Gangorra Solidária
Áreas do conhecimento ligadas ao experimento: Mecânica e Ondulatória.
Princípios físicos ligados ao experimento: Movimento pendular e Ressonância.
Descrição do experimento: a Gangorra Solidária é um projeto baseado em dois princípios importantes da Física, como o movimento pendular e a ressonância. A foto mostra um pêndulo solidário (bloco vermelho) que foi disposto paralelamente a uma gangorra (parecida com os balanços usados em parques de diversão). Neste tipo de experimento é importante ressaltar que os comprimentos, tanto do pêndulo quanto da gangorra, têm que ser iguais, para que o projeto funcione.
Assim, após alguns empurrões, o balanço atinge uma boa amplitude em seu movimento de vaivém e, o pêndulo, antes imóvel, começa também a oscilar. A partir daí, começa a existir uma alternância de oscilações entre o balanço e o pêndulo, ou seja, quando o pêndulo está parado, o balanço oscila com amplitude máxima e, quando o balanço estiver parado, será o pêndulo que irá oscilar com amplitude máxima. Esse processo de transferência de energia (Ressonância) entre os pêndulos (gangorra e bloco) só foi possível porque os seus comprimentos são iguais, pois a igualdade de comprimentos proporciona a eles uma mesma frequência de oscilação.
O Movimento pendular: chama-se pêndulo simples um arranjo formado por um fio de comprimento ℓ que oscila num local onde a intensidade da aceleração gravitacional vale g e tem apenas uma frequência natural de oscilação f, cuja relação é dada por:
Caso uma determinada quantidade de energia seja fornecida ao sistema, e se essa energia tiver a mesma frequência natural de vibração do pêndulo simples, teremos a ocorrência do fenômeno da Ressonância.
Como o sistema funciona...
Após alguns solavancos, o balanço começa a executar um movimento pendular. Como o pêndulo simples (bloco vermelho) possui o mesmo comprimento do balanço, pode-se dizer que as suas frequências naturais de vibração são as mesmas. Assim, parte da energia de vibração do balanço será transferida para o pêndulo vermelho e, na medida em que a amplitude do balanço diminuir, a amplitude do pêndulo vermelho aumentará, caracterizando o fenômeno da Ressonância. Então:
Ressonância é o fenômeno em que um sistema recebe energia,
periodicamente, em uma de suas frequências naturais de vibração.
Outros sistemas onde esses princípios ocorrem:
Relógio de pêndulo: Há bem pouco tempo, o pêndulo simples era usado para se obter uma base de tempo segura para o funcionamento de relógios, pois sua forma de construção, simples e barata, fez desse aparelho um sucesso em todo o mundo. Hoje, em vez do pêndulo, usam-se como referenciais de comparação para a medida de tempo alguns tipos de osciladores eletrônicos.
Ponte de Tacoma: um caso clássico sobre a ocorrência do fenômeno da Ressonância foi o desabamento da Ponte de Tacoma no ano de 1940, em Washington, Estados Unidos, quatro meses após a sua imponente inauguração. O vento contínuo fez com que a estrutura da ponte oscilasse numa de suas frequências naturais de vibração, levando-a a total destruição. É importante lembrar que, a partir desse brutal acidente, houve uma mudança significativa na concepção de projetos dessa magnitude.
(Referência: apostila de treinamentos do Parque CienTec/USP - Roteiro da Energia, 103pp., de Sílvio Pélico, 2003.)
Perguntas frequentes:
1) No fenômeno da Ressonância, toda a energia de vibração de um pêndulo é transferida para o outro pêndulo?
Resposta: Não! Parte dessa energia acaba se dissipando no processo de transferência (na forma de calor, energia sonora etc.). É por isso que, com o passar do tempo, ambos os pêndulos tendem a parar.
2) A massa de um pêndulo tem influência no seu período de oscilação?
Resposta: Não! O período de oscilação de um pêndulo não depende da sua massa pendular. Na verdade, o período de oscilação só depende do comprimento ℓ do pêndulo e da intensidade da gravidade (g) local.
3) Uma estrutura possui apenas uma frequência de vibração?
Resposta: Não! Geralmente uma estrutura costuma ter várias frequências de vibração. Aliás, é importante ressaltar que alguns tipos de construções (edifícios, pontes, viadutos etc.) precisam ter, por motivos de segurança, diversas frequências naturais de vibração, para que o fenômeno da Ressonância não venha a ocorrer com grande intensidade.
4) É possível quebrar uma taça de cristal ou uma vidraça com apenas um grito?
Resposta: Não! A Ressonância é caracterizada pela transferência periódica de energia para um determinado sistema, o que não ocorre no caso de apenas um grito. Talvez, num ambiente adequado, um cantor de ópera, dotado de grande capacidade vocal, possa realizar tal feito. Para tanto, teria que emitir uma nota musical constante e com a mesma frequência natural de vibração da taça de cristal, por exemplo.
Autoria:
Bassini, A. (2021) Gangorra Solidária.
Créditos detalhados