As máquinas térmicas são dispositivos capazes de converter energia térmica em energia mecânica, sendo utilizadas principalmente como meios de transporte e nas indústrias. Podemos citar como exemplo os veículos automotores, a máquina a vapor e a turbina a vapor. É impossível imaginar nossa vida sem esses dispositivos, que a cada dia estão mais aprimorados. Show O primeiro dispositivo que utilizava esse mesmo princípio de funcionamento foi a máquina de Herón, no século I d.C. Em 1698, Thomas Savery criou a primeira com utilidade prática, que era usada para retirar água das minas. Posteriormente, por volta de 1712, essa máquina de Savery foi aperfeiçoada por Thomas Newcomen e passou a ser utilizada também para elevar cargas. No entanto, as máquinas térmicas obtiveram destaque de fato apenas no século 18, quando James Watt (1736 – 1819), em 1763, criou uma máquina que possuía maior eficiência do que as que eram até então conhecidas. Assim, elas passaram a ser utilizadas na indústria e em larga escala, o que foi de enorme contribuição para a Revolução Industrial. Foi em 1804 que as máquinas a vapor passaram a ser utilizadas para locomoção. A locomotiva a vapor, construída por Richard Trevithick, era capaz de transportar 450 pessoas a uma velocidade de 24 km/h, velocidade bem menor que a que estamos acostumados atualmente. Depois da locomotiva, vieram os carros, o primeiro foi produzido em 1885, pelo Engenheiro Alemão Karl Benz, e possuía motor a gasolina. Mapa Mental: Máquinas Térmicas*Para baixar o mapa mental em PDF, clique aqui! As máquinas térmicas foram fundamentais para o desenvolvimento tecnológico da humanidade, a começar pela Revolução Industrial, os meios de transporte e a produção de energia. Atualmente é impossível imaginar nossas vidas sem esses dispositivos, que, a cada dia, estão sendo mais aprimorados, contribuindo, assim, para a nossa qualidade de vida. * Mapa mental por Me. Rafael Helerbrock Por Mariane Mendes Graduada em Física
“Se me derem uma alavanca e um ponto de apoio, deslocarei o mundo”. Essa foi a frase dita por Arquimedes para descrever a função de uma alavanca. Ela constitui-se de uma máquina simples, é utilizada para facilitar a execução de um trabalho e tem a capacidade de multiplicar a força aplicada sobre ela. Suas principais funções são: elevar objetos pesados, recortar, movimentar etc. A alavanca é constituída por três elementos: PA – Ponto de apoio: o ponto ao redor do qual a alavanca pode girar; FR – Força resistente: Peso do objeto que se pretende movimentar; FP – Força potente: Exercida com o objetivo de mover o objeto. As alavancas podem ser classificadas em três tipos:
Por Mariane Mendes Graduada em Física
Plano de Aula Plano 1 de uma sequência de 5 planos. Veja todos os planos sobre Máquinas simples Optativas: Caso a turma disponha de tempo e de conexão síncrona de qualidade, os alunos podem construir a cadeia virtualmente, com o professor compartilhando as imagens em arquivos do Google Drive. Contexto e questão disparadora Caso não seja possível assistir ao vídeo, peça aos estudantes que leiam o texto presente nos slides "Contexto". Junto às orientações para assistir ao vídeo ou fazer a leitura, apresente a questão disparadora aos estudantes: Como funciona uma catapulta? Essas orientações podem ser apresentadas por meio de uma conferência, um vídeo curto, um e-mail, ou por aplicativo de mensagens, como fizer mais sentido para seu contexto. Mão na massa Explique aos estudantes que eles serão os responsáveis por arquitetar e construir uma mini catapulta. Ressalte que a ideia não é reproduzir o que foi feito no vídeo, mas criar uma catapulta pequena com os materiais disponíveis em casa. Para tal, eles devem: desenhar, projetar, executar e analisar os resultados da construção de uma catapulta. Oriente-os a iniciar a atividade pelo desenho de como será a catapulta. Posteriormente, eles podem verificar, com ajuda dos familiares, quais materiais já disponíveis em casa são possíveis de serem utilizados para executar o projeto. A criatividade será fundamental nesse momento! Oriente-os a fazerem lançamentos em local seguro de casa e escolherem um instrumento para medir a distância alcançada pelo lançamento feito com a catapulta. Esse instrumento pode ser uma régua, uma fita métrica, os pés, cabo de vassoura, qualquer instrumento que que possa ser utilizado como um padrão de medição. Peça aos estudantes que façam um vídeo curto mostrando a catapulta construída e o lançamento. Solicite que expliquem como foi executado o projeto, quais materiais foram utilizados e como foi feita a medida do alcance do lançamento. Compartilhe os vídeos com a turma e oriente os estudantes a procurarem as principais diferenças e semelhanças entre as catapultas dos colegas. Sistematização Marque uma videochamada com toda a turma. Auxilie-os a analisarem as catapultas, os elementos utilizados e a criatividade empregada. Durante a conferência, siga as orientações presentes no plano. Utilize um documento do Google Docs como lousa enquanto os estudantes apresentam as justificativas. Convite às famílias As famílias podem auxiliar orientando quais os objetos disponíveis em casa poderiam ser utilizados na construção da catapulta. Avise a família que a atividade proposta é construir uma catapulta simples e pequena, e que os estudantes podem ficar empolgados com o vídeo de contextualização e quererem criar algo grandioso. Avise-os que não é necessário sair comprando materiais, o objetivo aqui é que os estudantes utilizem a criatividade para criar a partir do que têm à disposição.
7º Ano Objetivos de aprendizagem Introduzir o conceito de máquina simples usando o desafio da catapulta - atividade STEM - conceito de alavanca. Habilidade da Base Nacional Comum Curricular (EF07CI01) Discutir a aplicação, ao longo da história, das máquinas simples e propor soluções e invenções para a realização de tarefas mecânicas cotidianas. Este plano foi elaborado pelo Time de Autores NOVA ESCOLA”. Professor-autor: Willian Takemitsu Shigeyosi Mentor: Denise Curi Especialista: Leandro Holanda
Máquinas simples são ferramentas ou instrumentos que facilitam o trabalho e execução de tarefas simples do dia a dia. Como exemplos de máquinas simples podemos destacar as tesouras, abridor de garrafas, saca-rolha, cortador de unha, entre outros, são utensílios domésticos que facilitam a vida diária, diminuindo a força que devemos aplicar para realizar as tarefas comuns. Todos esses objetos funcionam baseados nos princípios de máquinas simples. Nesta aula estudaremos os princípios de funcionamento dessas máquinas. Funcionamento das máquinas simplesA imagem que você vê é uma cena do filme Tempos Modernos, que estreou em 1936, tendo sido interpretado e produzido por Charles Chaplin. O filme satiriza situações do cotidiano dos trabalhadores no início do século XX e questiona a relação homem-máquina. A cena em que Carlitos é engolido pelas engrenagens do maquinário tornou-se um clássico do cinema mundial e nos revela como essa relação pode ser contraditória. A máquina ajuda, mas usada de maneira extrema também escraviza, obrigando a um ritmo cada vez mais acelerado e a uma produção sempre maior. Agora, pense um pouco sobre as máquinas. O que você entende por máquina? Alguma coisa como a máquina do filme? Ou algo como máquinas de lavar roupa, de lavar louça, de cortar grama, de costura, ou ainda carros, aviões, máquinas de guerra etc. Certamente são máquinas, mas máquinas complexas, formadas por grande número de peças, de engrenagens, de parafusos etc. As máquinas que iremos estudar neste módulo são denominadas máquinas simples, justamente porque suas estruturas são tão simples que às vezes parece estranho chamá-las de máquinas. Apesar desse estranhamento, as máquinas simples, assim como as complexas, nos auxiliam a realizar trabalho. AlavancaNo século III a.C., o sábio Arqui-medes realizou inúmeros experimentos testando o funcionamento das alavancas e descobriu as relações que regem seu funcionamento. Ficou tão entusiasmado que teria afirmado: “Deem uma alavanca e um ponto de apoio e eu deslocarei o mundo”. Como você pode ver na ilustração, a alavanca nada mais é do que uma barra rígida (de madeira, metal ou outro material) que se move apoiada sobre algum tipo de suporte, o ponto de apoio. Nas alavancas podemos identificar alguns elementos: o ponto de apoio, a força potente – que em nosso exemplo é o esforço feito por Arquimedes – e a força resistente, que no caso seria o mundo, ou seja, o objeto que se pretende deslocar. Se fizermos um esquema de alavanca identificaremos ainda: o braço de alavanca da força potente e o braço de alavanca da força resistente. Veja: Em seus experimentos, Arquimedes concluiu que uma alavanca está em equilíbrio quando: F1 . D1 = F2 . D2 Desse modo, ele percebeu que para manter o equilíbrio da alavanca bastaria aumentar a distância do ponto de aplicação da força ao ponto de apoio e com isso, teoricamente, poderia até deslocar algo tão grande quanto a própria Terra. Deixando um pouco o entusiasmo de Arquimedes de lado, a verdade é que essa propriedade das alavancas é muito útil, e explica porque os mecânicos aumentam o braço das chaves de roda quando precisam retirar os parafusos que prendem a roda. Veja também: Tipos de alavancasAs alavancas são classificadas de acordo com a posição de seus elementos. Veja nos esquemas os tipos de alavancas e exemplos de objetos de nosso cotidiano que, na verdade, são alavancas. Alavancas interfixas: quando o ponto de apoio fica entre a força resistente e a força potente. Veja: Exemplos de alavancas interfixas: as tesouras, os alicates, os martelos e os guindastes. Alavancas inter-resistentes: são aquelas em que a força resistente fica entre a força potente e o ponto de apoio. São exemplos de alavancas inter-resistentes: os quebra-nozes, os carrinhos de mão e a articulação do pé humano. Alavancas interpotentes: são aquelas em que a força potente fica entre o ponto de apoio e a força resistente. São exemplos de alavancas interpotentes: as pinças e a articulação do cotovelo humano. RoldanaUma roldana é um disco que gira em torno de um eixo e possui um sulco (fenda), por onde passa algum tipo de cabo. As roldanas podem ser fixas a um ponto ou móveis e, como toda máquina simples, facilitam o trabalho. Vá até um mastro da bandeira e dê uma olhadinha nas roldanas fixadas a ele. Veja como elas mudam o sentido de aplicação da força: a corda é puxada para baixo e a bandeira sobe. Essa é a grande vantagem das roldanas fixas: o redirecionamento de aplicação da força porque, quanto à intensidade da força a ser usada, não há ganho. A força aplicada (potente) é igual à força resistente. As roldanas auxiliam em diversas atividades. Você mesmo já deve ter visto roldanas em ação. Veja dois exemplos em que as roldanas fixas facilitam o trabalho. Quando se tira água de um poço, o balde desce ao fundo e volta, graças ao auxílio de uma roldana. Nas cerimônias de hasteamento das bandeiras, lá estão as roldanas fixas, presas ao mastro. Elas redirecionam o sentido de aplicação da força e permitem a subida Reduzem a força aplicada e movimentam-se junto com o objeto transportado, pois seu eixo não é fixo. Em uma roldana como a representada no esquema, o peso do corpo está sustentado por duas forças: uma exercida pelo suporte fixo e outra pela pessoa. Portanto, usando uma roldana como essa, é possível sustentar um objeto exercendo uma força de intensidade igual à metade do peso dele. Associação de roldanasSão usadas quando há necessidade de erguer objetos muito pesados. Quando o sistema é formado por uma roldana fixa e diversas móveis, determinamos a força a ser aplicada dividindo a força resistente por 2n, onde n será o número de roldanas móveis do sistema. Veja nos exemplos abaixo algumas situações: Em A a roldana é fixa e já vimos que esse tipo de roldana não produz alteração na intensidade da força a ser aplicada, portanto, para um peso R será preciso aplicar uma força F de valor igual (F = R). Em B, temos um sistema com uma roldana fixa e uma móvel, então RR 21 = 2, a força a ser aplicada será 2 (F = -2-), ou seja, a metade do peso do corpo; em C, o sistema é formado por uma roldana fixa e duas móveis. Por isso, teremos 22 = 4, a força aplicada deverá RR ser de -7- (F = -7-) ou seja terá 1/4 do peso do objeto; finalmente, em D, a força deverá ter 44 intensidade de 23 , porque há três roldanas móveis no sistema, então a força a ser aplicada RR terá intensidade de (F = -£-), isto é, oito vezes menor do que o peso do objeto. 8 8 Há outras composições usando roldanas. Nos navios e guindastes do cais dos portos, essas combinações ajudam a movimentar cargas de muitas toneladas. Plano inclinadoPlano inclinado é toda superfície reta que tenha alguma inclinação. Por exemplo, uma ladeira é um plano inclinado. Observe a acentuada subida. Se, por um lado, um plano inclinado permite o acesso a áreas mais altas com menor esforço, por outro, ele torna o caminho mais longo. Podemos dizer que quanto menor o ângulo do plano inclinado, maior a distância a ser percorrida, porém menor a força a ser aplicada. Imagine como seria possível ir do litoral a alguma cidade serrana se não fosse com o uso dos planos inclinados! Teríamos todos de ser alpinistas. Percebeu como os planos inclinados são importantes? Eles, como todas as máquinas simples, facilitam o trabalho. Dos planos inclinados derivam-se algumas outras máquinas como a cunha e o parafuso. Cunha As cunhas se formam pela justaposição de dois planos inclinados unidos por suas bases. As lâminas cortantes de instrumentos como facas, machados e cinzéis, utilizam-se de cunhas. São planos inclinados “enrolados” ao redor de um eixo. Veja no desenho, cada volta do plano corresponde a uma saliência do parafuso. Procure lembrar alguns usos dos parafusos. Anote. Agora vamos ver se você lembrou de outras coisas além da função de fixar objetos. Além de manter unidos pedaços de madeira ou metal, os parafusos auxiliam a executar movimentos, como um banco de piano que sobe e desce com auxílio de um parafuso. Também são parafusos as hélices de navios e aviões, bem como no passado muitos instrumentos de moagem eram formados por grandes parafusos. Brocas de perfuração também são grandes parafusos. Olhe um saca-rolhas, por exemplo. Na verdade, ele é um parafuso. Algumas peças de uma máquina de moer grãos também são parafusos, observe a peça que vai no centro e faz a moagem. Exercício resolvido1. Lucas e Fernanda têm massa de 60kg e 40kg, respectivamente, e queriam brincar de gangorra. Se cada lado da gangorra tem 1,5m, a que distância do centro Lucas deve se sentar para que a gangorra fique em equilíbrio, sabendo que Fernanda está numa extremidade da gangorra. Solução: Usando a relação F1. d1 = F2. d2, teremos: F1 = será o peso de Lucas = 60kg . 10m/sz = 600N F2 = será o peso de Fernanda = 40kg . 10m/sz = 400N d1 = será a distância que procuramos = x d2 = será a distância de Fernanda ao centro da gangorra = 1,5m 600 . x = 400 . 1,5 600 x = 600 x= 600/600 x = 1 metro Lucas deve se sentar a 1m do centro da gangorra. Sugestão de exercícios1. O que é uma alavanca? 2. Qual a vantagem dada por uma roldana fixa? 3. Uma tesoura é uma alavanca interfixa. Mas ela também é formada por outro tipo de máquina simples. Qual é? Onde vamos encontrá-la? 4. Um operário precisa colocar um objeto de 240kg sobre uma laje no segundo andar de uma construção. Para isso ele dispõe de um sistema de roldanas formado por 1 roldana fixa e 3 roldanas móveis. Qual a força que ele precisará realizar para cumprir sua tarefa? Referências bibliográficas
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As características apresentadas nesse texto se referem a qual máquina simples
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