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Operação Balanço

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br

Objetivo
Mostrar dinamicamente a operação do balanço do parque de diversões
.

Descrição
Com certeza você já foi a um parquinho e brincou num balanço! 
Sim, faz tempo, eu sei! Agora você é um estudante assíduo, enfrentando a Física. Então agora podemos perguntar: 
- "Quando brincava de balanço, e não tinha ninguém para empurrá-lo, como você fazia para, paulatinamente, ir ganhando amplitude?". Ou, 
como se pode adquirir uma grande amplitude de movimento em um balanço, sem tocar em qualquer objeto externo?

Depois dessa sua explicação, mais intuitiva do que científica, obviamente a próxima pergunta será o "porque" de tal procedimento funcionar.

Uma resposta simples para essa pergunta pode ser dada, mostrando o comportamento de uma bola de bilhar, presa na extremidade de um longo barbante e que passa pelo anel de um pitão fixado no teto ou outro suporte rígido (a, na ilustração abaixo). Para limitar o balanço a uma altura determinada em relação ao chão, fixa-se uma bola de plástico no cordel, que não passe pelo anel do pitão, embora a bola de bilhar possa ser levantada pelo barbante.  É possível  fazer a bola aumentar sua amplitude de oscilação se, no momento adequado, puxarmos o barbante. Este ´momento adequado´ é justamente aquele em que a bola passa pelo ponto mais baixo de sua trajetória. Se a bola for levantada uns poucos centímetros a cada vez que passa pelo ponto mais baixo e baixada até o limite permitido, a cada vez que chega a um final de seu balanço, este irá adquirir um grande amplitude em pouco tempo.
A reversão deste processo irá diminuir a amplitude.

Se, após a bola ter adquirido uma grande amplitude de oscilação, o barbante for suficientemente reduzido, o balanço pode até efetuar uma volta completa, do mesmo modo como um ginasta de barra executa o "balanço completo". Naturalmente, o apoio do pitão deve ser pensado de forma adequada para permitir a volta completa da bola, caso esta experiência seja tentada.

No caso de uma pessoa, sentada no balanço, a elevação e o abaixamento do centro de gravidade (ou encurtamento e aumento do braço do momento de inércia) se faz pelo movimento das pernas; encolher as pernas ao passar pelo ponto mais alto do balanço.

O experimento proposto, excelente para Feiras de Ciências, pois assim muito mais gente passará a saber o "porque" do balanço ser capaz de aumentar de amplitude (ir cada vez mais alto), sem ajuda externa. Como foi exposto, o balanço pode até ultrapassar os limites da altura da suspensão e pode inclusive dar a volta completa.

O segredo todo está em modificar o momento de inércia do conjunto oscilante (balanço + operador) e com isso alterar a quantidade de momento angular.

Montagem
Acima (em b e c) ilustramos uma montagem que permite evidenciar tal efeito. O balanço é constituído por fios condutores presos ao banquinho isolante (uma placa de madeira, de 10x5x0,5 cm, com um furo central). Sobre a plaqueta de madeira prende-se um eletroímã, cujo núcleo de ferro é mantido pouco mais da metade fora do enrolamento, acima da bobina, por uma mola cilíndrica (S).
Esse eletroímã (M) pode ser construído "caseiramente". Sobre um tubo de alumínio, ou latão, de diâmetro interno 1,5 cm e comprimento 10 cm, enrole 100 a 200 espiras de fio de cobre esmaltado, número 20 a 24. O núcleo será um cilindro liso de ferro, de diâmetro pouco inferior a 1,5 cm, com um orifício transversal próximo a um dos extremos.
Esse orifício serve para passar um prego e fixar um dos extremos da mola. O outro extremo da mola é fixado na arruela que serve de apoio ao enrolamento.

Os fios que suportam o balanço são ligados aos terminais do enrolamento do eletroímã. Um interruptor tipo campainha (normalmente aberto) é interligado em série com o eletroímã e a fonte de alimentação (fonte ajustável 0 - 12VCC ou pequeno transformador de secundário 6 ou 12VAC).

A operação é simples. O balanço é posto a oscilar com pequena amplitude (partida). Quando o balanço estiver no ponto mais alto do seu percurso (ponto de inversão de oscilação), aperte o interruptor. Isso aciona o eletroímã e o núcleo é atraído para dentro do enrolamento (isso simulada a encolhida de perna do operador). Ao passar pelo ponto mais baixo da trajetória o interruptor é solto, quando então a mola levará o núcleo parcialmente para fora do enrolamento. Prosseguindo com essa operação, apertar o botão no ponto mais alto e soltá-lo no ponto mais baixo da oscilação, a amplitude irá aumentando paulatinamente e pode chegar até a completar a circunferência. Os pitões e o suporte, evidentemente, impedirão a façanha.

 


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