Bicicleta aérea

Área do conhecimento ligada ao experimento...

Mecânica.

Princípios físicos ligados ao experimento...

Conceito de Centro de Gravidade;

Conceito de Centro de Massa;

Equilíbrio de um corpo extenso.

Princípio correlato ao experimento...

Princípio da Ação e Reação.

Descrição do experimento

O experimento Bicicleta Aérea (foto) revela como é possível manter uma bicicleta suspensa em equilíbrio estável sobre apenas um fio de aço esticado.

O segredo desta estabilidade está baseado no posicionamento do peso (a) a alguns metros abaixo do ponto de apoio (fio) da bicicleta. Deste modo, o centro de gravidade (C.G) do arranjo (bicicleta, haste e peso) foi mantido bem abaixo do ponto de suspensão (b); o que caracteriza, então, a condição de equilíbrio estável do sistema.

É importante ressaltar que as forças atuantes na bicicleta, e que são responsáveis pelo seu equilíbrio estável, estão aplicadas na direção vertical e, essas forças, se anulam entre si, ou seja, têm resultante nula.

Importante!

Antes de explicar o funcionamento da Bicicleta Aérea, é necessário lembrar alguns conceitos ligados à Estática, que é o ramo da Mecânica que estuda as condições de equilíbrio associadas aos corpos e sistemas. Vamos a eles:

Centro de massa:

Centro de massa de um corpo extenso ou de um sistema de partículas é uma idealização utilizada em Física para reduzir o problema da ação de forças externas sobre este corpo ou sistema de partículas. A ideia é tentar reduzi-los a uma partícula de massa igual à massa total do corpo extenso ou do sistema de partículas; posicionada, justamente, no centro de massa. Caso o corpo em questão seja homogêneo e tenha uma forma regular, o centro de massa irá coincidir com o seu centro geométrico (o que não ocorre com o nosso experimento).

Centro de gravidade (C.G):

É um ponto em torno do qual o peso do corpo está igualmente distribuído em todas as direções. O centro de gravidade de um corpo coincide com seu centro de massa quando a aceleração da gravidade tiver o mesmo valor em toda a sua extensão; ou seja, quando a dimensão do corpo for pequena comparada à dimensão da Terra.

Os tipos de equilíbrio:

A figura mostra um toco de madeira retangular e homogêneo onde foram feitos três furos longitudinais.

Um na parte superior do toco, outro no meio e o último na parte inferior.

Quando a haste traspassa o toco através do furo que coincide com o centro de gravidade do corpo (1), ocorre a condição de equilíbrio indiferente. Quando a haste traspassa através do furo superior (2), temos a condição de equilíbrio estável; ou seja, o centro de gravidade (C.G) se encontra abaixo do ponto de suspensão. E, por último, quando a haste passa pelo furo inferior (3), temos a condição de equilíbrio instável.

Como o sistema funciona.

Agora que já relembramos alguns conceitos pertinentes à Estática, poderemos compreender melhor as condições associadas ao nosso experimento: Bicicleta Aérea. Para tanto, é preciso analisar com cuidado as forças de campo (P) e também as forças de contato (Fn) que atuam no sistema. De fato, as forças de campo e de contato podem atuar nas mais variadas direções (x, y e z; no caso do sistema de referência ser triortogonal, por exemplo).

Note que, em nosso experimento, Bicicleta Aérea, tanto a força de campo (peso) quanto a força de contato (normal) possuem a mesma intensidade e atuam, também, numa mesma direção, que é a vertical (y); porém, em sentidos opostos. Daí o fato do sistema (bicicleta e peso) estar em equilíbrio, pois as forças estão atuando no mesmo corpo (bicicleta).

Note também que o conjunto satisfaz a condição pressípua de equilíbrio estável: que é a de manter o centro de gravidade (C.G) abaixo do ponto de contato, como mostra a ilustração.

Forças de Ação e Reação:

Muito cuidado! É comum o aluno confundir as forças “Fn” e “P” como um par: Ação e Reação. Não custa lembrar que:

As forças de Ação e Reação estão aplicadas em corpos distintos e, portanto, nunca se equilibram.

Em nosso caso, as forças “Fn” e “P” estão aplicadas ao mesmo corpo (bicicleta) e, pelo fato de terem as mesmas intensidade e direção, podem se equilibrar, pois atuam em sentidos opostos.

Sistemas parecidos...

As duas situações mostradas nas ilustrações ao lado mostram três condições importantes associadas ao equilíbrio estável de um sistema. Vamos a elas:

1) O centro de massa coincide com o centro de gravidade do arranjo;

2) Tanto a força norma (N) quanto a força peso (P) estão aplicadas numa mesma direção (vertical);

3) O centro de gravidade (C.G) do “arranjo equilibrista” está abaixo da linha do seu ponto de suspensão.

Perguntas freqüentes:

1) Se um sistema qualquer apresentar uma distribuição uniforme de massas, então o centro de massa coincidirá com o seu centro geométrico?

Resposta: Sim! Por exemplo: o centro de massa de uma esfera homogênea coincide com o seu centro geométrico.

2) O centro de massa de um sistema, necessariamente, tem massa?

Resposta: Nem sempre! Note: o centro de massa de um anel homogêneo é o seu centro geométrico. Neste caso, não existe massa na posição do centro de massa.

3) O que vem a ser o centro de gravidade de um corpo sólido?

Resposta: O centro de gravidade de um corpo sólido pode ser definido como o ponto pelo qual ele deve ser suspenso para permanecer em equilíbrio indiferente.

Glossário:

Ponto de suspensão: É o ponto no qual o arranjo equilibrante se sustenta (Fulcro).

Referencial triortogonal: É um sistema constituído por três coordenadas cartesianas (x, y e z, por exemplo).

Links:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Est%C3%A1tica

http://www.conviteafisica.com.br/home_fisica/voce_sabia/cm_cg.htm

http://www.eduquenet.net/equilibriocorpos.htm

Créditos...

Sistemas: lápis-arame-bolas e garfos-rolha-ovo

http://www.feiradeciencias.com.br

Toco de madeira:

http://www.feiradeciencias.com.br

Autoria:

Bassini, A.; Pusceddu, L. (2020) Bicicleta aérea.

Créditos detalhados

Autores:

Ailton Marcos Bassini - bassini@usp.br

Luca Hermes Pusceddu