Descrição e conteúdos Abordados
Carrinho e fluxos de ar I
O carrinho tem duas bases com ímãs de neodímio. O ventilador também tem um ímã colado na parte inferior, com polaridade oposta aos ímãs do carrinho. Ligando o ventilador e afixando sobre o carrinho, ele começa a andar em sentido contrário ao fluxo de ar, que é lançado para trás por meio das pás em rotação. Como o ventilador “empurra” o ar para trás, essa quantidade de ar “empurra” o carrinho para frente. Essa demonstração ilustra bem a 3ª lei de Newton, da ação e reação.
No segundo momento, coloca-se uma placa de plástico sobre o carrinho, perpendicularmente ao fluxo de ar do ventilador. Agora, o carrinho não sai do lugar. Nesta nova situação, o ventilador continua a soprar para trás empurrando o carrinho para frente, porém, o fluxo de ar incide sobre a placa que está afixada no carrinho. Esse fluxo de ar incidindo perpendicularmente à superfície da placa, empurra-a em sentido contrário ao fluxo do ventilador. Como a placa está fixa sobre o carrinho, as forças se anulam, ou seja, não há força resultante sobre o carrinho.
Porém, se retirarmos a placa do carrinho e posicionarmos na frente do ventilador, o carrinho começa a andar de novo, pois agora a placa exerce força sobre a mão da pessoa que está segurando-a e não sobre o carrinho.
Carrinho e fluxos de ar II
Nesta outra montagem, trocamos a placa plana amarela por outra placa curvada em forma de veleiro.
Posicionado a parte côncava em frente ao ventilador, podemos ver que agora o carrinho começa a andar, só que em sentido contrário ao fluxo de ar do ventilador. Nessa nova configuração, o veleiro desvia parte do fluxo de ar para as laterais do veleiro, retornando em sentido contrário, o que não ocorre com a placa plana. Assim, dessa forma, há força resultante sobre o carrinho, no mesmo sentido do fluxo de ar do ventilador.
Se o veleiro for invertido, ou seja, com o lado convexo virado para o ventilador, o fluxo de ar também é desviado para as laterais, só que não muda de sentido, como no caso côncavo. Dessa forma, a força resultante sobre o carrinho será no sentido contrário ao fluxo de ar do ventilador, como no caso do carrinho sem a placa plana ou o veleiro.
Carrinho com fluxo de ar III – Carrinho movido à vela plana
Neste experimento podemos demonstrar um carrinho com uma placa plana impulsionado pelo vento de um secador de cabelos. Incidindo o vento na direção perpendicular à superfície da placa, o vento empurra o carrinho com força máxima, ao contrário de uma incidência lateral do vento, numa direção paralela à superfície da vela.
Girando a placa de modo que haja incidência do vento sobre a placa num determinado ângulo entre 0 e 90º , podemos observar o carrinho se locomover. É que nestas condições, uma parte do vento lateral incidindo na placa proporciona uma força resultante na direção perpendicular que empurra o carrinho para frente.
Carrinho com fluxo de ar IV – Carrinho movido à vela curvada.
Neste experimento podemos mover o carrinho por meio de um vento lateral, sem precisar mover a placa, como no caso da vela plana.
Incidindo o fluxo de ar do secador de cabelos lateralmente sobre a parte curva da vela, podemos mover o carrinho. Neste caso, a força resultante vem da diminuição da pressão do ar na parte curva, provocada pelo aumento da velocidade do ar nas proximidades da superfície curva. Pelo princípio de Bernoulli, a pressão é inversamente proporcional à velocidade de um fluido em movimento.
Com este experimento podemos ver como um barco a vela pode se mover usando um vento lateral e até mesmo se mover num sentido contrário ao vento. Basta posicionar a vela adequadamente.
Carrinho com fluxo de ar V – Carrinho movido à cilindro girante (vela rotativa).
Nesta montagem, fixamos um pote de plástico cilíndrico num motor movido à pilhas. Ao ligar, o cilindro gira em determinado sentido. Por meio de um secador de cabelos, podemos incidir um vento lateral sobre a vela rotativa, que começa a andar. Neste caso, a força resultante sobre o carrinho vem da diferença das pressões do ar nas laterais do cilindro. O movimento de rotação arrasta o ar nas proximidades da superfície lateral do cilindro. O vento lateral que vem do secador de cabelos se divide e passa pelas laterais do cilindro. De um lado, o sentido do vento está a favor do sentido de rotação do cilindro e do outro, está em sentido contrário. Do lado que o vento está a favor do sentido de rotação, a velocidade resultante é a soma das velocidades do vento que vem do secador e da velocidade de arrasto nas proximidades da superfície do cilindro. Do outro lado, como o sentido do vento do secador está contra o sentido de rotação, ocorre o inverso, ou seja, a velocidade resultante do vento será menor.
Por causa desta diferença nas velocidades, haverá diferença nas pressões, também conhecido como efeito Magnus. É o mesmo efeito que ocorre com uma bola fazendo uma trajetória curva (“chute de trivela”).
Material Utilizado
I - Carrinho feito com placa de madeira e rodinhas com rolamentos, ímãs de neodímio para fixação dos acessórios, ventilador portátil à pilha, placa plana de plástico.
II - Carrinho feito com placa de madeira e rodinhas com rolamentos, ímãs de neodímio para fixação dos acessórios, ventilador portátil à pilha, placa curvada de plástico (veleiro).
III - Carrinho feito com placa de madeira e rodinhas com rolamentos, ímãs de neodímio para fixação dos acessórios, placa plana de plástico e secador de cabelos para fluxo de ar.
IV - Carrinho feito com placa de madeira e rodinhas com rolamentos, ímãs de neodímio para fixação dos acessórios, placa curvada de plástico e secador de cabelos para fluxo de ar.
V - Carrinho feito com placa de madeira e rodinhas com rolamentos, ímãs de neodímio para fixação dos acessórios, cilindro de plástico (pote de maionese) fixado num eixo girante apoiado num motorzinho, movido por pilhas e um secador de cabelos para fluxo de ar.
Equipamento construído e doado por Claudio Hiroyuki Furukawa para o Laboratório de Demonstrações da UFPA.
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- Experimentando: Carrinho e fluxos de ar I / Cart and airflows I - Laboratório de Demonstrações - UFPA (YouTube)
- Experimentando: Carrinho e fluxos de ar II / Cart and airflows II - Laboratório de Demonstrações - UFPA (YouTube)
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