Mecânica Estática: Física das Alavancas

por Prof. André Astro 04 nov

A física das Alavancas

Um dos conteúdos da mecânica com maior aplicação no nosso cotidiano é o estudo das alavancas. Atrelado a isso, o conceito de torque está presente desde o funcionamento de máquinas complexas tipo carros, até o funcionamento de máquinas simples, como a nossa mandíbula ao mastigar um alimento. Sendo assim, é imprescindível, que nós professores ao idealizarmos nossas aulas desse conteúdo, façamos a teoria dentro da prática, associando sempre a experimentação, com ferramentas e máquinas existentes no nosso cotidiano.

Sobre as alavancas

As alavancas são máquinas simples que tem por objetivo facilitar ou otimizar a execução de um trabalho. Todas as alavancas tem em sua estrutura ao menos, um ponto de resistência, um ponto de apoio (ou fulcro), e um ponto para se fazer a força motora. E a relação entre esses pontos e a distância entre eles é o que faz as alavancas funcionarem para diferentes propósitos.

Trulli

Dê-me uma alavanca grande o bastante, e um ponto de apoio forte, e eu moverei o mundo” Arquimedes

Na física do ensino médio, geralmente, estuda-se as situações de equilíbrio estático, onde a somatória dos torques tem que ser igual a zero, mas isso já é suficiente para demonstrar vários pontos importantes sobre as alavancas. O conceito de torque está relacionado com o movimento de rotação de um corpo após aplicada um força sobre ele.

Calculamos o módulo do torque (também conhecido como momento), por:(força vezes a distância da força ao fulcro), no caso da força estar em ângulo reto com o braço da alavanca. Interpretando a fórmula física, pode-se dizer que é possível aumentar a capacidade de fazer um objeto rotacionar, aumentando a força motora ou aumentando a distância dessa força ao fulcro, ou ainda, aumentando as duas grandezas.

Outra forma possível de interpretar a equação, é pensando no trabalho realizado pelas forças motoras e resistentes. Em uma máquina, não há ganho em trabalho, mas pode-se ganhar em força ou em distância, determinando o que chamamos de vantagem mecânica. O nosso kit de mecânica traz várias possibilidades de como explorar em sala de aula ou no laboratório essas relações.

Uma proposta de apresentação do conteúdo

     

Com uma tesoura em mãos, pergunte aos alunos, como, com aquela tesoura, eles cortariam uma fita de cetim, e como fariam para cortar com a mesma tesoura um palito de churrasco? Intuitivamente, os alunos já se utilizam dos conceitos de física das alavancas sem saber.

Por exemplo, quando queremos cortar algo de pouca resistência, utilizamos um braço maior da alavanca na parte resistente, por isso, a força de corte é menor do que a força que fazemos com os dedos. Mas, para cortar algo mais resistente como o palito de churrasco, precisamos aumentar a força de corte, e fazemos isso, diminuindo o braço da alavanca, ou seja, trazendo o palito mais perto do fulcro.

Embora, o caso do corte do palito de churrasco, traga vantagem mecânica, pois a força de corte, será maior do que a força feita pelos seus dedos, uma desvantagem aparece, você perde em deslocamento. Para a parte de corte abrir um pouco, os seus dedos terão que abrir bem mais, como representa a figura abaixo.

Trulli

O trabalho realizado pelo seus dedos e pela lâmina de corte é igual. O dedos produzem força menor em um maior deslocamento, enquanto a lâmina produz maior força em um menor deslocamento.

Tendo em vista o conceito acima, pode-se perguntar: Se quisermos cortar um pequeno galho de uma árvore, qual seria a ferramenta mais indicada? E qual seria uma desvantagem dessa ferramenta?

( 1 )                           ( 2 )                        ( 3 )

Muitas vezes, em uma alavanca, não queremos ganhar em força, como no caso do galho, mas em deslocamento. Um exemplo interessante é o remo.

O braço da força motora é pequeno em relação ao da resistência, ou seja, o remador terá que fazer bastante força para remar, porém o deslocamento da pá será bem maior do que o do braço, fazendo o remador ganhar em velocidade.

 

Sobre nossos Kits de Mecânica

A parte experimental relacionada a alavancas no Kit de Mecânica está completíssima e é um ótimo complemento às aulas de estática de corpo extenso. Com uma configuração relativamente simples, o professor juntamente com aluno, será capaz de montar alavancas interfixas, interpotentes e inter-resistentes. Pode ainda analisar possibilidades, e talvez a parte mais importante, quantificar.

É importante que o aluno veja na prática e saiba quantificar aquilo que é base para tantas ferramentas e máquinas, e ainda conteúdo recorrente em vários processos seletivos, como o ENEM por exemplo. Pode demonstrar tanto as condições de equilíbrio, quanto a relação entre força e deslocamento, como citado no exemplo do remador. É possível também calcular a vantagem mecânica em diferentes configurações e relacionar essa vantagem com as variadas ferramentas existentes no cotidiano.

Outra maneira de explorar os kits é se utilizando da gamificação. Basicamente a gamificação é tomar emprestado elementos de jogos e aplicar em contextos que não necessariamente são de jogos. A versatilidade do kit traz a possibilidade de lançar desafios que incentivem os alunos a aprender não apenas a parte teórica, mas a parte prática. Essa parte, vai da criatividade de cada professor, mas, uma sugestão seria lançar um desafio para os alunos de, utilizando a régua, colocar uma massa a uma determinada distância do ponto de apoio e desafia-los com apenas uma tentativa, utilizando os materiais previamente postos a disposição, a deixar a régua em equilíbrio. Ou, dadas diferentes massas espalhadas pela régua, com um movimento apenas, equilibra-la.

Esse tipo de brincadeira/desafio, em sala ou no laboratório, gera, além de descontração, incentivo ao raciocínio lógico, e fundamentação dos conceitos aprendidos. Vale muito a pena realizar!

Conheça os kits com os quais é possível estudar alavancas:

Conjunto de Mecânica

Painel de Forças

Conjunto de Mecânica Estática (Basic)

Conjunto de Mecânica Estática (Basic)

Equilíbrio de um Corpo Rígido

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