Experimento 1 - Pássaro Bebedor

EXPERIMENTO 1 - LABAP: TORQUE, DILATAÇÃO DOS LÍQUIDOS, MÁQUINA TÉRMICA e OSCILAÇÕES / FÍSICA I e II.

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CONCEITOS RELEVANTES: PÁSSARO BEBEDOR.

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(A) CENTRO DE MASSA.

O centro de massa de um corpo é o ponto onde toda a massa do corpo está concentrada nele. Em geral este centro coincide com o centro geométrico ou de simetria do corpo quando sua densidade é homogênea e constante. Em problemas (MECÂNICA NEWTONIANA, por exemplo) de muitos corpos ou de um único corpo macroscópico, podemos definir um único ponto (centro de massa) deste objeto onde faremos o estudo dinâmico completo (rotação e translação).

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(B) TORQUE OU MOMENTO DE UMA FORÇA.

Na dinâmica de translações de corpos a grandeza física conservada (constante) é o momento linear ou quantidade de momento. A variação desta quantidade física no tempo dá origem a força resultante (2° LEI DE NEWTON) no objeto (corpo) em estudo. Por outro lado na dinâmica de rotações a grandeza física que é constante é denominada de momento angular. A variação no tempo desta quantidade origina o torque resultante ("força" que causa giro) nesse corpo. O torque depende da força aplicada, distância em relação ao ponto de apoio na qual está força será aplicada e o ângulo de inclinação entre a força e a distância (multiplicação vetorial - produto vetorial).

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Éter é um grupo de moléculas orgânicas, em que as suas estruturas são caracterizadas pela presença de um átomo de oxigênio ligado a dois (e entre estes) de carbono da cadeia. O éter comum CH3 - CH2 - O - CH2 - CH3 tem os seguintes nomes: etoxietano, éter dietílico, éter etílico. É usado como solvente e anestésico geral. É um líquido que ferve a 35°C (temperatura média do corpo humano 36,5°C). O seu uso merece precauções pelos seguintes motivos:

(a) Seus vapores formam mistura explosiva com oxigênio do ar; é combustível;

(b) Quando respirado, age como anestésico.

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(D) OSCILAÇÕES DE UM PÊNDULO.

O deslocamento de massa líquida do éter dentro do pássaro (tubo do seu pescoço) altera seu ponto de equilíbrio (centro de massa do pássaro) gerando torque da força gravitacional diferente de zero. Ao ficar na posição totalmente horizontal o éter que está na cabeça irá voltar ao bulbo (região mais baixa do pássaro) por outro dulto interno no seu pescoço, alterando novamente seu centro de massa fazendo com que o pássaro volte a sua posição inicial, e aí começa tudo de novo conforme a descrição citada acima, ou seja temos uma oscilação tipo pêndulo. OBS: Para acelerar o processo de subida e descida da massa líquida se éter molhamos o bico com álcool etílico hidratado de 70%.

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(E) MÁQUINA TÉRMICA.

Este pássaro funciona usando duas fontes térmicas uma quente e outra fria (região interna, tubo do pescoço, e externa, ambiente em que o pássaro encontra se). A sua cabeça e pico são revestidos por um material poroso chamado de feltro facilitando a troca de calor dentro e fora do pássaro.

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EXPLICAÇÃO DA EXPERIÊNCIA:

Um engenhoso dispositivo, essencialmente uma máquina térmica, é o passarinho bebedor de álcool. Consiste em um recipiente especial, feito com duas esferas de vidro (a superior --- cabeça do passarinho --- e a inferior --- "corpo" do passarinho, de diâmetro ligeiramente maior que o da cabeça) ligadas por um tubo de vidro. Dentro do recipiente há uma certa quantidade de éter, substâncias que se evaporam rapidamente à temperatura e pressão ambientes. Ao se fechar o recipiente, parte do ar interior é retirado. A esfera menor (cabeça) é totalmente recoberta por uma fina camada de feltro, chamada camada higroscópica. O bico, de plástico muito leve, colado à cabeça, também é recoberto por esse material higroscópio. As pernas e pés do passarinho (bastante estilizadas) formam o apoio em relação ao qual a estrutura de vidro pode balançar. Alguma penugem fina é colada à cabeça e ao corpo do brinquedo ("crista" e "cauda") e servem de "ajuste fino" para o equilíbrio.

Fixada ao tubo de vidro, abaixo de sua região central, tem-se uma fina lâmina de alumínio; suas extremidades são encaixadas em aberturas feitas nas pernas do aparelho.

A ilustração abaixo, vídeo 1, mostra a posição inicial do dispositivo. Inclina-se o pássaro até que seu bico mergulhe e fique na posição horizontal completamente (aguarde até que todo feltro fique bem embebido com álcool). Solta-se o sistema. Ele retornará e ficará oscilando em torno da posição inicial. Aos poucos, a cabeça vai inclinando cada vez mais, aproximando-se da horizontal. Finalmente, ele mergulha o bico e rapidamente retorna à sua oscilação em torno da posição de equilíbrio inicial. O processo se repete continuamente.

A pressão de vapor de éter no interior da esfera do corpo é máxima, para aquela temperatura do ambiente. A pressão de vapor no interior da cabeça e parte livre do tubo é pequena comparada com a região anterior, e isso acontece porque a cabeça é mantida fria pela contínua evaporação do álcool que embebe a camada higroscópica (feltro). Observe que, enquanto o pássaro não estiver quase na horizontal, o vapor do corpo e o vapor da cabeça estão separados por uma coluna líquida. A diferença de pressão exercida por esses dois vapores (a do corpo maior que a da cabeça) é a responsável pela elevação do líquido do corpo até a cabeça do pássaro.

Conforme o nível líquido vai subindo, o centro de gravidade (que coincide com o centro de massa porque o corpo é pequeno) do sistema oscilante também vai subindo. Quando o centro de gravidade ultrapassa o eixo de suspensão, o pássaro gira em torno desse eixo atingindo uma posição quase horizontal devido ao torque gravitacional, o que permite a comunicação entre os dois vapores, igualando suas pressões e o conseqüente retorno do éter acumulado na cabeça para o corpo, fazendo com que ele se erga novamente.

A inércia do sistema e a força gravitacional garantem uma oscilação, tipo pêndulo, para o sistema. Esta oscilação melhora o desempenho da cabeça úmida aumentando a velocidade de evaporação do álcool absorvida quando o bico mergulha em uma taça de álcool (que não encontra se no vídeo). Cada vez que o passarinho se reclina, seu bico poderia mergulhar no álcool, o que manteria a sua cabeça continuamente úmida; a parcial evaporação desse álcool vai mantê-la fria. O "motor" do engenho é o resfriamento do álcool que fica, devido à evaporação do álcool que sai. Esse resfriamento é que reduz a pressão do vapor na cabeça do pássaro.

Se, por outro lado, cobrirmos o passarinho com uma redoma de vidro, o ar do interior desta ficará rapidamente saturado de vapor, a evaporação do revestimento da cabeça cessa, a temperatura da cabeça aumenta, a pressão de vapor ali também aumenta e o movimento cessará. Esses passarinhos operam com menor eficiência quando a umidade do ar atmosférico é elevada; num dia chuvoso, ele não funcionará.

Podemos, em conexão com este brinquedo que opera pelo princípio da evaporação do álcool, levantar uma questão interessante, que sem dúvida já é motivo de estudo em alguns países.

Se adaptarmos um mecanismo de roda dentada ao eixo em torno do qual o passarinho oscila, podemos obter uma certa quantidade de energia mecânica e, com isso, operar uma bomba, trazendo água do mar, mais abaixo, para uma caixa d'água elevada ... e dela passar, por gravidade, a um outro reservatório mais afastado?

A questão é: a que altura máxima acima do nível do mar devemos colocar o passarinho de modo que ele ainda continue funcionando?

Em outras palavras: qual o tamanho máximo que ele pode ter ... e continuar trabalhando?

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Direitos autorais do vídeo e explicação: Prof. João Paulo (vice coordenador do LABAP) - Física.