Fap0459/textos/grupo Felipe/Igino/Josiane/Raphael

Introdução

Este trabalho tem como objetivo dar fundamentos de alavancas a alunos do Ensino Médio usando experiências, simulações, experimentos pensados e textos. Procuramos dar um enfoque em situações cotidianas do dia-a-dia como uma forma de introduzir ao aluno o conceito de torque sem que este estivesse fora do contexto de sua vivência atual. O proposta se constitui na reprodução do trabalho final da discipina FGE0461 - Tecnologia de Ensino de Física I, produzido pela aluna Josiane Vieira Martins, que também é uma das contribuidoras na elaboração deste artigo.

Sobre a proposta

Aquí não é necessário o papel do professor, espera-se que: após o aluno que atenda os pré-requisitos fizer todas as atividades na ordem que aparece ele saiba explicar os ítens expressos no tópico 6. Nos tópicos 8, 9 e 10 colocamos respectivamente exercícios conceituais, atividade e problemas junto com as respostas esperadas para que o aluno possa testar seus conhecimentos.

Especificação da População Alvo

• Alunos do Ensino Médio
• Alunos cursando o final do 2º semestre do 1º ano

Pré-Requisitos

• Funções
• Equações do 1º Grau
• Geometria Plana
• Vetores
• Leis de Newton
• Energia
• Trabalho
• Torque
• Força de atrito
• Centro de gravidade

Seleção dos Conteúdos que serão abordados

• Máquinas Simples
• Alavanca

Ao final das atividades espera-se que o aluno saiba:

1. Explicar como uma máquina é capaz de multiplicar a força aplicada sobre ela.
2. Explicar o que acontece com a distância ao longo do qual atua uma força em uma alavanca.
3. Explicar o que acontece com a energia e o trabalho fornecidos em uma alavanca.
4. Descrever o funcionamento e dar exemplos de alavancas.
5. Diferenciar os tipos de alavancas.
6. Resolver problemas que envolvam alavancas.

Seqüência de Aprendizagem

Texto 1

Figura 1	Dê-me um lugar para me firmar e um ponto de apoio para minha alavanca que eu deslocarei a Terra. (Arquimedes, cientista grego)

Este texto vai permitir que ao final dele você possa estar entendendo a citação de Arquimedes e o que acontece na figura 1. Com a evolução, o homem criou instrumentos para facilitar as suas atividades de coleta, pesca e caça que facilitavam ou ampliava sua força, esses instrumentos são chamados de máquinas simples. Dentre as máquinas simples a mais comum é alavanca. Uma alavanca é uma barra que pode girar em torno de um ponto de apoio, temos que a alavanca é constituída de: ponto de apoio, força potente, força resistente, braço da força potente e braço da força resistente. Sendo que o braço da força potente é a distância do ponto que esta sendo aplicado a força potente ao ponto de apoio e o braço da força resistente é a distancia que esta sendo aplicada a força resistente ao ponto de apoio.

Figura 2

Sem as alavancas seria muito difícil fazer atividades como trocar o pneu do carro e tirar um parafuso.

Atividade 1

Verifique experimentalmente em que situação é necessário o uso de mais força:

• Abrir uma porta aplicando a força o mais próximo possível do eixo da maçaneta e depois o mais
  longe possível.
• Girar uma porca usando a mão e usando uma chave de boca.

Percebemos que temos que aplicar mais força quando: abrimos uma porta colocando a força mais próxima do eixo da maçaneta e giramos uma porca usando a mão, esses fatos tornam as propriedades de uma alavanca evidente, no qual as alavancas podem:

• Alterar a direção de uma força
• Aplicar uma força a distância
• Aumentar uma força
• Aumentar um movimento

Atividade 2

Utilizando o programa de simulação Princípio da Alavanca que está no seguinte endereço:
http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/content/view/full/447/(offset)/20
reproduza as situações abaixo e coloque os resultados na tabela1 e comente os resultados:

1. força resistente = 2x força potente
   braço resistente = braço potente
2. força resistente = 2x força potente
   braço potente = 2x braço resistente
3. força resistente = 2x força potente
   braço resistente = 2x braço potente

	Força resistente x Braço Resistente	Força Potente x Braço Potente
Situação 1	_______________________________	___________________________
Situação 2	_______________________________	___________________________
Situação 3	_______________________________	___________________________

Tabela 1

Na simulação foi verificada que na situação 2, um peso menor consegue equilibrar um maior e pela tabela 1 podemos ver que os resultados dos produtos são iguais. Já nas situações 1 e 3 o produto do peso menor com seu braço é sempre menor que o produto do peso maior e seu braço, em que foi observado que o peso maior levanta o menor como também desequilibra a alavanca para seu lado.

Na simulação vimos que para levantar um peso maior utilizando um peso menor alteramos a distância entre a força e o ponto de apoio (situação 2), assim podemos dizer que o efeito de uma alavanca depende da força aplicada e do braço da força, esse efeito é chamado de momento de uma força, que é o produto das forcas pelos braços que foram colocados na Tabela 1. Podemos observar pela tabela 1 que na situação 2 onde houve equilíbrio os momentos são iguais, isso acontece porque quando uma alavanca está no equilíbrio o torque de um lado da alavanca é igual ao outro.

Texto 2

Temos que para sabermos a vantagem de uma alavanca usamos a seguinte relação:

$vantagem\;\;mec.= \frac{Fr}{Fp}=\frac{Bp}{Br}$

Equação 1

Onde: Fr = força resistente; Fp = força potente; Br = braço resistente; Bp = braço potente.
As alavancas são classificadas como interfixas, inter-resistentes e interpotente.

Alavanca interfixa

Figura 3

Nesse tipo de alavanca o ponto de apoio está entre os pontos onde são aplicados as forças potentes e forças resistentes como é mostrado na Figura.

Figura 4

Como exemplo de alavanca interfixa temos a tesoura, que é uma associação de alavancas interfixas que é mostrada na Figura.

Alavanca Inter-Resistente

Figura 5

Nesse tipo de alavanca a força resistente está entre o ponto de apoio e a força potente.

Figura 6

O martelo é um exemplo de alavanca inter-resistente.

Alavanca Interpotente

Temos que a força potente está entre o ponto de apoio e a força resistente como mostra a figura . Como exemplo temos o pegador de gelo, que é uma associação de alavancas interpotentes.

Figuraxxx

Figura xxxx

<br

Exercícios Conceituais

1- Uma maquina é capaz de multiplicar a força aplicada sobre ela? Se sim, explique em que condições isso acontece.
2- Uma alavanca é capaz de multiplicar a distância ao longo do qual atua uma força?
3- Uma máquina é capaz de multiplicar energia e o trabalho que é fornecida?
4-Classifique os tipos de alavanca [3]:

Respostas esperadas
1- Sim, uma maquina pode aumentar, diminuir ou só mudar a direção de uma força aplicada sobre ela, a força é multiplicada quando a distância da força aplicada até o ponto de apoio é maior que a distância do ponto de apoio a carga (força resistente) a ser levantada.

2- Sim, pois para uma alavanca em equilíbrio termos: para um mesmo torque {$\tau=|F|.|r|.\sin(\theta)$}, temos que quanto menor a força aplicada maior o braço torçor.

3- A energia e o trabalho que é fornecido não podem ser multiplicados, pois se fossem violariam o principio de conservação de energia.

4-
a- Interfixa
b- Inter-resistentes
c- Interpotentes
d- Interpotentes
e- Interfixa
f- Inter-resistente
g- Interfixa
h- Interpotentes
i- inter-resistentes

Atividade

Dado: caixas de fósforo, palitos de sorvete e 10 massas de mesmo peso (moedas, porcas) montar uma alavanca como da figura[1].

Variando os pesos das caixinhas e a distância delas a caixa de apoio responda as questões abaixo:

a- Comentar o que foi verificado experimentalmente.

b- Explicar porque a caixa mais leve consegue levantar a mais pesada.

c- Dar exemplos de alavancas que são usadas no dia-a-dia.

Respostas esperadas
a- Quando o ponto de apoio (caixa de apoio) está no meio da alavanca e o peso da caixinha 1 é igual ao peso da caixinha 2 elas se equilibram, pois a quantidade de esforço que você empurra para baixo é exatamente igual á quantidade de carga que você pode levantar com a outra extremidade.Já quando o peso das caixinhas são diferentes e o ponto de apoio se encontra no meio, a caixinha mais pesada levanta e desequilibra a outra para seu lado. No entanto quando a caixinha 1 está mais próxima do ponto de apoio a outra caixinha consegue levantar ela quando tem o mesmo peso dela e menor peso.
b- A caixinha mais leve consegue levantar a mais pesada por ter distância maior ao ponto de apoio, assim ela necessita de uma força menor aplicada para levantar a outra caixinha.
c- Como exemplo de alavancas podemos citar: macaco hidráulico, pé-de-cabra,alicate, chave de fenda, chave de boca,espremedor de batatas, ante-braço e etc.

Problemas

1-Suponha que você use como alavanca uma barra de 1,80m de comprimento com o ponto de apoio numa extremidade. Que massa colocada a 30 cm do ponto de apoio você pode levantar com uma força potente de 400N?[5]

2-Uma noz é colocada a 2 cm da dobradiça de um quebra-nozes. Se você exerce uma força de 50N num ponto a 15cm da dobradiça, que força de resistência a noz exerce?[5]

3-Suponha que numa pescaria você queira determinar o peso de um peixe e que você saiba que sua vara de pescar pesa 400g o que você faria?[5]

4-O alicate da figura 2 é usado para dobrar fio de cobre. A força motriz aplicada pela pessoa vale 60N. [4]

a- Qual a intensidade da força que comprime o fio?

b- Qual a vantagem mecânica do alicate?

c- Por que a posição do corte fica mais próxima da articulação?

Respostas

1-$Fp\times BP=Fr\times Br\ \ \ \Rightarrow Fr\times 0,3m=400N\times 1,8m \Rightarrow Fr=2400N\ \ que\ \ corresponde\ \ a\ \ 240Kg$

2-$Fp\times BP=Fr\times Br\ \ \ \Rightarrow Fr\times 2cm=50N\times 15cm \Rightarrow Fr=375N$

3-Você determina primeiro o centro de gravidade da vara equilibrando-a sobre a aresta de um canivete. Depois pendure o peixe numa das extremidades da vara. Deslize então a vara para frente e para trás sobre um suporte até equilibrá-la (Figura-xxxxx). Admita que o peso da vara atue no seu centro de gravidade. Meça o braço de alavanca AB da força potente exercida pelo peso da vara; meça o braço de alavanca BO da força resistente exercida pelo peixe (seu peso). Finalmente calcule o peso do peixe pela relação:

Peso do peixe X braço BC = Peso da vara X braço AB.

4-::

a)O alicate é uma associação de alavancas. Ao se apertar o alicate no cabo surge na ponta uma força oposta, que faz com que o fio seja rompido.

Como a alavanca está em equilíbrio temos:

b) $vantagem\;\;mec.= \frac{Fr}{Fp}=\frac{240}{60}=4$

c) Porque, quanto menor a distância do corte até a articulação, maior será a força resistente isto é, maior será a vantagem mecânica.

Bibliografias

Física conceitual
Halliday
[1] WWW.microsoft.com/Brasil/educação/default.mspx
[2] http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/multimidia/simulacoes/mecanica
[3] WWW.feiradeciencias.com.br
[4] Física fundamental –Bonjorno
[5]http://www4.prossiga.br/lopes/prodcien/fisicanaescola/cap3-1.htm
http://www.fisica.net
http://www.revistazoom.com.br