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A curiosa física de 7 brinquedos clássicos

Por Natasha Romanzoti, em 4.12.2011

Comparados com o fascínio dos atuais jogos de videogame, os brinquedos clássicos de outrora podem parecer chatos para as crianças de hoje.

Mas, na verdade, eles não são tão mundanos quanto parecem: muitos desses brinquedos incorporam importantes conceitos físicos, e brincar com eles ajuda as crianças a desenvolver uma compreensão intuitiva do mundo ao seu redor – algo que não pode ser adquirido a partir dos virtuais jogos modernos. Confira:

O pião, um brinquedo encontrado em muitas culturas do mundo e mesmo entre ruínas arqueológicas, tem alguns profundos princípios físicos. O primeiro é a conservação do momento angular, a lei que dita que, na ausência de influências externas, um objeto girando deve se manter girando.

Como o pião gira em cima de um ponto minúsculo, ele experimenta uma quantidade mínima de fricção com a superfície abaixo dele, e assim continua girando por um tempo deliciosamente longo, demonstrando a lei.

Mas, como o atrito, eventualmente, retarda o brinquedo, ele torna-se instável e começa a balançar, levando à demonstração de um outro princípio, chamado de “precessão”. Quando o pião balança, seu eixo de rotação – a linha invisível que corre verticalmente através de seu centro – se inclina para a lateral, fazendo um ângulo.

Este ângulo permite que a força da gravidade exerça um “torque” no pião, colocando giro adicional sobre ele, e isso faz com que ele balance para fora em um arco, ainda girando. Em um esforço para conservar seu momento angular total, o pião precessa mais rápido quanto mais lento gira, o que explica porque normalmente os piões dão um solavanco “para fora” quando o atrito para seu giro.

Lâmpadas de plasma (ou globos) são lindas apresentações visuais de uma variedade muito estranha da matéria.

Esses vidros transparentes são preenchidos com uma mistura de gases não reativos – como hélio, neônio e criptônio – mantidos a menos de um centésimo de pressão do ar exterior.

A esfera menor no centro da lâmpada é um eletrodo – um condutor elétrico que é usado para transferir eletricidade a partir de um circuito para um vácuo circundante. Quando a lâmpada é ligada, uma corrente elétrica de alta frequência flui para o eletrodo, e de lá, passa para os átomos gasosos que o rodeiam. A corrente ioniza os átomos, dando-lhes uma carga elétrica e, simultaneamente, fazendo com que eles emitam flashes de luz. Um gás ionizado é chamado de plasma.

Como os elétrons tentam fluir tão longe um do outro quanto possível (repelidos uns pelos outros pelas suas cargas negativas), eles atiram o eletrodo central em todas as direções no vidro exterior. Suas rotas de fuga são os filamentos de plasma visíveis nas lâmpadas.

Colocar a mão perto do vidro altera o campo elétrico que existe entre o eletrodo central e o vidro, fortalecendo a força que atrai os elétrons para fora. É por isso que um filamento de plasma parece atraído pela sua mão quando você toca a bola.
Felizmente, as lâmpadas de plasma comerciais são de baixa potência, suficiente para que não te machuque quando a corrente elétrica passa ao longo do filamento através do vidro para sua mão.

Um brinquedo de mola clássico apresenta um pouco de física verdadeiramente surpreendente. Quando você mantém uma mola no ar e a deixar cair, seu fundo permanece totalmente parado até que o resto da mola se junte, para depois cair no chão. Parece pairar no ar, desafiando as leis da física, antes de finalmente cair no chão com o resto da mola (veja no vídeo) – e esse comportamento tem um sentido físico perfeito.

“A explicação mais simples é que a extremidade inferior está parada conforme a gravidade a puxa para baixo, e a tensão a puxa para cima – forças iguais e opostas”, disse o professor Rod Cross. “Nenhum movimento ocorre na extremidade inferior, até ela receber a informação de que a tensão mudou. E é preciso tempo para que a informação se propague através da mola”.

Em suma, uma onda de compressão, que carrega informações sobre o desaparecimento da força para cima, tem que viajar até a mola para que a extremidade inferior “saiba” que a mola foi solta, e deve cair.
O que seria realmente desafiante é se a extremidade inferior da mola caísse no instante em que alguém soltasse a mola. Este tipo de ação nunca acontece na natureza.

Em um episódio de Os Simpsons, o personagem Homer pega um dos brinquedos clássicos de “pássaro bebendo água” para que ele pressione a tecla Y (de “Yes” para “sim”) em seu teclado de computador, fazendo o seu trabalho por ele, enquanto ele sai para ver um filme. Um enredo inteligente, mas não realista: a presença de um copo de água é crucial para o movimento do pássaro sedento ou bebedor.

O brinquedo é uma “máquina térmica” simples que converte energia térmica derivada da água em trabalho mecânico.

A ponta de feltro do bico da ave deve primeiro ser mergulhada na água. No interior, a bola de vidro da cabeça da ave é preenchida com vapor que evapora de um líquido – geralmente um composto químico chamado diclorometano – que preenche o seu corpo mais abaixo.

Quando o bico do pássaro sai da água, a água começa a evaporar-se. A evaporação abaixa a temperatura da cabeça da ave, fazendo com que alguns dos vapores de diclorometano dentro dele se condensem. Conforme essas moléculas de vapor se aproximam, a pressão na cabeça abaixa, e isso atrai o líquido na base do brinquedo até o pescoço. O líquido flui para cima, fazendo com que a cabeça da ave se torne pesada, oscile para trás e para frente e, eventualmente mergulhe o bico na água novamente.

Em seguida, como a extremidade inferior do tubo no pescoço da ave está em uma elevação mais alta do que a superfície do líquido, isso provoca uma bolha de vapor que desloca o líquido, que flui de volta para o fundo, deslocando o peso da ave devolva a sua posição ereta. O processo, em seguida, recomeça. O pássaro continua percorrendo estas etapas desde que haja água suficiente no vidro para molhar o bico do pássaro cada vez que ele cai sobre o copo.

Os modelos de foguete usam os mesmos mecanismos básicos que um foguete real. Estes brinquedos fáceis de operar podem chegar a uma altitude de mais de 300 metros, deixando um rastro de fumaça pra trás, e conforme alcançam seu pico, implantam um paraquedas e voltam a Terra. Mas como eles funcionam?

É tudo sobre a ordem em que diferentes combustíveis dentro do foguete inflamam. Primeiro, a pessoa queima as luzes do foguete, um “fósforo elétrico” que é enfiado através de um bocal (1) na parte inferior (2) do motor de foguete. A partida incendeia um propulsor do foguete na câmara de combustão (3). O propelente (geralmente algum tipo de pó preto, um explosivo químico contendo carvão, enxofre e nitrato de potássio) em combustão se transforma em um gás quente – e sai do bocal. A primeira terceira lei de Newton afirma que toda ação tem uma reação igual e oposta, assim, o disparo de gás para baixo impulsiona o foguete para o céu.

Um instante depois, a camada de combustível acima do propulsor, chamada de “carga de atraso de rastreamento” (4), inflama. Este combustível tem uma composição ligeiramente diferente do que o propulsor para torná-lo mais lento e sua queima emite mais fumaça. Essa fumaça também espalha através do bocal do foguete, permitindo que o seu operador acompanhe a subida do foguete, observando o rastro de fumaça.

Quando a carga de atraso já queimou – isso acontece assim que o propulsor do foguete também se esgotou -, momento em que o foguete atinge sua altura máxima, a carga de ejeção (5) inflama. Isso faz com que ocorra uma pequena explosão na tampa (6) do foguete, liberando um paraquedas. O foguete então flutua até o chão.

O que causa o magnetismo? Jearl Walker, professor de física, explica que os campos magnéticos naturalmente irradiam a partir de partículas eletricamente carregadas que compõem os átomos – especialmente elétrons.
Normalmente na matéria, os campos magnéticos de elétrons têm direções diferentes, cancelando-se mutuamente. É por isso que os elétrons em seu corpo não fazem com que você grude na sua geladeira conforme você passa por ela.

Mas, quando os campos magnéticos de todos os elétrons em um objeto se alinham na mesma direção, como ocorre em muitos metais (e, obviamente, nos ímãs), um campo magnético é gerado. Ele exerce uma força sobre outros objetos magnéticos, ou os atrai ou os repele, dependendo da direção de seus próprios campos magnéticos.

Infelizmente, tentar entender o magnetismo em um nível mais profundo é essencialmente impossível. Embora os físicos tenham uma teoria chamada “mecânica quântica”, um corpo de equações que representa com muita precisão o comportamento das partículas (incluindo o seu magnetismo), não há maneira de entender intuitivamente o que a teoria realmente significa, pelo menos por enquanto.

Os físicos se perguntam: por que os campos magnéticos irradiam partículas, o que são campos magnéticos, e por que eles sempre se alinham entre dois pontos, dando a seus ímãs polos norte e sul? “Quando você faz um movimento de partículas carregadas, ele cria um campo magnético e dois polos. Nós realmente não sabemos o porquê. É apenas uma característica do universo, e as explicações matemáticas são apenas tentativas de obter respostas”, disse Walker.

A construção de uma bateria elétrica de batata (ou limão ou maçã) revela um pouco sobre o funcionamento interno de circuitos elétricos. Para fazer esta experiência científica simples, você insere dois objetos metálicos diferentes – muitas vezes um prego galvanizado e moeda de cobre – na batata, e conecta os fios um com o outro.

Estes fios podem ser anexados em dois terminais de um multímetro (que mede a tensão de um circuito) ou a algo parecido com um relógio digital ou lâmpada. Pode ser preciso duas ou três batatas ligadas em série para gerar tensão suficiente para alimentar esses dispositivos.

A batata funciona como uma bateria, gerando uma corrente de elétrons que flui através do fio. Isso acontece porque o ácido na batata induz uma mudança química no zinco que reveste o prego. O ácido age como um “eletrólito”, ionizando os átomos de zinco ao retirar dois elétrons de cada um deles e deixá-los carregados positivamente.

Os elétrons são conduzidos para longe dos íons de zinco através do fio – e através de quaisquer dispositivos ao longo do circuito – e acabam na moeda de cobre. De lá, eles se juntam com íons de hidrogênio positivos na batata que foram repelidos pelos íons de zinco nas proximidades. O movimento desses elétrons é suficiente para alimentar um relógio de brinquedo ou lâmpada.[Life’sLittleMysteries]

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