1 – Piões
O pião, um brinquedo encontrado em muitas culturas do mundo e mesmo entre ruínas arqueológicas, tem alguns profundos princípios físicos. O primeiro é a conservação do momento angular, a lei que dita que, na ausência de influências externas, um objeto girando deve se manter girando.
Como o pião gira em cima de um ponto minúsculo, ele experimenta uma quantidade mínima de fricção com a superfície abaixo dele, e assim continua girando por um tempo deliciosamente longo, demonstrando a lei.
Mas, como o atrito, eventualmente, retarda o brinquedo, ele torna-se instável e começa a balançar, levando à demonstração de um outro princípio, chamado de “precessão”. Quando o pião balança, seu eixo de rotação – a linha invisível que corre verticalmente através de seu centro – se inclina para a lateral, fazendo um ângulo.
Este ângulo permite que a força da gravidade exerça um “torque” no pião, colocando giro adicional sobre ele, e isso faz com que ele balance para fora em um arco, ainda girando. Em um esforço para conservar seu momento angular total, o pião precessa mais rápido quanto mais lento gira, o que explica porque normalmente os piões dão um solavanco “para fora” quando o atrito para seu giro.
2-Mola Maluca
Um brinquedo de mola clássico apresenta um pouco de física verdadeiramente surpreendente. Quando você mantém uma mola no ar e a deixar cair, seu fundo permanece totalmente parado até que o resto da mola se junte, para depois cair no chão. Parece pairar no ar, desafiando as leis da física, antes de finalmente cair no chão com o resto da mola (veja no vídeo) – e esse comportamento tem um sentido físico perfeito.
“A explicação mais simples é que a extremidade inferior está parada conforme a gravidade a puxa para baixo, e a tensão a puxa para cima – forças iguais e opostas”, disse o professor Rod Cross. “Nenhum movimento ocorre na extremidade inferior, até ela receber a informação de que a tensão mudou. E é preciso tempo para que a informação se propague através da mola”.
Em suma, uma onda de compressão, que carrega informações sobre o desaparecimento da força para cima, tem que viajar até a mola para que a extremidade inferior “saiba” que a mola foi solta, e deve cair.
O que seria realmente desafiante é se a extremidade inferior da mola caísse no instante em que alguém soltasse a mola. Este tipo de ação nunca acontece na natureza.
3-Ímãs
O que causa o magnetismo? Jearl Walker, professor de física, explica que os campos magnéticos naturalmente irradiam a partir de partículas eletricamente carregadas que compõem os átomos – especialmente elétrons.
Normalmente na matéria, os campos magnéticos de elétrons têm direções diferentes, cancelando-se mutuamente. É por isso que os elétrons em seu corpo não fazem com que você grude na sua geladeira conforme você passa por ela.
Mas, quando os campos magnéticos de todos os elétrons em um objeto se alinham na mesma direção, como ocorre em muitos metais (e, obviamente, nos ímãs), um campo magnético é gerado. Ele exerce uma força sobre outros objetos magnéticos, ou os atrai ou os repele, dependendo da direção de seus próprios campos magnéticos.
Infelizmente, tentar entender o magnetismo em um nível mais profundo é essencialmente impossível. Embora os físicos tenham uma teoria chamada “mecânica quântica”, um corpo de equações que representa com muita precisão o comportamento das partículas (incluindo o seu magnetismo), não há maneira de entender intuitivamente o que a teoria realmente significa, pelo menos por enquanto.
Os físicos se perguntam: por que os campos magnéticos irradiam partículas, o que são campos magnéticos, e por que eles sempre se alinham entre dois pontos, dando a seus ímãs polos norte e sul? “Quando você faz um movimento de partículas carregadas, ele cria um campo magnético e dois polos. Nós realmente não sabemos o porquê. É apenas uma característica do universo, e as explicações matemáticas são apenas tentativas de obter respostas”, disse Walker.
4-Bateria de batata
A construção de uma bateria elétrica de batata (ou limão ou maçã) revela um pouco sobre o funcionamento interno de circuitos elétricos. Para fazer esta experiência científica simples, você insere dois objetos metálicos diferentes – muitas vezes um prego galvanizado e moeda de cobre – na batata, e conecta os fios um com o outro.
Estes fios podem ser anexados em dois terminais de um multímetro (que mede a tensão de um circuito) ou a algo parecido com um relógio digital ou lâmpada. Pode ser preciso duas ou três batatas ligadas em série para gerar tensão suficiente para alimentar esses dispositivos.
A batata funciona como uma bateria, gerando uma corrente de elétrons que flui através do fio. Isso acontece porque o ácido na batata induz uma mudança química no zinco que reveste o prego. O ácido age como um “eletrólito”, ionizando os átomos de zinco ao retirar dois elétrons de cada um deles e deixá-los carregados positivamente.
Os elétrons são conduzidos para longe dos íons de zinco através do fio – e através de quaisquer dispositivos ao longo do circuito – e acabam na moeda de cobre. De lá, eles se juntam com íons de hidrogênio positivos na batata que foram repelidos pelos íons de zinco nas proximidades. O movimento desses elétrons é suficiente para alimentar um relógio de brinquedo ou lâmpada.
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