Experimento 17 - Levitron
EXPERIMENTO 17 - LABAP: ELETROMAGNETISMO, LEI DE FARADAY-NEUMANN-LENZ, EQUAÇÕES DE MAXWELL, LEI DE AMPÈRE-MAXWELL, PROPAGAÇÃO DAS ONDAS, OSCILAÇÕES AMORTECIDAS e FORÇADAS, CORRENTES DE FOUCAULT, FORÇA PESO, MOMENTO ANGULAR E LINEAR, TORQUE/ FÍSICA I e III.
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CONCEITOS RELEVANTES: LEVITRON
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O Levitron comporta duas partes distintas: uma base (que é colocada sobre a mesa de trabalhos) e um pião com eixo alongado. A base e o pião são essencialmente dois ímãs, porém, colocados de tal forma que os pólos de mesmo nome se defrontam (por exemplo, o PN da base e o PN do pião). O ajuste desses ímãs, durante o processo de fabricação, deve ser feito de modo bastante cuidadoso.
Surgem, como era de se esperar, quatro forças magnéticas sobre os pólos magnéticos do pião, duas de repulsão e duas de atração, com respeito aos pólos dos ímãs da base e uma força gravitacional (seu peso), com respeito á Terra.
A dependência com a distância dessas forças magnéticas fazem com que (devido ao modo como os ímãs são dispostos) a resultante delas se oponha á força gravitacional e, assim, o pião levita sobre a base.
Entretanto, qualquer que seja a mínima inclinação em relação á vertical (e isso é impossível de evitar), tais pares de forças magnéticas criam momentos (binários, torques) que tendem a tombar o pião, levando-o para baixo. É impossível mantê-lo levitando 'estaticamente'.
Para evitar que isso ocorra o pião deve estar descrevendo um movimento de rotação, já que, nessa condição, o momento atua de forma giroscópica e o eixo do pião não tomba, mantendo-se mais ou menos na mesma direção que aquela do campo magnético resultante.
O momento de rotação é equivalente ao movimento de precessão de um pião comum. O eixo é, em princípio, quase vertical, porém conforme a velocidade angular vai diminuindo, um leve oscilação aparece nesse eixo.
Com efeito, o princípio de funcionamento é similar ao de um pião comum. É quase impossível que um pião comum, sem girar, fique equilibrado sobre sua ponta metálica e não caia. Entretanto, enquanto está girando, o equilíbrio se mantém. Ao diminuir a velocidade esse pião comum começa 'a balançar a cabeça' até que, finalmente, cai. Exatamente isso é o que ocorre com o Levitron.
O aspecto da estabilidade é muito delicado no Levitron. Definitivamente, o sistema apenas funciona dentro de limitada faixa de alturas, algo entre 3 e 4 cm contados desde o centro da base. A altura final para o equilíbrio depende principalmente do peso do pião e das forças de campo devidas á base.
Existem outros fatores, como a temperatura (que afeta a magnetização dos ímãs) que podem alterar a estabilidade de equilíbrio. Relativamente á freqüência de rotação, a faixa estável encontra-se entre 20 e 26 Hz (rps), ficando completamente instável abaixo dos 18 Hz e acima dos 30 Hz.
Tanto os ímãs como o próprio pião são feitos com material cerâmico. Se fossem metálicos, com o movimento de rotação, surgiriam correntes elétricas de indução (correntes de Foucault) as quais, devido á resistência ôhmica dos materiais, dissipariam a energia cinética de rotação. Com materiais cerâmicos, que são isolantes elétricos, evita-se o aparecimento de tais correntes parasitas.
Idealmente, o Levitron levitaria indefinidamente. Entretanto, devido á resistência viscosa do ar, a energia cinética de rotação vai progressivamente dissipando e, após alguns minutos de funcionamento, quando a freqüência de rotação cai abaixo dos 18 Hz (18 rotações por segundo --- mínimo de estabilidade) o pião cai.
Dispondo-se o sistema em uma câmara de vácuo o intervalo de tempo de funcionamento pode se elevar aos 30 minutos.
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Direitos autorais: Prof. João Paulo (vice coordenador do LABAP) - Física.