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Levitron
(Levitação por rotação)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leo@feiradeciencias.com.br 

Dentro do tema 'Levitação magnética', vamos descrever um curioso dispositivo, registrado sob o nome "Levitron", que é comercializado como 'brinquedo'.

O Levitron comporta duas partes distintas: uma base (que é colocada sobre a mesa de trabalhos) e  um pião com eixo alongado. A base e o pião são essencialmente dois ímãs, porém, colocados de tal forma que os pólos de mesmo nome se defrontam (por exemplo, o PN da base e o PN do pião). O ajuste desses ímãs, durante o processo de fabricação, deve ser feito de modo bastante cuidadoso.

 

Surgem, como era de se esperar, quatro forças magnéticas sobre os pólos magnéticos do pião, duas de repulsão e duas de atração, com respeito aos pólos dos ímãs da base e uma força gravitacional (seu peso), com respeito á Terra.
A dependência com a distância dessas forças magnéticas fazem com que (devido ao modo como os ímãs são dispostos) a resultante delas se oponha á força gravitacional e, assim, o pião levita sobre a base.

Entretanto, qualquer que seja a mínima inclinação em relação á vertical (e isso é impossível de evitar), tais pares de forças magnéticas criam momentos (binários, torques) que tendem a tombar o pião, levando-o para baixo. É impossível mantê-lo levitando 'estaticamente'.

Para evitar que isso ocorra o pião deve estar descrevendo um movimento de rotação, já que, nessa condição, o momento atua de forma giroscópica e o eixo do pião não tomba, mantendo-se mais ou menos na mesma direção que aquela do campo magnético resultante.
O momento de rotação é equivalente ao movimento de precessão de um pião comum. O eixo é, em princípio, quase vertical, porém conforme a velocidade angular vai diminuindo, um leve oscilação aparece nesse eixo.

Com efeito, o princípio de funcionamento é similar ao de um pião comum. É quase impossível que um pião comum, sem girar, fique equilibrado sobre sua ponta metálica e não caia. Entretanto, enquanto está girando, o equilíbrio se mantém. Ao diminuir a velocidade esse pião comum começa 'a balançar a cabeça' até que, finalmente, cai. Exatamente isso é o que ocorre com o Levitron.

O aspecto da estabilidade é muito delicado no Levitron. Definitivamente, o sistema apenas funciona dentro de limitada faixa de alturas, algo entre 3 e 4 cm contados desde o centro da base. A altura final para o equilíbrio depende principalmente do peso do pião e das forças de campo devidas á base.

Existem outros fatores, como a temperatura (que afeta a magnetização dos ímãs) que podem alterar a estabilidade de equilíbrio. Relativamente á freqüência de rotação, a faixa estável encontra-se entre 20 e 26 Hz (rps), ficando completamente instável abaixo dos 18 Hz e acima dos 30 Hz.

Tanto os ímãs como o próprio pião são feitos com material cerâmico. Se fossem metálicos, com o movimento de rotação, surgiriam correntes elétricas de indução (correntes de Foucault) as quais, devido á resistência ôhmica dos materiais, dissipariam a energia cinética de rotação. Com materiais cerâmicos, que são isolantes elétricos, evita-se o aparecimento de tais correntes parasitas. 
Idealmente, o Levitron levitaria indefinidamente. Entretanto, devido á resistência viscosa do ar, a energia cinética de rotação vai progressivamente dissipando e, após alguns minutos de funcionamento, quando a freqüência de rotação cai abaixo dos 18 Hz (18 rotações por segundo --- mínimo de estabilidade) o pião cai.

Meu Levitron, da marca ´Boeing´ foi presente de um amigo residente no Canadá e antigo listeiro do Ciencia-List. Eis duas fotos em oportunidade que brinco com o aparelho e um link para pequeno filme dessa proeza <clique aqui>:

Dispondo-se o sistema em uma câmara de vácuo o intervalo de tempo de funcionamento pode se elevar aos 30 minutos. Por outro lado, pode-se aproveitar do próprio ar para compensar a perda de velocidade angular, e com isso o tempo de funcionamento. Isso se consegue através de um adequado jato de ar dirigido tangencialmente ao pião que levita, de forma a manter a freqüência de rotação dentro da faixa de estabilidade. Dessa forma, se pode (e já estou ciente de que isso foi conseguido) manter um Levitron funcionando durante dias.
Há outros processos que permitem uma levitação magnética; apresento um deles, bem didático, usando das correntes de Foucault, em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_04.asp .

Como se constata, não há muito 'segredo' nas levitações magnéticas ... desde que usemos dos modelos básicos da Ciência. Agora, quando você observar alguém fazendo realmente algo levitar (não com os belos truques de mágicos circenses, os quais admiro com respeito) já saberá onde está a 'parte científica' da coisa. Mas, o que gostaria mesmo de ver, é um místico fazendo com que um pião comum levite usando seus 'extraordinários poderes ocultos'. Contatem-me, quando alguém se dispuser a fazer isso!

 

 


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