Rodas e eixos

A invenção da roda e do eixo (a haste em torno da qual gira uma roda), há cerca de 5500 anos no Médio Oriente, revolucionou o transporte e trouxe gradualmente enormes mudanças para a sociedade, mas o que o tornou tão especial? É mais fácil empurrar um carrinho carregado com uma caixa pesada do que empurrar a mesma caixa ao longo do solo, porque as rodas e os eixos do carrinho reduzem o atrito e proporcionam uma alavanca. Você pode descobrir como no nosso artigo principal sobre como as rodas funcionam.

Artwork: Uma roda pode funcionar como um multiplicador de força ou como um multiplicador de velocidade (mas não os dois ao mesmo tempo). Se rodar o exterior (aro) de uma roda, o eixo no centro gira com menos velocidade mas mais força, por isso a roda funciona como o multiplicador anterior. Se rodar o eixo em vez disso (como faz um carro), a roda torna-se um multiplicador de velocidade. O eixo roda apenas uma curta distância (seta azul), mas a alavanca da roda significa que a jante exterior gira muito mais (seta vermelha) ao mesmo tempo. É assim que uma roda ajuda a ir mais rápido.

As rodas grandes também são usadas para multiplicar a força de outras formas.Os tubos, por exemplo, têm rodas chamadas de torneiras (ou válvulas de paragem) montadas nelas. Quando você vira a borda externa de uma torneira, o eixo interno gira com uma força muito maior – assim o tubo é mais fácil de fechar. As rodas de direcção também funcionam neste sentido. Um camião ou um autocarro tem frequentemente um volante maior do que um carro, porque é necessária mais força para virar as rodas. A roda maior dá ao motorista mais força.

As rodas podem multiplicar a distância e a velocidade, assim como a força. Bicicletas têm rodas grandes, por isso andam mais rápido. Quando você pedalar, você energiza o interior da roda. Mas o aro exterior da roda gira mais rápido e cobre mais terreno, por isso a sua pedalagem tem um efeito muito maior. As rodas do carro funcionam da mesma maneira.

Os carrinhos de mão combinam rodas e alavancas para um efeito brilhante. O carrinho de mão torna realmente fácil transportar uma carga de um lugar para outro, por duas razões. Primeiro, o seu quadro comprido actua como uma alavanca, a sua carga é muito mais fácil de levantar. Em segundo lugar, é mais fácil empurrar a carga usando o carrinho de mão porque o único atrito é entre a roda e o eixo. Se você empurrasse a carga através da superfície bruta do solo sem usar o carrinho de mão, o atrito seria muito maior.

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Atras

Foto: Uma engrenagem é feita de duas ou mais rodas de tamanhos diferentes com dentes cortados nas suas extremidades para garantir que elas “engrenem” (girem juntas sem escorregar).

Atras são rodas com dentes que podem ou aumentar a velocidade de uma máquina ou a sua força, mas não as duas ao mesmo tempo. Bicicletas usam engrenagens de ambas as maneiras. Se você quer pedalar uma colina acima, você usa engrenagens para aumentar sua força para não ter que trabalhar tão duro, embora a captura é que eles reduzem sua velocidade ao mesmo tempo. Se você estiver correndo em uma estrada reta, você pode usar engrenagens para aumentar sua velocidade, mas desta vez a pegada é que elas reduzirão sua força. Embora não seja óbvio só de olhar para elas, as mudanças funcionam exactamente da mesma forma que as alavancas (tal como as rodas), o que requer um pouco de explicação para não entrarmos em mais detalhes aqui. Em vez disso, você pode ler tudo sobre isso no nosso artigo.

Pulleys

Põe duas ou mais rodas juntas e enrola uma corda à volta delas várias vezes e cria uma poderosa máquina de elevação chamada polia. Cada vez que a corda envolve as rodas, você cria mais potência de elevação ou vantagem mecânica. Se existem quatro rodas e a corda envolve-as, a polia funciona como se quatro cordas estivessem a suportar a carga. Assim pode levantar quatro vezes mais, embora o senão seja necessário puxar a corda quatro vezes mais. Leia mais no nosso artigo sobre polias.

Rampas e cunhas

Artwork: A cabeça de um machado funciona como uma rampa. Quando se transforma em madeira, a madeira se divide ao longo da diagonal. Isso significa que você pode cortar a madeira aplicando uma força menor sobre uma distância maior. Se você quisesse puxar um tronco com as próprias mãos, você precisaria aplicar uma força muito maior (embora em uma distância muito menor).

Se você já ajudou a puxar um barco para fora do mar, você saberá que é mais marítimo para fazê-lo se houver uma rampa na costa. Em vez de levantar o barco na vertical, em linha reta, você pode tirá-lo do mar com muito menos força se você subir a rampa. Você usa menos força, mas precisa puxar o barco a uma distância maior – assim você usa a mesma quantidade de energia em cada caso. Hillwalkerss algumas vezes usa a ideia de uma rampa para chegar ao topo de uma subida íngreme. Byzig-zagging from side to side across their climb, they effectivelycreate their own ramp. A colina torna-se menos íngreme, mas eles têm de se rebocar um pouco mais para chegar ao topo.

As rampas são por vezes conhecidas como cunhas inclinadas do plano. A cabeça de um machado é uma cunha que trabalha de forma adiferente. Um machado força a madeira de duas maneiras. O cabo funciona como uma alavanca, aumentando a força que você aplica. A lâmina em forma de cunha centra a força sobre uma área menor, aumentando a pressão sobre a madeira e dividindo-a. A lâmina de uma faca funciona da mesma forma.

Parafusos

Foto: A rosca espiral de um parafuso significa que leva mais tempo a entrar na madeira, mas teoricamente, pelo menos, é preciso menos esforço. As ranhuras também ajudam o parafuso a permanecer no lugar.

Um parafuso morde na madeira quando você o vira. Você costuma ler livros de ciência que dizem que um parafuso é “como uma rampa enrolada em círculo”, o que é bastante confuso e difícil de entender. Mas imagine que você é uma formiga e quer subir da base de um parafuso até o topo. Se você subir verticalmente pelo lado de fora, você percorre uma distância relativamente curta, mas é necessária uma grande força de escalada. Se subires pela rosca, andando em círculos, estás mesmo a subir uma espécie de escadaria em espiral – uma rampa enrolada em círculo. Sim, você anda muito mais longe, mas é muito mais fácil. Há outra coisa boa sobre um parafuso também: porque a cabeça é maior do que o eixo abaixo dele, um parafuso funciona como uma roda (ou alavanca): cada vez que você vira a cabeça, o ponto afiado abaixo morde na madeira com maior força. O design afunilado (em forma de cone) facilita a condução no parafuso.

As máquinas estão à nossa volta!

É praticamente tudo o que há para a ciência das máquinas simples.Depois de compreender como as máquinas funcionam, começa-se a vê-las em todos os lugares. Até o seu corpo está repleto de máquinas. O seu esqueleto, amostra forex, é uma coleção de alavancas! Dê uma olhada ao redor de sua casa e veja quantas mais “máquinas simples” você pode ver. Você ficará surpreso de quantas existem!

Existe um senão?

Elevar, cortar, cortar, mover, dobrar – máquinas como as que exploramos acima tornam mais fácil fazer todo tipo de coisas tornando as forças maiores do que você normalmente pode criar com seu próprio corpo. À primeira vista, isso parece que pode abrir o caminho para desenhar uma máquina que nos pode dar algo para não o fazer – talvez isso possa fazer energia do ar, ou uma máquina de movimento perpétuo que funcione para sempre.

Na prática, as leis da física são rígidas e se você facilita a sua vida de uma forma, você sempre torna mais difícil em outra para compensar. Essa é a maneira do cientista dizer “não existe tal coisa como um almoço grátis”, e, em física, vai pelo nome da lei de conservação de energia (simplesmente coloque: não podemos fazer a energia aparecer magicamente do nada). Portanto, sempre que você tem uma máquina que lhe dá mais força, ela não lhe dá energia extra que você não tinha antes. Com uma polia, por exemplo, cordas e rodas lhe dão muito mais força de elevação, mas você tem que deixá-las muito mais agitadas, então você usa exatamente a mesma quantidade de energia que você usaria antes. Basta usá-la mais lentamente, com menos esforço, para que a elevação seja mais fácil. Da mesma forma, pode usar uma serra para levantar um amigo muito mais pesado, sentando-se mais longe do ponto de equilíbrio do que ele, mas tem de mover as pernas muito mais para compensar. Você obtém uma força extra, mas sem energia extra – e isso é o senão.

Artwork: Um balancé permite-lhe criar uma força de elevação extra. A pequena pessoa vermelha pode levantar a grande pessoa azul, sentando-se mais longe do ponto de articulação. Isso significa que eles podem levantar uma força maior, mas o senão é que eles têm que mover seu próprio corpo por uma distância muito maior. Esta máquina faz mais força, mas não mais energia.