Exercícios: Mecanismos de transformação do movimento

Explique a diferença entre um mecanismo de transmissão e um mecanismo de transformação do movimento, apresentando um exemplo de cada: a corrente da bicicleta em comparação com o parafuso-porca de uma torneira. Que movimento entra e que movimento sai em cada um (rotação ou deslocamento linear)?

Ao girar uma porca em um parafuso, a porca avança ao longo da rosca. Explique que transformação ocorre (rotação em avanço retilíneo) e indique dois objetos do cotidiano que utilizem o mecanismo parafuso-porca, especificando o que se alcança com esse avanço em cada um.

A figura mostra um mecanismo biela-manivela: uma roda que gira (manivela), uma barra articulada (biela) e uma peça que só pode se deslocar entre duas guias (corrediça).

Explique que movimento entra no mecanismo e que movimento sai (o que a corrediça faz enquanto a manivela dá voltas completas) e indique uma máquina real em que ocorra essa transformação.

O pinhão-cremalheira é uma roda dentada que engrena com uma barra também dentada. Explique que transformação ele realiza e associe-o à sua utilização: (a) a direção do automóvel, que converte a rotação do volante na rotação lateral das rodas, e (b) o saca-rolhas de cremalheira, que converte a rotação da manivela na subida da rolha.

Uma came é uma peça com a forma de «pera» que, ao girar, empurra um seguidor, fazendo-o subir e descer. Explique que transformação ela realiza e por que a forma da came determina o movimento exato do seguidor. Apresente um exemplo de uma máquina que utilize cames (máquina de costura, motor de automóvel).

O virabrequim é um eixo com cotovelos, como várias manivelas seguidas, que converte o movimento de vaivém dos pistões na rotação do eixo do motor. Explique em que se assemelha à biela-manivela e onde o encontramos em um automóvel: que movimento entra através dos pistões e que movimento sai para as rodas?

Um excêntrico é uma roda cujo eixo não se encontra no centro: ao girar, a sua borda empurra de forma semelhante a uma came. Explique o que há de semelhante e de diferente em relação à came e por que uma lixadeira elétrica utiliza um excêntrico para vibrar (uma massa descentrada que gira).

A catraca é uma peça com dentes inclinados e uma lingueta que permite a rotação de um eixo em um sentido e a bloqueia no outro. Explique como funciona por meio do exemplo do freio de mão do automóvel ou de uma chave de catraca, e justifique o que aconteceria ao pedalar uma bicicleta se a coroa traseira não tivesse catraca (a roda livre).

A figura mostra um came girando com o seu seguidor apoiado em cima; o movimento do seguidor está por descrever.

Descreva com precisão o que faz o seguidor durante uma volta completa do came (quando sobe, quando desce, quando está no ponto mais alto), explique de que depende esse movimento e justifique como mudaria se o came fosse mais «pontiagudo».

A figura mostra um pinhão de $12$ dentes engrenado em uma cremalheira: para cada dente que passa, a cremalheira avança $5\ \text{mm}$.

Calcule quantos milímetros a cremalheira avança quando o pinhão dá uma volta completa e quantas voltas são necessárias para que ela avance $30\ \text{cm}$. Explique por que esse mecanismo converte a rotação em um deslocamento tão preciso que é utilizado nas impressoras 3D.

Identifique o mecanismo de transformação presente em cada aparelho e explique a transformação que realiza: (a) o limpador de para-brisa do automóvel (um motor gira e as palhetas varrem de um lado para o outro), (b) a furadeira de coluna antiga, de manivela (ao girar a manivela, a broca desce em linha reta para furar) e (c) o pêndulo de um relógio antigo que move os ponteiros. Desenhe o esquema de um deles.

Você pode fazer isso no papel e enviar uma foto com a sua resposta.

Na bomba de pé para encher pneus, empurra-se o êmbolo para baixo e... nada gira. Mas no motor de combustão são os pistões que empurram e o eixo que sai girando. Explique que a biela-manivela funciona nos dois sentidos (de rotação para vaivém e de vaivém para rotação), dando um exemplo de cada sentido de utilização.

O macaco do automóvel levanta uma tonelada girando uma pequena manivela: é um mecanismo parafuso-porca. Explique por que razão consegue levantar tanto peso (cada volta avança muito pouco: muita força em troca de um grande percurso de rotação) e que vantagem prática tem o fato de a porca não se «desenroscar» sozinha com o peso do automóvel.

Para mover uma válvula de um motor, pode-se utilizar uma came ou um excêntrico. Compare ambas as soluções: qual permite projetar o movimento exato da válvula (quanto sobe e em que momento) e qual é mais simples de fabricar, e justifique por que razão nos motores de automóvel se optou pelas cames.

A catraca da bicicleta possui um mecanismo de roda livre: ao pedalar para a frente, arrasta a roda, mas se você deixar de pedalar, a roda continua girando livremente. Explique como a catraca consegue isso (o que bloqueia e o que deixa livre) e o que aconteceria numa bicicleta «de coroa fixa», em que os pedais e a roda são solidários, ao descer uma ladeira.

Pretende-se que uma boneca de brincar acene (braço para cima e para baixo) ao dar corda, o que é um movimento de rotação. Proponha dois mecanismos diferentes capazes de converter essa rotação no vaivém do braço (came com seguidor e biela-manivela com excêntrico), desenhe ambos os esquemas e avalie qual é mais fácil de colocar dentro do brinquedo.

Você pode fazê-lo em papel e enviar uma foto com a sua resposta.

Um estudante monta uma maquete de limpador de para-brisa ligando diretamente o eixo de um motor elétrico de brinquedo (que gira a 3000 rpm com um torque muito pequeno) à manivela das palhetas. Ao colocar as palhetas sobre o para-brisa seco e ligar o motor, as palhetas mal se movem por um instante, vibram bruscamente e o motor fica bloqueado, esquentando rapidamente.

1. Explique as duas razões mecânicas pelas quais esta montagem direta falha (pense na velocidade de rotação adequada para varrer e no torque necessário diante do atrito).

2. Proponha que mecanismo intermediário você deve intercalar obrigatoriamente entre o motor e a manivela para resolver ambos os problemas ao mesmo tempo e justifique a sua escolha.

Em uma máquina de costura industrial, um único motor faz girar um eixo que aciona simultaneamente a agulha (movimento retilíneo alternado vertical) e os dentes de transporte situados na base (que empurram o tecido para a frente em pequenos passos).

1. Após uma avaria, a agulha começa a quebrar continuamente porque os dentes empurram o tecido para trás precisamente quando a agulha está cravada nele. Descreva detalhadamente a sincronização correta entre ambos os movimentos durante um ciclo completo (uma volta do eixo do motor): em quais momentos o tecido deve avançar e em quais momentos deve permanecer parado.

2. Justifique por que, para o movimento da agulha, não se utiliza um mecanismo de pinhão e cremalheira acionado por um motor que mude continuamente de sentido de rotação, e por que se recorre, em vez disso, a uma biela-manivela ou a um came acionados por um motor de rotação contínua.

Projete um brinquedo mecânico: ao girar uma manivela, um pássaro de papelão sobe e desce sobre o ninho. Escolha o mecanismo (came, excêntrico ou biela-manivela), desenhe o esquema completo com a manivela e o pássaro, justifique a sua escolha em comparação com as outras opções e explique como você faria para que o pássaro subisse devagar e descesse de repente.

Você pode fazer isso no papel e enviar uma foto com a sua resposta.

Observe o funcionamento de um saca-rolhas de abas (com dois braços):

1. Ao girar a borboleta superior, a espiral se crava verticalmente na rolha e, ao mesmo tempo, os dois braços laterais vão se levantando sozinhos. Identifique o mecanismo que acopla o eixo central aos braços para conseguir essa transformação.

2. Quando abaixamos os braços com as mãos para extrair a rolha, cada braço atua como uma alavanca. Desenhe ou explique a posição do ponto de apoio (fulcro), da força aplicada e da resistência, e identifique de forma fundamentada a que classe de alavanca corresponde.

3. Se você redesenhasse o saca-rolhas fabricando os braços com o dobro do comprimento, que efeito isso teria sobre a força que você deve aplicar com as mãos para retirar a rolha? Justifique se isso traria alguma desvantagem prática no uso do utensílio.

Uma equipe projeta um elevador de carga para erguer paletes de tijolos em uma obra e está em dúvida entre dois sistemas para reduzir a velocidade do motor e mover o tambor do cabo:

• Opção A: Um trem de engrenagens retas.

• Opção B: Um redutor de rosca sem-fim e coroa.

• Se ocorrer um corte repentino de energia elétrica enquanto a carga estiver suspensa a 10 metros de altura, preveja, de forma fundamentada, o que acontecerá com a carga na opção A e na opção B em função da reversibilidade de cada mecanismo.

• No motor de um automóvel a gasolina, a biela-manivela liga o pistão ao virabrequim. Explique por que, neste caso, é imprescindível que o mecanismo seja totalmente reversível, analisando o que acontece no momento de dar a partida no carro com a chave em comparação com o momento em que o motor já está funcionando sozinho.

Um estudante propõe simplificar o motor de um carro substituindo o comando de válvulas que abre e fecha as válvulas por um virabrequim auxiliar com bielas idêntico ao dos pistões, argumentando que «ambos os mecanismos servem para transformar movimento circular em movimento retilíneo alternativo, logo são intercambiáveis».

1. Refute a proposta dele: analise que tipo de movimento uma biela-manivela descreve necessariamente (suavidade, simetria) e por que razão esse movimento não serve para uma válvula de motor, que precisa abrir muito depressa, permanecer um determinado tempo completamente aberta e fechar de repente.

2. Explique como a came permite solucionar esse problema e que parte da geometria dela você desenharia para controlar o tempo que a válvula permanece aberta sem alterar a velocidade do motor.

3. Por que razão você acha que não se faz o contrário: utilizar cames para mover os pistões principais do motor? Justifique a sua resposta considerando as forças extremas da combustão e a reversibilidade mecânica.