Máquinas simples são instrumentos com poucas, ou nenhuma, parte móvel que são usadas para facilitar determinados trabalhos. Esse é um ótimo tema gerador, ou seja, é um bom ponto de partida para o processo de construção de descoberta.

As máquinas simples estão em todas as esferas do cotidiano do aluno seja ao abrir um zíper, andar de carro, de bicicleta ou até na discussão quanto a acessibilidade relacionado a cadeirantes na cidade. São exemplos de máquinas simples: a roda, as alavancas, o plano inclinado, parafusos, e as roldanas, que é o objeto de estudo do texto.

Um pouco de História

Plutarco, um biografo grego, relata em seus escritos o cerco realizado a Siracusa pelos romanos no ano 214 a.C. O cerco durou dois anos; muito dos avanços dos romanos sobre a cidade foram frustradas graças a engenhosidade de um físico e inventor siracusano conhecido como Arquimedes e suas máquinas de guerra.

Uma das façanhas realizadas por Arquimedes era a utilização de um sistema de roldanas que servia para deslocar grandes massas com um mínimo esforço. Conta a história que para mostrar a eficiência desse dispositivo, um navio da frota real foi retirado da água e colocado na areia da praia por vários soldados siracusanos. Arquimedes então, convida o rei Hieron para puxar a extremidade livre da corda de um sistema de roldanas acopladas ao navio, e o rei sem grande esforço conseguiu arrastar o navio pela areia.

Sobre a Física das Roldanas

Basicamente as roldanas são dispositivos compostos por uma roda sulcada que gira livremente em um eixo, podendo transferir movimento e energia de um objeto para outro. As roldanas podem ser fixas ou móveis.
As roldanas fixas são presas a um suporte impedindo qualquer translação, não trazendo vantagem mecânica, porém facilitando a realização de um esforço ao puxar ao algum objeto. A facilitação do trabalho vem da ideia de para levantar o peso, como mostrado na figura abaixo, com a roldana, é possível utilizar o nosso próprio peso, sendo que sem a roldana não seria possível.

 

Já as roldanas móveis possuem seu eixo livre, sendo permitido que eles tanto rotacionem quanto transladem. Por isso, a roldana móvel, como mostrado no desenho abaixo, é capaz de trazer vantagem mecânica, dividindo a força necessária para mantê-la por dois. Ou seja, desprezando o atrito, para cada roldana móvel que colocamos em um sistema, por conservação de energia, a força necessária para levantar um objeto é dividido pela metade. Dizemos então que para cada roldana móvel em um sistema, a vantagem mecânica dobra. A vantagem mecânica exprime a redução do esforço necessário para realizar um trabalho.

 

Esse foi o conceito utilizado por Arquimedes para fazer a apresentação pro rei Hieron. A roldana é um dispositivo muito utilizado no nosso cotidiano, sendo fundamental em equipamentos de escalada, içamento de velas em barcos, bandeiras, elevadores, varais, guindastes e tantos outros dispositivos. Uma configuração muito utilizada nos dias atuais, de associação de roldanas de uma forma mais compacta é a demonstrada na figura abaixo. Por uma questão de conservação de energia o trabalho realizado pela força motora tem que ser igual ao trabalho da força resistente, como visto nas alavancas. (veja aqui: Link Texto Alavancas) Como consequência, para um sistema com apenas uma roldana móvel, embora seja necessário fazer apenas metade da força relacionada ao peso do bloco, o deslocamento realizado pela força potente terá que ser o dobro da altura de elevação do objeto.

Uma Proposta Experimental

O estudo das roldanas traz variadas possibilidades de análise experimental. Possibilitando ao professor uma ótima oportunidade de conduzir uma aprendizagem por descoberta e o aluno de conduzir suas próprias pesquisas, observar problemas por outros ângulos e testar. Por exemplo, em um sistema com apenas uma roldana fixa e uma roldana móvel, a vantagem mecânica daria realmente dois? Teríamos que considerar o peso da roldana?
Se a posição do dinamômetro for  variada de modo que os fios formem um angulo Ɵ  com a vertical, a vantagem mecânica continua a mesma? É possível montar uma equação para a vantagem mecânica dependente de Ɵ? Como é possível associar tais estudos a ampla gama de aplicações modernas das roldanas, como os guindastes, por exemplo, que se utilizam de pouca energia se comparado a quantidade de trabalho que realizam?

 

O Conjunto de Mecânica com Disparador Eletromagnético da Azeheb é um kit extremamente preparado para lidar com todos os questionamentos e práticas relacionadas a associação de roldanas e suas consequências.

Outra opção mais específica é o Conjunto de Roldanas.

Conclusão

O tema máquinas simples é um tema gerador amplo, dando bastante margem a trabalhos interdisciplinares. Com as ciências humanas por exemplo, pode-se realizar uma discussão quanto ao desenvolvimento das máquinas simples e a mudança das relações sociais através da história.
O tema também é um prato cheio para projetos inspirados na cultura maker, onde o professor incentiva os alunos a criarem, consertarem, construirem ou aprimorararem objetos por conta própria.
Na parte da física, é importante que o aluno perceba experimentalmente que a vantagem mecânica em um sistema de roldanas é igual ao número de cordas que sustentam a carga móvel e que para obter uma maior vantagem é sempre uma troca, no caso das roldanas, uma troca entre força e distância. Se a força necessária para içar um objeto for cortada pela metade, por consequência será necessário puxar o dobro da quantidade de corda para elevar o objeto a altura desejada.