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A Mola Saltitante

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Introdução
Como aplicação do eletromagnetismo, eis uma boa sugestão para as Feiras de Ciências e Trabalhos Escolares. Uma mola de fio de cobre pode ser posta a saltar de modo intermitente. O experimento foi idealizado por Peter Roget (1779-1869), físico inglês. 

Material
Fio de cobre esmaltado número 22; haste de latão, alumínio ou cobre (Ø 4 mm, 20 cm de comprimento) ; tampinha de metal ou plástico, pequena quantidade de mercúrio (Hg) e base de madeira de (15 x 15 x 1) cm.

CUIDADO: O experimento, apesar de utilizar apenas pequena quantidade de mercúrio (menos que o necessário para encher uma tampinha de caneta esferográfica), deve se cercar de extrema cautela. Afaste-se do aparelho quando em funcionamento para evitar respirar os vapores de mercúrio.

Montagem
O aparelho, com cerca de 20 cm de altura, consiste de uma mola feita de fio de cobre número 22 ou 24. Tal mola, de espiras juntas, tem cerca de 4 cm de diâmetro e 10 a 15 cm de comprimento. Uma das extremidades dessa mola é fixada a um suporte metálico (haste metálica dobrada conforme se ilustra, com parafuso de ajuste de fixação) e, a outra, mergulha no mercúrio contido numa tampinha metálica. Na base, onde se fixam a tampinha e o suporte metálico colocam-se, também, dois terminais (bornes); um deles interligado com o suporte metálico e o outro com o mercúrio contido na tampinha.

Não esqueça de raspar as extremidades do fio da mola. A quantidade de mercúrio para o experimento é mínima. O próprio peso da mola a alonga um pouco e naturalmente separa uma espira da outra; se tal não acontecer dê-lhe uma puxadinha para separar as espiras (coisa pouca!).

Montagem da hélice

Procedimento
Para testar o aparelho, ligue 2 ou 3 pilhas em série e conecte a bateria assim formada aos terminais (bornes) na base do aparelho. A mola deve encolher, saindo o extremo inferior do mercúrio e retomar, saltitando.

Explicando

13_03_02.gif (2367 bytes)

A teoria é simples.

Conhecemos, do Eletromagnetismo, o efeito magnético das correntes:
"Toda corrente elétrica, circulando por condutor de qualquer tipo (sólido, líquido ou gasoso), produz ao seu redor um campo magnético."
A figura ilustra algumas linhas de indução ao redor de uma espira.

Como o condutor é circular (espira circular), suas faces tornam-se polarizadas magneticamente e a espira comporta-se como um ímã em forma de disco, (como se fosse um ímã em forma de moeda, com uma face 'cara', norte e a outra 'coroa', sul).
Ora, é exatamente isso que ocorre em nosso experimento; ao passar corrente elétrica pela mola (por exemplo, no sentido indicado na figura), todas as faces superiores das espiras tornam-se um "norte" e as faces inferiores um "sul". Como cada face inferior de uma espira defronta a face superior da outra (exceto nos extremos), teremos, em presença, pólos de nomes contrários e a conseqüente atração magnética - a mola toda encolhe.

Ao encolher, a extremidade inferior da mola abandona o mercúrio e abre o circuito elétrico. Com a interrupção da corrente, cessam as atrações e a mola, elasticamente, retorna a sua posição natural, isso restabelece o circuito e o ciclo repete-se periodicamente. O circuito funciona como um interruptor auto-controlado.

Repare que a polaridade da fonte de alimentação não interfere no funcionamento, podendo-se usar, inclusive, de corrente alternada.

Melhorando o projeto
Um núcleo de ferro cilíndrico colocado no eixo da mola, intensifica a intensidade do campo magnético devido à sua maior permeabilidade, tomando o fenômeno mais drástico. Esse núcleo serve inclusive para coordenar o movimento oscilante da mola, mantendo-a em sua posição vertical. Algumas molas, confeccionadas com assimetria, têm a péssima tendência em pular para fora da tampinha.

 
Hélice com núcleo

Observação : Se você construir uma mola mais longa, digamos, com 25 cm de comprimento (já com as espiras ligeiramente afastadas uma da outra) poderá, para aumentar o período das oscilações, colocar uma pequena massa de chumbo (chumbada para pesca) na extremidade inferior (logo acima da parte que penetra no mercúrio).

Lembre-se da Física: uma mola de constante elástica K que oscila harmonicamente, tendo em sua extremidade uma massa M (oscilador harmônico simples) terá pulsação w tal que:

K = M . w 2

Sendo w = 2p / T, onde T é o período das oscilações, pomos:

K = M. (2p /T)2

Ou

T = 2p (M/K)1/2

Essa expressão (que negligencia o peso próprio da mola) mostra que, ajustando-se convenientemente o valor de M, nossa mola saltitante terá período bem determinado. Se quiser usar de um cálculo mais 'apurado' para o período de oscilação da mola, basta acrescentar, à massa M, um terço da massa da mola, de modo que:

T = 2p [(3M+m)/3K]1/2

Ainda na fase de melhorias no projeto, propomos as modificações:
 
(a) substituir a tampinha por um reservatório plástico com cerca de 3cm de altura (uma tampa de caneta esferográfica); colocar um terminal metálico em seu fundo (fio de cobre enfiado a quente próximo ao fundo) e preencher com mercúrio até 3/4 da altura;
(b) colocar sobre o mercúrio uma camada de óleo mineral (óleo para máquina de costura, por exemplo).

Esse mergulho da ponta de fio de cobre nesse reservatório, por um lado, prolonga o tempo de contato (o que permite melhor ação magnética entre espiras) e por outro, a camada de óleo minimiza o faiscamento.

Meu mais recente modelo de Mola Saltitante, já publicado na galeria de fotos da Feira de Ciências Virtual, página 05, é reproduzido abaixo:

Consta de uma mola de fio de cobre esmaltado, AWG 24, com cerca de 50 espiras de diâmetro interno de 1,50 cm. O comprimento final poderá ser ajustado posteriormente. O suporte de sarrafo em L sustenta um parafuso de 1/4" (recoberto com canudo de refresco) com cerca de 40 cm de comprimento. A mola é encaixada nesse parafuso recoberto e bem centrado, sendo sustentada por um pequeno tarugo de madeira (nesse tarugo está o terminal elétrico no qual a extremidade superior da mola é parafusada). A ponta inferior do fio de cobre, lixada, penetra no orifício feito no centro da tampa da embalagem de filme de 35 mm e toca o fundo dessa embalagem (esse é o momento do ajuste do comprimento da mola).
A embalagem está fixada por pequeno parafuso de madeira, diretamente na base do aparelho. Na lateral da embalagem, bem próximo ao fundo, tem-se um parafuso de latão de 1/8"; é ele quem estabelece contato elétrico entre o mercúrio que será posto no fundo da embalagem e o fio negativo do circuito elétrico. Dentro da embalagem é posto mercúrio (camada de 2 a 3 mm de altura); em repouso, a ponta do fio da bobina está imersa nesse mercúrio.
Uma fonte de tensão ajustável de 0  a 12V é a recomendável para acionar o aparelho (uma vez verificada qual é a tensão que determina o melhor desempenho do aparelho, pode-se substituir a fonte ajustável por conveniente associação de pilhas).

Aplicações
a) pisca-pisca: algumas lâmpadas miniaturas podem ser postas em série com a fonte de alimentação (adequadamente dimensionada) para obter-se um curioso pisca-pisca. Associações de lâmpadas em paralelo também podem se ligadas e desligadas pelo pitoresco interruptor. Usando-se de tensões contínuas, LEDs e resistores adequados pode-se formar interessantes montagens.

b) metrônomo eletromagnético: incluindo-se um "buzzer" no circuito, pode-se ouvir seu som característico, periodicamente.

c) pêndulo: o próprio circuito em si, funciona como 'pêndulo de mola'. Ajustando-se adequadamente o período tem-se oscilações entretidas lentas propiciando uma bonito visual. Deve-se tomar certos cuidados para que esse período de oscilação entretida não coincida com o período natural da mola. Se ocorrer essa coincidência, o sistema pode atingir amplitudes exageradas e derrubar toda sua montagem. 
Sua imaginação pode criar muito mais aplicações. Tente e envie-nos seus resultados.

Outra sugestão para sua montagem


Para formar a ponta inferior da mola veja ilustração ao lado.
Não esqueça de tirar todo esmalte dessa ponta antes de co-
 locar a solda de prata.

 Algumas fotos de Molas Saltitantes (Museus diversos)

Bom sucesso a todos! Enviem as fotos de suas
montagens para serem postas aqui.

 


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