto de pensar: “Ele sabe o que sabe”.

2.1 Introdução ao Efeito Dunning-Kruger

“O efeito Dunning-Kruger é um viés cognitivo no qual pessoas com competência limitada em um domínio específico superestimam suas habilidades. Alguns pesquisadores também incluem o efeito oposto para pessoas de alto desempenho: sua tendência a subestimar suas habilidades. Na cultura popular, o efeito Dunning-Kruger é frequentemente mal interpretado como uma afirmação sobre a autoconfiança excessiva geral de pessoas com baixa inteligência, em vez da autoconfiança excessiva específica de pessoas sem habilidade em uma determinada tarefa.”[3]

2.2 Introdução ao Primeiro Princípio

“Na filosofia e na ciência, um primeiro princípio é uma proposição ou suposição básica que não pode ser deduzida de nenhuma outra proposição ou suposição. Na matemática e na lógica formal, os primeiros princípios são chamados de axiomas ou postulados. Na física e em outras ciências, o trabalho teórico é considerado a partir de primeiros princípios, ou ab initio, se começar diretamente no nível da ciência estabelecida e não fizer suposições como modelos empíricos e ajuste de parâmetros. O 'pensamento de primeiros princípios' consiste em decompor as coisas nos axiomas fundamentais da área dada, antes de raciocinar perguntando quais são relevantes para a questão em pauta, depois cruzar as conclusões com base nos axiomas escolhidos e garantir que as conclusões não violem nenhuma lei fundamental.”[4]

Quando eu trabalhava como engenheiro de projetos de modernização para uma importante empresa de elevadores, meu gerente me pediu um dia para analisar um problema: havia um projeto completo de substituição de elevadores em um prédio que tinha um andar adicional no último pavimento. Quando a instalação do elevador estava quase concluída, os instaladores descobriram que as portas laterais de duas folhas não cabiam no novo pavimento devido a uma grande coluna de concreto no canto da parede frontal, que havia passado despercebida durante o levantamento do projeto. Depois de pensar por alguns minutos, percebi que a solução era instalar uma porta lateral de três folhas no pavimento. Este é um exemplo de pensamento baseado em princípios fundamentais. Como a generalidade deve ser o princípio básico do projeto de componentes mecânicos fabricados em massa, a localização das fechaduras e dos roletes das portas nos painéis do primeiro pavimento deve ser padronizada de acordo com as especificações de cada fabricante de elevadores.

Outro exemplo disso ocorreu quando meu gerente foi questionado por seu chefe, da sede global, sobre como diferenciar um reparo importante de uma modernização. Após repassar a pergunta para a equipe de design, respondi: um reparo importante se torna uma modernização se o controlador for substituído.

2.3 O Pensamento de Primeiros Princípios de Elon Musk

A abordagem dos primeiros princípios tem sido usada por muitos grandes pensadores, mas ninguém incorpora a filosofia do pensamento baseado em primeiros princípios de forma mais eficaz do que o empreendedor Elon Musk.

Em 2002, Musk iniciou sua jornada para enviar o primeiro foguete a Marte. Após visitar diversos fabricantes aeroespaciais ao redor do mundo, Musk descobriu que o custo de aquisição de um foguete era astronômico — chegando a US$ 65 milhões. Diante do alto preço, ele começou a repensar o problema. Musk disse em uma entrevista:

“A física nos ensina a raciocinar a partir de princípios fundamentais, em vez de por analogia. Então, eu disse: 'Certo, vamos analisar os princípios fundamentais. Do que é feito um foguete? Ligas de alumínio de grau aeroespacial, além de titânio, cobre e fibra de carbono.' Depois, perguntei: 'Qual é o valor desses materiais no mercado de commodities?' Descobri que o custo dos materiais de um foguete representava cerca de 2% do preço típico.”

Em vez de comprar um foguete pronto por dezenas de milhões de dólares, Musk decidiu criar sua própria empresa, comprar as matérias-primas a baixo custo e construir os foguetes ele mesmo. Assim nasceu a SpaceX. Em poucos anos, a SpaceX reduziu o preço do lançamento de um foguete em quase 10 vezes, mantendo o lucro. Musk utilizou o pensamento baseado em primeiros princípios para decompor a situação em seus fundamentos, contornar os altos preços da indústria aeroespacial e criar uma solução mais eficaz. O pensamento baseado em primeiros princípios consiste em reduzir um processo às suas partes fundamentais, que você sabe serem verdadeiras, e construir a partir daí.[5]

Em vez de recorrer à invenção, Musk manteve-se fiel à tecnologia convencional de foguetes. Isso significava não apenas que a tecnologia e a experiência do mercado já existiam para construir foguetes, mas também que ele poderia "tornar as peças do foguete reutilizáveis, reutilizando um foguete de reforço de primeiro estágio, resultando em uma economia estimada de 30% no custo de mais de US$ 60 milhões. Se a SpaceX também conseguir reutilizar o segundo estágio do foguete, os custos cairão ainda mais."[5]

2.4 O primeiro princípio dos elevadores de tração elétrica

O princípio fundamental do elevador de tração elétrica é que ele deve utilizar uma cabine, cabos, polias de acionamento e um contrapeso. O contrapeso tem as seguintes funções:

• Ao lado do carro, ele produz o atrito entre as cordas e a polia motriz para criar a força motriz.
• O sistema equilibra a cabine do elevador e sua carga através de cabos, reduzindo a força motriz pela metade.
• Isso proporciona proteção: se a cabine ultrapassar o limite de altura, o contrapeso baterá nos amortecedores para reduzir a força motriz (atrito), impedindo que a cabine do elevador suba continuamente.

Sem as cordas ou o contrapeso, o elevador não funcionará: a cabine do elevador não pode operar sozinha. Em princípio, o mecanismo deve ser o mais simples, direto e econômico possível em termos de construção do dispositivo. (Nota: Elevadores hidráulicos ou elevadores de tambor são tipos especiais de elevadores, assim como trenós e aerobarcos no transporte terrestre, que não serão abordados neste artigo.)

3. Introdução aos motores lineares e trens Maglev

“Um motor linear é um motor elétrico que teve seu estator e rotor 'desenrolados', portanto, em vez de produzir um torque (rotação), ele produz uma força linear ao longo de seu comprimento. Caracteristicamente, a seção ativa de um motor linear tem extremidades, enquanto os motores mais convencionais são dispostos como um circuito contínuo.”[6]

A construção do primeiro trem comercial de levitação magnética (maglev) do mundo, o trem maglev de Xangai, custou aproximadamente US$ 1.2 bilhão para construir 30 km (o que equivale a US$ 40,000 por metro). Infelizmente, a linha maglev não tem sido lucrativa. A Shanghai Maglev Transportation Development Co., que opera esse serviço específico, incorreu em prejuízos de mais de 1 bilhão de RMB (aproximadamente US$ 136.7 milhões) entre 2004 e 2006.[8] (Dados recentes não estão disponíveis porque a situação está piorando cada vez mais.)

O trem maglev de Xangai pode ser concebido como um motor linear, com o estator sendo o trilho de 30 km e o rotor sendo o trem de 30 m de comprimento. É possível aplicar a mesma matemática de um rotor convencional a um motor linear para avaliar a relação custo-benefício da transmissão de potência. Enquanto o trilho de 30 km pode ser concebido como um estator disposto em um circuito contínuo com um diâmetro de 9.554 km (30 km ÷ 3.14), o trem de 30 m pode ser concebido como um rotor disposto em um motor convencional com um diâmetro de 9.554 m (30 m ÷ 3.14). Como o diâmetro do rotor é apenas 1‰ (um milésimo) do diâmetro do estator, a relação custo-benefício na transmissão de potência de um motor convencional é de 1‰ (um milésimo) ou menos. A partir disso, as seguintes conclusões podem ser tiradas:

• Embora os trens maglev sejam uma inovação original, eles violam o princípio fundamental do transporte terrestre (horizontal) (o uso da roda).
• Os trens Maglev são extremamente ineficientes em termos de custo. Além disso, quanto maior a distância percorrida, menor o retorno do investimento.
• Os elevadores sem cabos são o resultado de um pensamento analógico que viola o princípio fundamental do transporte vertical (TV) e estão sujeitos aos mesmos problemas que os trens maglev.

Um contraexemplo para levantamento sem corda/sem contrapeso: “O tempo mais rápido para digitar um texto prescrito de 103 caracteres em um teclado usando o nariz é de 40.19 s.”[9] Mas usar os dedos para digitar letras em um teclado é o primeiro princípio do design do teclado, e nunca se esperou que o nariz fosse usado para digitar, então este recorde mundial do Guinness não é apenas sem sentido, mas também ridículo.

4. Relação entre teorias e prática (tecnologia)

O autor acredita que os conceitos são mais importantes que o conhecimento e que o pensamento é mais importante que os conceitos. Enquanto as teorias podem explicar o "porquê", a tecnologia pode explicar o "como". Saber o "porquê" é sabedoria, e saber o "como" é inteligência: o "porquê" é a mãe do "como". Assim, acredito que a teologia (religião) é a mãe da filosofia, a filosofia é a mãe da ciência e a ciência é a mãe da tecnologia. Teologia e filosofia são a sabedoria, enquanto ciência e tecnologia são a inteligência. 

Meu entendimento sobre a relação entre religião, filosofia, ciência e tecnologia é mostrado na Figura 6. A partir da árvore de relações, acredito que a filosofia pode provar que o elevador sem cabos é inviável.

5. Classificando inovações

Meu entendimento de ciência é que ela é um método de classificação que utiliza métodos físicos, químicos e biológicos para medir, enquanto utiliza a matemática para quantificar. A ciência pode ser usada para determinar a natureza da causalidade entre eventos ou matéria. Acredito que todas as inovações podem ser classificadas em dois tipos:

• Inovações originais, como a bicicleta, a máquina a vapor, o motor de combustão interna, o telefone, a internet, a televisão, a câmera, o elevador, a escada rolante, o trem maglev, o telefone celular, o livro eletrônico, etc., têm como princípio fundamental o princípio primordial. Os trens maglev são uma inovação completamente diferente dos trens de alta velocidade convencionais.
• Aprimorando inovações. Esse tipo de inovação é mais fácil de alcançar, como o carro elétrico de Musk (movido a bateria em vez de combustível), a reutilização de um foguete (o foguete continua sendo um foguete), o computador pessoal de Steve Jobs (que era um computador empresarial simplificado), o iPhone e o iPad. Eles não violaram o princípio fundamental desses produtos e são todos exemplos de inovações que aprimoram o conceito, como o iPhone (smartphone), que combina câmera, telefone celular, iPad e internet móvel.

Os elevadores sem cabos são uma inovação original. Eles usam o princípio fundamental dos trens de levitação magnética para criar algo, mas chamam de elevador. Como violam o princípio fundamental dos elevadores de tração, estão fadados ao fracasso de qualquer forma.

Atualmente, a maioria das inovações bem-sucedidas são melhorias. Além disso, como as inovações que visam a melhoria geralmente resultam de descobertas sobre as necessidades dos clientes, esses inovadores não são tanto gênios técnicos, mas sim gênios comerciais.

6. Inovando o elevador do futuro

Costumamos ouvir o ditado: "Não reinvente a roda", que significa perder tempo tentando criar algo que outra pessoa já criou ou otimizou. As duas rodas, o guidão e o quadro, como elementos fundamentais, não podem ser reduzidos, mas as correntes podem ser substituídas por correias dentadas ou engrenagens cônicas.

De forma semelhante, a partir da Figura 3, pode-se observar que o mecanismo do elevador, que constitui os princípios fundamentais do seu funcionamento, é a inovação original. Esses princípios fundamentais não podem ser alterados. No entanto, desde a transmissão de energia até a inteligência artificial, todos os componentes dos sistemas de controle podem ser aprimorados. Também é possível aprimorar elementos da cabine do elevador, os cabos e a polia motriz, conforme descrito a seguir:

• Elevador de carro: carro leve, interface, controle da porta do carro, painel de operação do carro
• Polia motriz: métodos para aumentar o atrito superficial, como o uso de novo material na superfície para reduzir o número de cabos e, assim, diminuir o peso total dos cabos.
• Cordas: cintos, cordas leves, cordas ultraleves

A Figura 9 mostra um cabo de aço D16 com peso de 1.03 kg/m. Considerando um elevador de 2000 kg com capacidade para percorrer 1,000 m, e assumindo que o elevador teria 5 cabos D16, o peso total dos cabos seria de 5000 kg. Levando em conta os cabos de compensação, o peso total dos cabos presos à cabine do elevador e ao contrapeso será de aproximadamente 10 toneladas.

Minha primeira sugestão para os fabricantes de elevadores é que, se vocês têm recursos de engenharia para investir em pesquisas sobre elevadores sem cabos/sem contrapesos, seria melhor investi-los em pesquisas sobre cabos leves.

7. Conclusão

Pessoalmente, acredito que tudo o que é criado pelo homem possui seus princípios fundamentais. Embora cada um tenha sua própria compreensão do que seja um princípio fundamental, creio que o princípio fundamental da filosofia é a sustentabilidade, o da ciência é a autenticidade, o da tecnologia é a relação custo-benefício e o do comércio é a necessidade do cliente.

As seguintes conclusões podem ser tiradas:

1. As inovações podem ser classificadas de duas maneiras:

• Inovações originais são muito difíceis de concretizar. É quase impossível para qualquer indivíduo criar uma inovação original hoje em dia, pois isso exige a criação de um novo conceito e de um princípio fundamental, e não é aconselhável gastar muito tempo tentando descobri-los: por exemplo, tentar inventar algo como OVNIs.
• Aprimorar inovações é muito mais fácil e tem maior probabilidade de ser concretizado.

2. O trem maglev é uma inovação original. Embora seja tecnicamente viável, viola o princípio fundamental do transporte terrestre e não será comercialmente viável.

3. Elevadores sem cabos/contrapesos são o resultado de um raciocínio analógico baseado no trem maglev. Isso viola o princípio fundamental da tração vertical em edifícios altos, sendo, portanto, inviável tanto técnica quanto comercialmente. Embora a tecnologia de motores lineares possa ser usada em trens maglev, ela é inadequada para elevadores de tração.

4. Bill Gates, Jobs, Jeff Bezos, Musk e outros são (foram) muito bem-sucedidos em suas áreas — o principal motivo é que sempre seguiram o princípio fundamental no desenvolvimento de produtos. Na verdade, são filósofos, e não gênios da tecnologia.

5. A direção do desenvolvimento de produtos para elevadores do futuro deve ser a de aprimorar inovações no sistema de controle, no sistema de acionamento e nos cabos, como por meio de sistemas de rede de computadores no poço do elevador, na casa de máquinas e no espaço livre (para aumentar a confiabilidade). Outras inovações podem ser encontradas em sistemas de comunicação sem fio, elevadores elétricos sem cabos para elevadores de grande altura, tecnologia de IA na gestão de falhas e, principalmente, por meio do uso de cabos de fibra de carbono em vez de cabos de aço.

8. Notas do autor

O primeiro princípio de uma empresa deve ser a lucratividade. Meu antigo chefe, Adrian Godwin (1958-2019), que tinha formação em engenharia eletrônica e era considerado por muitos especialistas um gênio da tecnologia, dedicou muito tempo e dinheiro à sua pesquisa sobre elevadores sem cabos e sem contrapesos. Ele foi criticado por um ex-colega que disse: "Ele só faz o que gosta". O elevador sem cabos de Godwin era apenas uma ideia vaga, quanto mais um projeto: como poderia ser usado em projetos reais? Na época, achei que ele estava louco.

Quando soube da triste notícia do falecimento de Godwin em 30 de abril de 2019, publiquei a seguinte imagem (Figura 10) no LinkedIn.

Mas acrescentei um comentário: "Liberdade não é poder fazer o que se gosta, mas sim não poder fazer o que não se gosta". Acredito que "não fazer o que não se gosta" seja o primeiro princípio da liberdade.

Acredito que saber “o que não fazer” é sabedoria, enquanto saber “o que fazer” é inteligência. Portanto, gostaria de compartilhar outra citação de Jobs com os colegas que ainda estão envolvidos no desenvolvimento do elevador sem cabos: “Decidir o que não fazer é tão importante quanto decidir o que fazer”.

Referências

[1] Invenção da roda: Por que e quando a roda foi inventada (scienceabc. com)
[2] Inspiração do Shard Londres, Elevator World, Novembro 2021
[3] Efeito Dunning-Kruger - Wikipédia
[4] Primeiro princípio - Wikipédia
[5] Primeiros Princípios: Elon Musk sobre o Poder de Pensar por Si Mesmo (jamesclear.com)
[6] Motor linear - Wikipédia
[7] Princípio motor – InTraSys inglês (intrasys-gmbh.com)
[8] Trem Maglev de Xangai - O trem mais rápido de PVG para o centro de Xangai: notas e guias de viagem – Guias de viagem Trip.com
[9] Tempo mais rápido para digitar usando o nariz | Guinness World Records