Maquinas Simples: o que são, tipos, exemplos

Máquinas simples são ferramentas ou instrumentos que facilitam o trabalho e execução de tarefas simples do dia a dia.

Como exemplos de máquinas simples podemos destacar as tesouras, abridor de garrafas, saca-rolha, cortador de unha, entre outros, são utensílios domésticos que facilitam a vida diária, diminuindo a força que devemos aplicar para realizar as tarefas comuns.

Todos esses objetos funcionam baseados nos princípios de máquinas simples.

Nesta aula estudaremos os princípios de funcionamento dessas máquinas.

Funcionamento das máquinas simples

A imagem que você vê é uma cena do filme Tempos Modernos, que estreou em 1936, tendo sido interpretado e produzido por Charles Chaplin. O filme satiriza situações do cotidiano dos trabalhadores no início do século XX e questiona a relação homem-máquina.

A cena em que Carlitos é engolido pelas engrenagens do maquinário tornou-se um clássico do cinema mundial e nos revela como essa relação pode ser contraditória. A máquina ajuda, mas usada de maneira extrema também escraviza, obrigando a um ritmo cada vez mais acelerado e a uma produção sempre maior.

Agora, pense um pouco sobre as máquinas. O que você entende por máquina?

Alguma coisa como a máquina do filme?

Ou algo como máquinas de lavar roupa, de lavar louça, de cortar grama, de costura, ou ainda carros, aviões, máquinas de guerra etc.

Certamente são máquinas, mas máquinas complexas, formadas por grande número de peças, de engrenagens, de parafusos etc.

As máquinas que iremos estudar neste módulo são denominadas máquinas simples, justamente porque suas estruturas são tão simples que às vezes parece estranho chamá-las de máquinas. Apesar desse estranhamento, as máquinas simples, assim como as complexas, nos auxiliam a realizar trabalho.

Alavanca

No século III a.C., o sábio Arqui-medes realizou inúmeros experimentos testando o funcionamento das alavancas e descobriu as relações que regem seu funcionamento. Ficou tão entusiasmado que teria afirmado:

“Deem uma alavanca e um ponto de apoio e eu deslocarei o mundo”.

Como você pode ver na ilustração, a alavanca nada mais é do que uma barra rígida (de madeira, metal ou outro material) que se move apoiada sobre algum tipo de suporte, o ponto de apoio.

Nas alavancas podemos identificar alguns elementos: o ponto de apoio, a força potente – que em nosso exemplo é o esforço feito por Arquimedes – e a força resistente, que no caso seria o mundo, ou seja, o objeto que se pretende deslocar.

Se fizermos um esquema de alavanca identificaremos ainda: o braço de alavanca da força potente e o braço de alavanca da força resistente. Veja:

Em seus experimentos, Arquimedes concluiu que uma alavanca está em equilíbrio quando:

F1 . D1 = F2 . D2

Desse modo, ele percebeu que para manter o equilíbrio da alavanca bastaria aumentar a distância do ponto de aplicação da força ao ponto de apoio e com isso, teoricamente, poderia até deslocar algo tão grande quanto a própria Terra.

Deixando um pouco o entusiasmo de Arquimedes de lado, a verdade é que essa propriedade das alavancas é muito útil, e explica porque os mecânicos aumentam o braço das chaves de roda quando precisam retirar os parafusos que prendem a roda.

Veja também:

• Acústica – o estudo do som
• Movimento ondulatório
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• Trabalho, potência e energia: fórmulas, resumo e exercícios
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• Leis de Newton: exercícios resolvidos, fórmulas – Resumo
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• Mecânica Cinemática – Definição exercícios resolvidos aplicação

Tipos de alavancas

As alavancas são classificadas de acordo com a posição de seus elementos. Veja nos esquemas os tipos de alavancas e exemplos de objetos de nosso cotidiano que, na verdade, são alavancas.

Alavancas interfixas: quando o ponto de apoio fica entre a força resistente e a força potente. Veja:

Exemplos de alavancas interfixas: as tesouras, os alicates, os martelos e os guindastes.

Alavancas inter-resistentes: são aquelas em que a força resistente fica entre a força potente e o ponto de apoio.

São exemplos de alavancas inter-resistentes: os quebra-nozes, os carrinhos de mão e a articulação do pé humano.

Alavancas interpotentes: são aquelas em que a força potente fica entre o ponto de apoio e a força resistente.

São exemplos de alavancas interpotentes: as pinças e a articulação do cotovelo humano.

Roldana

Uma roldana é um disco que gira em torno de um eixo e possui um sulco (fenda), por onde passa algum tipo de cabo.

As roldanas podem ser fixas a um ponto ou móveis e, como toda máquina simples, facilitam o trabalho.

Vá até um mastro da bandeira e dê uma olhadinha nas roldanas fixadas a ele. Veja como elas mudam o sentido de aplicação da força: a corda é puxada para baixo e a bandeira sobe.

Essa é a grande vantagem das roldanas fixas: o redirecionamento de aplicação da força porque, quanto à intensidade da força a ser usada, não há ganho. A força aplicada (potente) é igual à força resistente.

As roldanas auxiliam em diversas atividades. Você mesmo já deve ter visto roldanas em ação. Veja dois exemplos em que as roldanas fixas facilitam o trabalho.

Quando se tira água de um poço, o balde desce ao fundo e volta, graças ao auxílio de uma roldana. Nas cerimônias de hasteamento das bandeiras, lá estão as roldanas fixas, presas ao mastro. Elas redirecionam o sentido de aplicação da força e permitem a subida

Reduzem a força aplicada e movimentam-se junto com o objeto transportado, pois seu eixo não é fixo.

Em uma roldana como a representada no esquema, o peso do corpo está sustentado por duas forças: uma exercida pelo suporte fixo e outra pela pessoa.

Portanto, usando uma roldana como essa, é possível sustentar um objeto exercendo uma força de intensidade igual à metade do peso dele.

Associação de roldanas

São usadas quando há necessidade de erguer objetos muito pesados. Quando o sistema é formado por uma roldana fixa e diversas móveis, determinamos a força a ser aplicada dividindo a força resistente por 2ⁿ, onde n será o número de roldanas móveis do sistema. Veja nos exemplos abaixo algumas situações:

Em A a roldana é fixa e já vimos que esse tipo de roldana não produz alteração na intensidade da força a ser aplicada, portanto, para um peso R será preciso aplicar uma força F de valor igual (F = R). Em B, temos um sistema com uma roldana fixa e uma móvel, então

RR

2¹ = 2, a força a ser aplicada será 2 (F = -2-), ou seja, a metade do peso do corpo; em C, o sistema

é formado por uma roldana fixa e duas móveis. Por isso, teremos 2² = 4, a força aplicada deverá RR

ser de -7- (F = -7-) ou seja terá 1/4 do peso do objeto; finalmente, em D, a força deverá ter 44 intensidade de 2³ , porque há três roldanas móveis no sistema, então a força a ser aplicada RR terá intensidade de (F = -£-), isto é, oito vezes menor do que o peso do objeto.

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Há outras composições usando roldanas. Nos navios e guindastes do cais dos portos, essas combinações ajudam a movimentar cargas de muitas toneladas.

Plano inclinado

Plano inclinado é toda superfície reta que tenha alguma inclinação. Por exemplo, uma ladeira é um plano inclinado.

Observe a acentuada subida. Se, por um lado, um plano inclinado permite o acesso a áreas mais altas com menor esforço, por outro, ele torna o caminho mais longo.

Podemos dizer que quanto menor o ângulo do plano inclinado, maior a distância a ser percorrida, porém menor a força a ser aplicada.

Imagine como seria possível ir do litoral a alguma cidade serrana se não fosse com o uso dos planos inclinados! Teríamos todos de ser alpinistas.

Percebeu como os planos inclinados são importantes? Eles, como todas as máquinas simples, facilitam o trabalho.

Dos planos inclinados derivam-se algumas outras máquinas como a cunha e o parafuso. Cunha

As cunhas se formam pela justaposição de dois planos inclinados unidos por suas bases. As lâminas cortantes de instrumentos como facas, machados e cinzéis, utilizam-se de cunhas.

São planos inclinados “enrolados” ao redor de um eixo. Veja no desenho, cada volta do plano corresponde a uma saliência do parafuso.

Procure lembrar alguns usos dos parafusos. Anote. Agora vamos ver se você lembrou de outras coisas além da função de fixar objetos.

Além de manter unidos pedaços de madeira ou metal, os parafusos auxiliam a executar movimentos, como um banco de piano que sobe e desce com auxílio de um parafuso.

Também são parafusos as hélices de navios e aviões, bem como no passado muitos instrumentos de moagem eram formados por grandes parafusos. Brocas de perfuração também são grandes parafusos. Olhe um saca-rolhas, por exemplo. Na verdade, ele é um parafuso.

Algumas peças de uma máquina de moer grãos também são parafusos, observe a peça que vai no centro e faz a moagem.

Exercício resolvido

1. Lucas e Fernanda têm massa de 60kg e 40kg, respectivamente, e queriam brincar de gangorra. Se cada lado da gangorra tem 1,5m, a que distância do centro Lucas deve se sentar para que a gangorra fique em equilíbrio, sabendo que Fernanda está numa extremidade da gangorra.

Solução:

Usando a relação F₁. d₁ = F₂. d₂, teremos:

F₁ = será o peso de Lucas = 60kg . 10m/s^z = 600N

F₂ = será o peso de Fernanda = 40kg . 10m/s^z = 400N

d₁ = será a distância que procuramos = x

d₂ = será a distância de Fernanda ao centro da gangorra = 1,5m

600 . x = 400 . 1,5

600 x = 600

x= 600/600

x = 1 metro

Lucas deve se sentar a 1m do centro da gangorra.

Sugestão de exercícios

1. O que é uma alavanca?

2. Qual a vantagem dada por uma roldana fixa?

3. Uma tesoura é uma alavanca interfixa. Mas ela também é formada por outro tipo de máquina simples. Qual é? Onde vamos encontrá-la?

4. Um operário precisa colocar um objeto de 240kg sobre uma laje no segundo andar de uma construção. Para isso ele dispõe de um sistema de roldanas formado por 1 roldana fixa e 3 roldanas móveis. Qual a força que ele precisará realizar para cumprir sua tarefa?

Referências bibliográficas

• LIMA, Maria Conceição Barbosa; DE CARVALHO, Anna Maria Pessoa. Linguagem e o ensino de física na escola fundamental. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 20, n. 1, p. 86-97, 2003 https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/viewFile/6567/6049
• ZANETIC, João. Física e cultura. Ciência e Cultura, v. 57, n. 3, p. 21-24, 2005. http://cienciaecultura.bvs.br/scielo.php?pid=S0009-67252005000300014&script=sci_arttext&tlng=en