Uma roda com raios de elástico gira, próximo de uma lâmpada incandescente. E ver para crer... e aprender mais princípios de física e química.
Léo Ferraz
No âmbito do ensino de ciências exatas, a curiosidade deve ser despertada: uma enorme motivação para que os princípios de física, química e biologia sejam absorvidos. Dentro do espírito dessa máxima, temos sempre procurado desenvolver projetos que estimulam a imaginação, tomando a ciência mais como uma aventura do que um mero aprendizado obrigatório, onde os resultados excedam às expectativas. Vejamos então o motor elástico.
COMO FUNCIONA
O segredo está numa propriedade química da borracha (um elastômetro de cadeia longa) e nas forças que agem na roda (forças de origem elástica, seu peso e reação de apoio). Quando se estica uma borracha, rapidamente, ela esquenta. O trabalho das forças foi utilizado, parte na deformação da borracha, parte na variação de sua energia interna. A borracha é substância macromolecular, amorfa quando não tensionada, com grande número de ligações entre as moléculas. A entropia da substância decresce quando ela é esticada (como mostra a termodinâmica), por isso, sua elasticidade é de natureza cinética. Esse arranjo peculiar, a nível de molécula, dá à borracha um comportamento anômalo; ela encolhe quando aquecida, aumentando com isso a sua constante elástica.
Isso significa na prática que, para sustentar um determinado peso ela se deforma menos quando aquecida, que quando fria. Apresentamos na figura 1 uma experiência básica, para elucidar tudo isso.
Prenda uma das extremidades de um elástico a um suporte e, na outra extremidade um porta-pesos com massa total de 300 g.
Anote a deformação do elástico na régua que defronta o ponteiro. A seguir aproxime do elástico, o bulbo de uma lâmpada incandescente de 100 ou 150 W acesa. Repare que o ponteiro que indica a deformação sobe, deixando patente que, para equilibrar um peso quando quente, a deformação é menor; a constante elástica da borracha aumenta com o aquecimento. Se as duas extremidades estiverem presas, impedindo-a de encolher, as forças de tração nos apoios aumentam.
Isso é que permite explicar a rotação da roda, vejamos: com todos os elásticos à mesma temperatura (a ambiente), as forças no aro da roda são radiais, centrípetas e todas de mesma intensidade. Essa distribuição de forças no aro tem resultante nula e momento resultante nulo, em relação ao eixo.
Desse modo, com a roda bem balanceada, o centro da massa da roda, ponto de aplicação de seu peso, coincide com o centro de suspensão; o momento do peso em relação ao eixo é nulo e a roda não pode girar, conforme mostra a figura 2a.
Como a lâmpada aquece um, dois ou três "raios" mais intensamente, a tendência deles é encolher. Como estão presos pelas extremidades, as forças de tração no aro aumentam. Isso faz com que esse setor do aro se aproxime mais do centro, o que traz como consequência, um deslocamento do centro da massa da roda para o lado oposto, em relação ao eixo. Nessa nova situação, indicada na figura 2b, o momento do peso da roda em relação ao eixo não é mais nulo... a roda gira, tendendo a levar o centro de massa abaixo do centro de suspensão.
Entretanto, novos elásticos defrontam agora a lâmpada, enquanto os anteriores esfriam e tudo reinicia. Como a roda tem poucos raios (só 16 elásticos), podem ocorrer momentos em que o movimento cessa, para logo em seguida reiniciar.
MONTAGEM
Os bastidores para bordados, muito conhecidos em costuras, são aros de madeira, em que um encaixa direitinho dentro do outro formando um piar. As bordadeiras colocam o tecido esticado entre eles, formando algo parecido a um estreito tamborim. Eles são facilmente encontrados em lojas de armarinho; obtenha um par que tenha diâmetro externo aproximadamente 32 cm, figura 3a.
O puxador gavetas (armários, guarda-roupas, etc), pode ser de borracha ou de madeira (esférico), com diâmetro de uns 3,5 cm. Em lojas especializadas em marcenaria encontram-se esses puxadores com facilidade, (figura 3b). Os pitões de latão são desses bem pequenos e abertos, em forma de ganchos, (figura 3c) O suporte de latão (que servirá de mancal para nosso motor), pode ser confeccionado com uma lâmina de 1,5 rnm de espessura, 1 cm de largura e 40 cm de comprimento, dobrada e furada com broca de 3 mm (figura 3d).
Um toco de madeira de 12 x 10 x 5 cm, bem lixado e envernizado servirá de base para nosso motor, (figura 3e). Para fixar o soquete da lâmpada na haste suporte, use um pequeno L de alumínio ou latão. Reserve uma lâmpada incandescente de 100 W, bulbo transparente, (figura 3f).
Inicie a montagem, dividindo, geometricamente, o par bastidor em 16 partes iguais, faça um furinho (com broca de 1 mm) na metade da largura do par, em cada uma das marcas divisórias e, em cada furinho rosqueie um picão. O conjunto ficará como ilustra na figura 3g. Fure o puxador de borracha (ou madeira), acompanhando o furo original, preencha esse interior com um tarugo de madeira cilíndrico e passe pelo centro um eixo de aço de diâmetro 2 mm e comprimento 6 cm. A volta dessa esfera, dividida em 16 partes, faça furinhos de 1 mm e rosqueie os 16pitões restantes. Veja como fica, na figura 3h.
Enganche os elásticos nos pitões do par de bastidores e nos da esfera central, em perfeita correspondência, conforme mostra a figura 3i.
A lâmina deve ter 5 furos de 3 mm; 2 para passar o eixo da roda, 2 para parafusar na base de madeira e 1 na lateral do suporte (a uns 8 em da base), para fixar a lâmina em L que sustenta o soquete da lâmpada. Esta estrutura fica conforme mostra a figura 3j.
Finalmente coloque a roda em seus mancais, rosqueie a lâmpada em seu soquete (ajuste o aperto de modo que o bulbo da lâmpada fique a 1 ou 1,5 cm do elástico), ligue o cordão de força na tomada e aprecie sua roda a girar lentamente (figura-4).
Uma dica final: ao montar a roda, ela deve ficar bem centrada, não apresentando qualquer preferência em ficar numa posição privilegiada. Se ao tirá-la de uma posição de equilíbrio, ela tender a voltar para aquela posição novamente, é porque está desbalanceada. Para ajustar isso não é fácil. Anote o pitão que tende a ficar em baixo; nele passe uma volta a mais do elástico, para aumentar a tração e, com isso, levantar o centro de massa. Repita isso para os outros que teimarem em ficar por baixo.
