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Índice: Para ter em mente
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Introdução à fenomenologia que será explorada
Primeiramente Problematização inicial
2 Ativamente
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Propostas de atividades de exploração
Inquietamente Textos de apoio pedagógico
14 Cientificamente
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Terminologia principal
mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Desenvolvido por: Mentes Brilhantes - Brinquedos Inteligentes LTDA Edição de texto: Thiago Farias e Vilmar Minella Junior Revisão: Djali Avelino Valois e Luciana Schmidt Projeto Gráfico: Emily Biasi Julho de 2011
Para ter em mente Qualquer máquina de “trabalho pesado” possui sistemas hidráulicos semelhantes ao conjunto de pistões do brinquedo, ou seja, esse brinquedo traz o tema da aplicação tecnológica para o ambiente de ensino. Não menos importante é o uso didático da exploração de propriedades físicas envolvendo fluidos, tais como: pressão e compressibilidade. Adicionalmente, muitas atividades de mecânica podem ser exploradas. Principais termos a serem usados: • • • •
pistão êmbolo pressão força
• • • •
volume área fluido compressibilidade
Primeiramente Os fenômenos de maior importância para o funcionamento do brinquedo são: a relação entre volume e pressão, a transmissão de pressão e a amplificação de força. Os modelos representam o mundo técnico com bastante proximidade e de fácil comparação. Sendo assim, vale a pena partirmos de máquinas reais para, através do brinquedo, o estudante sentir-se estimulado a observar fenômenos físicos diversos.
Quem de vocês viu que há uma construção aqui perto?
Eu vi!
mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes E o que tem por lá? Máquinas?
Tem um monte de máquinas.
É. Uma delas tem tipo uma garra para erguer terra.
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Mas ela só ergue?
Não, ela cava e tira a terra de um lugar, ergue, gira e coloca num caminhão. Poxa! é bastante coisa, não é?
Por que é preciso de uma máquina para fazer isso? Tinha uma pessoa que controlava a máquina. E por que a pessoa não utilizava uma pá?
Ora, deve ser porque é muito difícil de erguer tanta terra com uma pá só. Bem lembrado! É preciso fazer muita força para erguer tanta terra.
mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes E como era a estrutura da máquina?
Ela era amarela, tinha um braço com garra, a casinha do motorista e tinha uns ferros no... no braço.
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É.Tipo um cano de ferro prateado que mexe a garra.
Uns metais?
Ah! Você deve estar falando da haste do pistão hidráulico.
Dentro do cilindro há um êmbolo, ou cabeçote do pistão.
Ihhh, pistão o quê? Hidráulico!
Além disso, o motor exerce muito mais força sobre o pistão que uma pessoa conseguiria.
E a pessoa na casinha controla, com uma manivela, quando o motor vai empurrar o pistão e para aonde o braço irá se mover.
Ainda não entendi direito como que o pistão se move.
mentes brilhantes brinquedos científicos inteligentes Eu ainda nem sei o que é hidráulico.
Ah! Logo todos vão entender como isso funciona. Não serei eu quem dirá a resposta, mas é o brinquedo.
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Agora é importante identificar e dar os nomes das partes mais importantes. Sempre tente relacionar com a conversa inicial ou extrapolar com novas aplicações: por exemplo, nos motores de automóveis há também êmbolos e pistões. Atente para que percebam o que os pistões hidráulicos podem fazer, como o tipo de movimento, e as suas partes.
Qual das peças, para vocês, parece ser o pistão hidráulico?
Tem três dessas: duas compridas e uma pequena.
Essa aqui verde com a barra de metal?
Isso! Vejam essa barra, ela é do mesmo tipo que podemos ver em máquinas.
Então, o que mais, além da barra, faz parte do pistão hidráulico? Tem dois caninhos, um em cima outro embaixo.
mentes brilhantes Esse pedaço de mangueira de borracha aqui encaixa nesses canos.
Ah! Se é chamado de hidráulico, deve ser pra por água.
brinquedos científicos inteligentes Por que será que precisa dessas aberturas e da mangueira?
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Exato! Agora temos o que precisamos para montarmos as nossas máquinas!
Ativamente Proposta de atividades de exploração dos fenômenos naturais, apropriação de linguagem, fixação e reforço, por meio de diálogo do mediador com os estudantes.
1. Água, para quê? Objetivo: Evidenciar que, sob forças nos pistões, a água não se comprime como o ar. Por isso, ela é uma escolha melhor para mover os pistões.
Vocabulário: • • • • •
Fluidos Pressão Força Compressibilidade Volume
?
Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Working Pistons
O que fazer? Primeiramente, para perceber a compressibilidade do ar, pode-se conectar pois pistões com os pedaços de mangueiras, sem água; preferencialmente os pistões de mesmo tamanho. A partir dessa montagem, deve-se indicar que: movam um dos pistões e observem se o outro move-se imediatamente; tentem impedir o movimento do outro pistão com os dedos. Pergunte sobre o que ocorre com os pistões e o que deve estar transmitindo a força aplicada em um pistão para o outro.
Para notar a importância da água como fluido de transmissão de pressão ao invés do ar, pode-se usar apenas um dos pistões. Comece indicando que tampem uma das saídas do cilindro e que pressionem o ar ali dentro. Depois, peça para que façam o mesmo com água dentro. Comente os resultados.
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Para finalizar, peça que conectem dois pistões com uma mangueira, e que deixem o mínimo possível de ar no sistema. Depois, deixe-os testar e verifiquem se há diferenças de quando só havia ar no sistema.
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O que pode dar errado? Verifique se a quantidade de água no sistema está de acordo com volume dos pistões: quando um estiver cheio, o outro deverá estar vazio. Quando há água no sistema, ao pres-
sionar os dois pistões, a mangueira pode se soltar e, assim, vazar água. Verifique se não há nada impedindo o movimento dos pistões ou se não há água em excesso.
O que acontece? A diferença fundamental entre o ar e a água líquida é que esta é incompressível. Suas moléculas interagem intensamente entre si e forças externas são praticamente incapazes de mudar a distância entre elas. Apesar de ambos os fluidos acima serem capazes de transmitir a pressão, a água se torna mais eficiente para o movimento do pistão, já que não será comprimida pelas forças agindo no sistema e a distri-
buição de pressão será homogênea. Por exemplo, se no caso do modelo de empilhadeira só houver ar nos cilindros. Ao empurrarmos o pistão, iremos comprimir o ar até que a pressão dele seja suficiente para erguer o peso do objeto. Já com a água, isso não ocorreria, haveria o movimento imediato, já que transmite a pressão aplicada de forma homogênea. Será que a água é tão incompressível assim? É o que veremos na atividade seguinte.
2. Sob pressão. Objetivo: Relacionar a descida na rampa à aceleração das bolas.
mentes brilhantes? Vocabulário: • Pressão • Volume • Força
Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Working Pistons
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O que fazer? Utilize o pistão de cilindro maior (somente com ar) nessa atividade. Peça para que deixem o pistão na parte superior do cil indro, e tampem com um
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dedo o ponto de saída / entrada inferior do cilindro. Diga para que pressionem o pistão – comprimindo o ar no sistema.
É importante que os estudantes tenham sua atenção voltada às duas variáveis ao mesmo tempo, a pressão e o volume ocupado pelo ar no sistema. Devem perceber que há necessidade de aumentar a força aplicada quanto mais o volume ocupado pelo ar é diminuído.
O que pode dar errado? Tampar com o dedo pode ser um pouco doloroso, e pode ser que vaze ar ao comprimi-lo.
O que acontece? Uma certa quantidade de gás quando submetida a certa pressão, ocupa um determinado volume de acordo com a temperatura em que está. Essas três variáveis do estado termodinâmico de um gás influenciam-se mutuamente. De modo que o aumento de temperatura se relaciona com o aumento da pressão e / ou do volume do gás; e o aumento da pressão pode tanto aumentar a temperatura e / ou diminuir o volume de
um gás. Sendo assim, a pressão é proporcional à temperatura e ao inverso do volume. Na atividade, a diminuição do volume acarreta quase totalmente no aumento da pressão. Quanto maior for a variação do volume, maior será a variação da pressão; por isso que ao comprimir o gás, maior é a força que se deve aplicar sobre o pistão.
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3. Criando o vazio! Será?
brinquedos científicos inteligentes Objetivo: Relacionar a variação do volume das bolhas com a mudança da pressão.
Vocabulário: • • • • • •
Pressão Volume Vapor de água Ar Pressão de vapor Dissolução
?
Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Working Pistons
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O que fazer? Frequentemente, no sistema hidráulico, haverá partes com bolhas de ar. Diga para que os estudantes verifiquem o que acontece com o volume das bolhas ao segurarem um êmbolo e pressionarem o outro. Elas irão contrair, ou seja, diminuir seus volumes. Ressalte a aplicação de força e o aumento de pressão sobre as bolhas de ar. Depois, peça para fazer o movimento contrário, puxar o êmbolo – mantendo o outro êmbolo travado. As bolhas irão expandir, aumentar seu volume. Ressalte o sentido da força, que é contrario,
e que isso reduzirá a pressão sobre os fluidos do sistema. Para verificar como a pressão interna diminui basta puxar o êmbolo e soltá-lo, assim ele retornará ao ponto de onde partiu. Isso ocorre pois a pressão interna ficou menor que a pressão atmosférica externa. Além disso, pode ser possível verificar o surgimento de bolhas ar. Esse aumento da quantidade de ar se deve a diminuição de pressão, que tanto pode liberar ar que estava solubilizado ou pode evaporar água.
O que fazer? As mangueiras soltarem. Peça para empurrarem o pistão mais devagar e deslocar menos o êmbolo.
Não conseguir observar a mudança nas bolhas. Tente aumentar o número de bolhas ao puxar rapidamente um êmbolo.
O que acontece? A mudança no volume de uma bolha de ar pode ocorrer a partir da variação da temperatura e / ou pressão. No brinquedo só podemos controlar a pressão, através do emprego de força. Como a temperatura praticamente não muda, o aumento de pressão diminuirá o volume do ar. Consequentemente, a diminuição da pressão aumentará o volume das bolhas de ar. O surgimento de novas bolhas ocorre devido à “criação de vácuo”. A diminuição de pressão diminuirá a quantidade de ar que está dissolvido na água, bem como irá evaporar um pouco de água. A pressão exerce uma força que mantém tais moléculas presas à água líquida, se diminuir a pressão, mais moléculas ficarão livres.
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4. Ganha aqui, perde ali. Mas se ganha em deslocamento, perde em quê? Objetivo: Perceber a diferença de força entre os pistões e o deslocamento dos êmbolos, quando a água exerce a mesma pressão em áreas diferentes.
Vocabulário: • • • •
Área Pressão Deslocamento Força
?
Quais modelos posso usar? Todos do conjunto Working Pistons
O que fazer? Primeiro, vale lembrar do uso de pistões hidráulicos nas máquinas, pois assim ficará mais fácil para os estudantes entenderem os objetivos desta atividade. As máquinas são usadas porque podem sustentar / aplicar muito mais força que um humano. Mas é preciso que mecanismos multipliquem a força que vêm do motor. Isso pode ser feito através de engrenagens, mas estas tem limitações no movimento. Sabemos que as máquinas de “trabalho pesado” usam pistões hidráulicos, porque permitem um movimento linear e também são capazes de ampliar a força do motor. Cabe então descobrir como é possível ampliar a força motora através de pistões hidráulicos. Ao empurrar o êmbolo de um pistão, a força aplicada é transmitida do êmbolo para água. Essa força exerce uma pressão na água, que é transmitida para o outro êmbolo. A área deste segundo êmbolo, determina a força que será aplicada sobre o pistão. Enfim, sabendo a área dos êmbolos dos pistões, que estão conectados, pode-se determinar se a força aplicada será multiplicada, dividida ou mantida. Como se pode perceber, a área dos
êmbolos dos três pistões, que acompanham o brinquedo, é a mesma para todos. Diante disso seria impossível fazer a relação com as máquinas hidráulicas e o Princípio de Pascal a partir do brinquedo. Como você pode ter percebido, cada cilindro do pistão tem duas saídas / entradas. Na parte superior do êmbolo, nota-se que a área de contato com o fluido será menor do que na parte inferior, isso porque a barra do êmbolo reduz a área real de contato entre a água e o êmbolo – o volume ocupado pela água no cilindro também será menor na parte superior.
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Primeiramente, peça para que conectem as entradas inferiores de dois pistões. Quando o sistema estiver preenchido com água, peça para que analisem os deslocamentos dos pistões: se deslocar um êmbolo em 2 cm, o outro irá deslocar o mesmo valor, mas em sentido contrário. Comente sobre a conservação da massa e, pela incompressibilidade da água, a conservação do volume deslocado. Depois, deve-se mudar a configuração de conexão dos pistões, sendo que o lado superior do cilindro do pistão menor esteja conectado ao inferior de outro pistão. Aponte para a quantidade de volume de água em cada cilindro. Pergunte aos estudantes se os deslocamentos serão iguais (como antes). Baseando-se nessas perguntas e respostas, peça para que as testem. Assim que se notar a diferença dos deslocamentos (compare os pistões lado a lado), lembre que a quantidade de água (e o volume) não mudou ao passar de um lado para outro, e a diferença de deslocamento dos êmbolos deve-se à área diferente ocupada pela água em cada cilindro. Pode-se perguntar, por exemplo: se eu associar um monte de pistões hidráulicos dessa forma eu posso mover o primeiro pistão em 1 mm e conseguir deslocar um objeto por 1 m. Mas as máquinas que usam sistemas hidráulicos não fazem isso, pelo contrário, o motor ativa um pistão que se desloca bastante e o braço da máquina é movimentado por um pistão que se desloca bem menos. Qual é a vantagem?
Então, pergunte qual deve ser a outra propriedade física que muda de um pistão para outro. Lembre que as variáveis físicas envolvidas neste tipo de transmissão de movimento são: força (exercida pelo agente motor e a força sobre componentes das máquinas); pressão (sobre o fluido); e a área dos êmbolos (de cada pistão). Para que os estudantes descubram, peça para que manipulem os dois pistões, e que observem se existe alguma diferença: empurrem o pistão pequeno para baixo e, depois, puxem o grande para cima. Espera-se que logo apontem que a força aplicada é diferente da que “sai” no outro pistão. Ressalte a relação entre a área e a força.
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O que pode dar errado? Pouca sensibilidade para notar a diferença de força.
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O que acontece? A diferença de deslocamento depen-
de da diferença da área de contato entre água e pistão em cada cilindro. Pois, como a massa se conserva e não há compressão (mudança de volume), um deslocamento de 10 ml de água em um cilindro, obrigará que o outro cilindro seja preenchido com adicionais 10 ml – independente da força que haja sobre o êmbolo – e o volume total do sistema se mantém. Com um gás, devido à compressão, isso não é garantido, pois ao deslocar 10ml pode ser que o volume total do gás seja reduzido em 10ml e não se mova o objeto necessário.
Como verificado pelo experimento, quando a área do êmbolo – em contato com a água – é diferente nos pistões associados, há uma diferença de força nos pistões. A água quando submetida a pressão por um dos êmbolos, transmite essa pressão homogeneamente para toda a água, de modo que em qualquer ponto no interior do líquido (ou do recipiente) estará submetida à mesma pressão. A definição de pressão é a razão entre força pela área aplicada. Então, para uma certa pressão do fluido, quanto maior a área de contato maior será a força resultante. Esse efeito é importante e é trabalhado melhor na próxima atividade.
5. Toda a força de um dedo! Objetivo: Utilizar os vários pistões em série para amplificar a força inicial.
Vocabulário: • Força • Área • Pressão
?
Quais modelos posso usar? Montagem nº 9 do Working Pistons
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O que fazer?
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Primeiro, vale lembrar do uso de pistões hidráulicos nas máquinas, pois assim ficará mais fácil para os estudantes entenderem os objetivos desta atividade. As máquinas são usadas porque podem sustentar / aplicar muito mais força que um humano. Mas é preciso que mecanismos multipliquem a força que vêm do motor. Isso pode ser feito através de engrenagens, mas estas tem limitações no movimento. Sabemos
que as máquinas de “trabalho pesado” usam pistões hidráulicos, porque permitem um movimento linear e também são capazes de ampliar a força do motor. Cabe então descobrir como é possível ampliar a força motora através de pistões hidráulicos. Ao empurrar o êmbolo de um pistão, a força aplicada é transmitida do êmbolo para água.
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Essa força exerce uma pressão na água, que é transmitida para o outro êmbolo. A área deste segundo êmbolo, determina a força que será aplicada sobre o pistão. Enfim, sabendo a área dos êmbolos dos pistões, que estão conectados, pode-se determinar se a força aplicada será multiplicada, dividida ou mantida.
Como se pode perceber, a área dos êmbolos dos três pistões, que acompanham o brinquedo, é a mesma para todos. Diante disso seria impossível fazer a relação com as máquinas hidráulicas e o Princípio de Pascal a partir do brinquedo. Como você pode ter percebido, cada cilindro do pistão tem duas saídas / entradas.
O que fazer? Como os deslocamentos dos pistões são diferentes, precisa-se tomar cuidado para evitar que vaze água. Deve-se
montar o sistema para que o pistão em que se aplica a força possa ser deslocado ao longo de todo o seu comprimento.
O que acontece? A pressão aplicada pelo primeiro êmbolo sobre a água, é a mesma que a água exerce sobre o outro êmbolo. Isso acontece, pois a pressão é transmitida pela água homogeneamente (igual em todas as partes) ao recipiente e componentes. Como a água não é compressível como o ar, que pode ter seu volume modificado quando sob pressão, o deslocamento de 20 ml (por exemplo) moverá outro êmbolo até que esse mesmo volume seja preenchido no cilindro. Sendo assim, a pressão será igual em dois êmbolos diferentes. E quanto à força para mover cada pistão? Para respondermos a isso, temos de lembrar a relação entre pressão e força. Pressão é a razão entre a força total aplicada e a superfície de contato
entre os agentes. Portanto, para uma certa pressão – sobre o êmbolo – a força resultante será maior quanto maior a área de contato com a água. Assim é possível multiplicar a força aplicada usando dois pistões hidráulicos. Com o brinquedo nós só podemos provocar a diferença de área ao associar a parte superior de um pistão com a parte inferior de outro pistão. Então, faz-se a escolha de inserir um terceiro pistão na atividade, cuja parte inferior do êmbolo estará ligada à parte superior do primeiro pistão. Desse modo, a força aplicada é multiplicada uma vez pelo primeiro par de pistões e esta força resultante é multiplicada pelo outra associação de êmbolos.
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Inquietamente Textos de apoio pedagógico (aprofundamento teórico geral, discutindo conceitos, fenômenos naturais e questões tecnológicas)
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O que é compressibilidade?
Considera-se usina eólica o conjunto de turbinas eólicas ou aerogeradores em um mesmo território. Basicamente, tem como objetivo a transformação de energia eólica em energia elétrica. Fundamentalmente, energia eólica é a energia cinética dos ventos, e a eficiência dessas usinas está em transformar o máximo possível dessa energia cinética em elétrica. A transformação de energia cinética em elétrica passa antes pela interação entre pás e vento, em que o ar empurra as pás e fornece o movimento de rotação. Apesar de a eficiência não ser baixa, cerca de 40% (o máximo teórico é de 59%), há um problema com a energia eólica disponível para uso, por aerogerador, que acaba fazendo com que uma única turbina produza pouca energia elétrica. Para se comprar, uma única turbina na Hidrelétrica de Itaipu (Binacional) produz cerca de 1100 vezes mais energia elétrica (por ano, 4.500 GWh) que a turbina eólica suíça Matilda
(por ano, 4,0 Gwh. Demolida em 2008, em Gotland), que foi uma das maiores em produção já construída. Tal fenômeno também é analisado de acordo com o módulo de compressibilidade, que aponta o quanto de pressão se deve aplicar para uma certa variação do volume; deformação do corpo. O módulo de compressibilidade é muito usado pelas engenharias no desenvolvimento de novos materiais, visto que possui relação direta com a elasticidade do material e tem implicações, por exemplo, na propagação de ondas mecânicas (equipamentos sonoros). O efeito do módulo de compressão deve ser relevado em alguns casos, já que pode haver pontos de alta compressão na água, como no chamado golpe de aríete, em que uma diferença de pressão – uma onda de choque – surge quando a parte em movimento de um fluido é desacelerada; isto acontece no fechamento de válvulas.
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Como moléculas exercem pressão sobre algo?
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Se o par de ação e reação representa forças de mesma intensidade e direção, agindo em corpos diferentes e em sentido contrário (terceira Lei de Newton), poderíamos pensar que um profissional da saúde ao aplicar-nos uma injeção deveria sentir a mesma dor que nós sentimos, mas isso não ocorre! Isso porque nossos receptores da pele sentem a pressão de maneira diferente que a pressão sentida pelo dedo do profissional da saúde. O fato é que a área de contanto entre a agulha e a pele é bem menor do que a área de contato entre o êmbolo e a pele, e como a pressão é tanto maior quanto menor for a área de contato, iremos sentir uma dor aguda quando é introduzida a agulha em nossa pele. Mas é interessante que a pressão é sentida pela repulsão entre átomos. Em qualquer material há átomos, ou seja, ao pressionarmos um dedo sobre a pele, estamos empurrando átomos sobre outros. Como os núcleos atômicos estão envoltos por uma nuvem eletrônica (elétrons), o “empurra-empurra” se dá pela repulsão coulombiana de elétrons. Então, a força sentida pela pele é a interação entre átomos, logo, a pressão sobre a pele surge do choque de átomos. Para fluidos, fica um pouco diferente, já que a coesão entre moléculas nesse caso é bem menor. Como um gás é composto por moléculas livres com pouca interação entre si (dependendo do caso, quase nenhuma), a interação entre moléculas e recipiente ou corpos próximos é dada através de colisões pontuais e de moléculas sozinhas.
Ao se chocarem elasticamente, uma molécula do gás e outra de algum corpo, a molécula do gás varia a sua quantidade de movimento ao longo do intervalo de tempo de impulso, e retorna com a mesma intensidade de quantidade de movimento, mas em sentido contrário. Então, o corpo exerce força sobre a molécula de gás, mas é obvio que a molécula de gás exerce uma força de mesma intensidade sobre a molécula com que colidiu; isso se repete para cada colisão. No fundo, a força total sobre os outros corpos ou recipiente depende do número de moléculas do gás que colidem com uma certa área por unidade de tempo e da massa e da velocidade de cada molécula.
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Quais são as aplicações tecnológicas?
Grande parte dos “trabalhos pesados” faz uso de máquinas cujo sistema básico de funcionamento são bombas e pistões hidráulicos; porém, ao invés da água, é utilizado óleo. Esse tipo de sistema conta com bombas (motores) para aumentar a pressão sobre o fluido e deslocá-lo para os cilindros, normalmente são usadas engrenagens para esse serviço. Na construção civil esses sistema s são utilizados em escavadeiras e guindastes, que são máquinas que trabalham com cargas de grande peso, no movimento das articulações das partes. Na indústria alimentícia essas máquinas possuem a função de prensas. Nas ruas das cidades, os automóveis utilizam sistemas hidráulicos na direção e nos freios. Os brinquedos utilizam e por isto representam muito bem, o funcionamento das grandes máquinas, pois há movimentação direta de pistões para gerar movimento dos “braços”. No freio à disco de um carro, o disco gira junto à roda e, ao empurrar o pedal, pressiona-se e se desloca o fluido que empurra a pastilha contra o disco, freando o carro. O freio mais comum, é o de tambor e, nesse caso, há duas “sapatas” de borracha que ficam dentro do tambor que gira com a roda; um pistão move as sapatas contra as paredes do rotor.
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Eu realizo trabalho!
Você já deve ter ouvido ou pronunciado a expressão: Como trabalhei hoje! Em geral as pessoas associam a palavra trabalho com o esforço físico ou intelectual dispensado para realizar determinada tarefa. Logo, trabalhar é exercer alguma profissão. Em física dizemos que realizamos trabalho sobre um sistema quando aplicamos uma força que provoca um deslocamento. Realizando trabalho (Mecânica) ou não, existem várias situações do dia-a-dia em que precisamos realizar muito esforço físico para efetuá-las. Tais necessidades exigiram que a humanidade criasse máquinas e equipamentos que facilitem ou realizem tais funções. Erguer caixas, containers, pedras, materiais para a construção civil, enfim, sempre que for necessário tirar algo muito pesado do chão e transportá-lo para outro local, podemos contar com o auxílio de empilhadeiras, retroescavadeiras, caminhões caçamba etc. Mas o que estes equipamentos possuem em comum? Todos possuem pistões para realizar o trabalho mecânico! Ao conectarmos dois pistões, podemos aplicar uma força em um dos êmbolos que transmitirá a pressão para todo o fluido existente dentro do cilindro. O outro êmbolo receberá tal pressão através do fluido e a força resultante provocará o deslocamento ao longo da direção do cilindro. Assim houve a realização de trabalho sobre os dois pistões e, se não há dissipações, o valor do trabalho é o mesmo nos dois pistões. Neste caso, quanto maior a força ou o deslocamento, maior será o valor do trabalho mecânico.
Imagine que, para erguer 2 toneladas de material, é preciso de alguns braços mecânicos acoplados. Vale lembrar que o deslocamento vertical é independente do movimento horizontal, que são acionados pelas alavancas na cabine do veículo. Dependendo do ângulo e da posição desses pistões em relação aos eixos, o trabalho exercido pelos pistões (sobre os braços e cargas) pode variar em comparação ao inicial – proveniente do motor. Quanto maior for o deslocamento da carga (seja para cima ou para os lados), maior será o trabalho exercido pelo motor para mover os pistões. E se a área do segundo pistão for aumentada? Poderemos erguer um peso maior com a força aplicada anteriormente no primeiro pistão. Isso ocorre porque a pressão é a razão entre a força aplicada e a área. Quando aumentamos a área do êmbolo, também aumentamos a força exercida no segundo pistão, mas como o volume de fluido não muda teremos um deslocamento menor no segundo pistão, comparativamente ao primeiro. Dizemos então, que as prensas hidráulicas – que simplificadamente são dois pistões interligados e preenchidos por um fluido – são dispositivos multiplicadores de força, proporcionando uma vantagem mecânica: um mesmo motor pode, exercendo o mesmo trabalho inicial, erguer cargas mais pesadas desde que use êmbolos com áreas maiores; mas, vale lembrar, que o deslocamento é reduzido. Assim, uma pessoa é capaz de erguer um automóvel por 2 m e erguer um caminhão por 1 m usando o mesmo trabalho inicial, a mesma força inicial.
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Cientificamente Terminologia principal
Fluido: Substância que muda a distribuição espacial de suas moléculas quando submetida a uma tensão de cisalhamento (aplicação de forças paralelas, mas em sentidos opostos). Portanto, não possui forma definida e se ajusta ao formato do recipiente.
Pressão:
É a quantidade de força aplicada por unidade de área.
Volume:
Espaço ocupado por um corpo, é uma grandeza de 3 dimensões espaciais.
Vácuo: Volume do espaço onde não
há matéria alguma. Em laboratórios é comum se falar em vácuo para locais em que há pouquíssimo gás, tal que a pressão seja baixíssima: muito abaixo
de 1 Pa. Ausência de matéria não implica em ausência de radiação, portanto, uma definição de vácuo mais exigente envolve ausência de matéria e energia.
Quantidade de Movimento: É uma propriedade, de um corpo que esteja em movimento, que se conserva a menos que uma força atue sobre o corpo. Depende da massa do corpo e da velocidade.
Impulso: É o produto da força aplicada pelo tempo de aplicação desta força.
Êmbolo ou Pistão: Dispositivo que possui dois sentidos de deslocamento dentro de um cilindro.
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