|
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
|
|
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. |
|
