• O princípio de funcionamento de uma mola.
• Os diferentes tipos de molas que existem, algumas aplicações desse dispositivo e que profissionais o utilizam.
• Um método para medir a constante elástica de uma mola.
• O que é uma associação de molas e como isso afeta as propriedades elásticas das molas.

100 minutos.

• conceito de força;
• conceitos de energia mecânica (cinética + potencial);
• lei de Hooke.

As atividades dessa aula devem ser realizadas num laboratório de Física. Além dos materiais necessários às atividades, são necessários recursos multimídia (projetor multimídia e computador conectado à internet). A turma deve ser dividida em grupos de, no máximo, 5 estudantes.

Para as atividades, o professor deve solicitar aos estudantes de cada grupo, com a antecedência que julgar adequada, que tragam molas de diferentes tipos e materiais, uma para cada membro da equipe, que devem ser numeradas para identificação. Baseando-se nas informações da tabela 1, eles deverão também pesquisar as características das molas que levarem, suas possíveis utilidades e seu uso por diversos profissionais. Os estudantes participarão de uma competição em que serão avaliados alguns quesitos, as equipes que levarem os tipos de mola mais incomuns (em relação ao formato, funcionamento e material) ganharão pontos, também será avaliado o conhecimento de cada grupo sobre o funcionamento das molas, suas aplicações e quais profissionais se utilizam delas. Ao final dessa primeira atividade, o professor realizará uma exposição  com o objetivo de fazer uma rápida revisão sobre molas, apresentando imagens de diversos tipos de molas e comentando sobre algumas de suas muitas aplicações e que profissionais se utilizam delas. A proposta da exposição é proporcionar aos estudantes a oportunidade de uma possível complementação dos conhecimentos obtidos através da atividade, como a informação sobre algum tipo de mola diferente das que levaram. A segunda atividade é experimental. O professor explorará junto aos estudantes como se pode medir a constante elástica de uma mola. Na terceira atividade, outra exposição trabalhará conceitos envolvidos nas associações de molas em série e em paralelo. Através de atividade experimental serão exploradas as propriedades elásticas da mola resultante de uma associação de molas em série e em paralelo.

 

Atividade 1. O que é uma mola, quais suas propriedades, tipos e aplicações

 

Recursos didáticos

• Aula expositiva com uso de recursos multimídia.
• Competição.

 

Material

• Molas de diferentes modelos e diferentes valores de constante elástica (uma para cada membro da equipe). Elas serão providenciadas pelas equipes e devem ser numeradas.
• 1 régua de 30cm.

Observação: esse material é para uma equipe de estudantes.

 

Procedimento

• Cada equipe de estudantes fará uma apresentação de 10 minutos sobre o que é uma mola, suas propriedades, utilidades e quais profissionais as utilizam. A equipe deve apresentar cada uma das molas que levar e mostrar um resumo de suas características, utilidades etc, segundo os dados da tabela 1.

 

Número da mola	Tipo de mola	Material	rígida/média/flexível	Possível utilidade
5	Helicoidal de compressão	Aço	rígia	Selim de bicicleta
3		Aço	média	Cama de molas

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 1. Tipos de molas, materiais, propriedades e possíveis utilidades.

Observação: Espera-se que as informações para o item grau de flexibilidade (rígida, média, flexível) sejam relacionadas à maior ou menor força aplicada para alterar o comprimento natural da mola.

• O professor e as outras equipes que assistem às exposições darão nota para cada apresentação, levando em conta o conteúdo apresentado, a organização e o envolvimento de cada membro da equipe com o tema. Ao final das apresentações, antes de serem computados os pontos, será indicada, por aclamação, a equipe que apresentou os tipos de molas mais incomuns, que receberá pontuação extra.
• Finalmente, os pontos serão computados e será conhecida a equipe vencedora (ou mais de uma, se houver empate). O prêmio fica a critério do professor.
• O professor pode finalizar a atividade com uma exposição sobre molas, abordando o conceito de mola, qual o seu princípio de funcionamento, propriedades, aplicações etc. A proposta da exposição é proporcionar aos estudantes a oportunidade de uma possível complementação dos conhecimentos obtidos através da atividade e, certamente, o professor poderá melhorar sua apresentação com as informações trazidas pelos estudantes. O professor deverá destacar alguma informação nova, trazida pelos estudantes, durante a sua apresentação. Abaixo, sugerimos um texto intitulado: "Molas: como funcionam, tipos e utilidades", que elaboramos tomando por base informações encontradas nos endereços: http://pt.wikipedia.org/wiki/Mola, http://www.if.ufrgs.br/mpef/ieeefis /Lang/Espirais%20como%20molas.pdf e http://www.stockmolas.com.br/definicoes-historia-molas.html. O texto deve ser trabalhado através de uma exposição com data-show, para maior agilidade e melhor visualização dos detalhes das figuras.

 

Molas: como funcionam, tipos e utilidades

Uma mola é um dispositivo elástico e flexível que armazena energia em sua forma potencial. Em geral, são confeccionadas em arame de aço temperado ou outros materiais resistentes, mas, dependendo da finalidade, dispositivos confeccionados em borracha ou plástico desempenham funções iguais à de uma mola.

Quando está isolada, uma mola permanece em equilíbrio e não possui energia potencial armazenada. Se pressionada ou esticada, a mola reage com uma força contrária à que nela atua. A força que atua na mola altera alguma propriedade física dela (em geral, essa propriedade é o comprimento). Enquanto permanece comprimida ou esticada, a mola possui energia potencial (no caso, potencial elástica) armazenada. Se a força deixa de atuar, a mola libera energia potencial rapidamente, tendendo a voltar ao equilíbrio.

Muitos dispositivos simples com os quais lidamos em nosso dia-a-dia têm  princípio de funcionamento semelhante ao de uma mola. Por exemplo, clip ou outro dispositivo usado para prender folhas de papel, gominhas usadas para pressionar um maço de notas (dinheiro), prendedores de roupas, as atiradeiras usadas para arremessar pequenas pedras ou os arcos usado pelos índios. As molas, ou um conjunto delas, são utilizadas em camas, selins de bicicleta, sistemas de amortecimento para automóveis, como equipamentos que dentistas usam em ortodontia e outros.

As molas helicoidais são as mais comumente encontradas. Elas podem ser de compressão (como as utilizadas nos sistemas de amortecimento dos automóveis, nos selins de bicicleta e furadores de papel) ou de tração (como as encontradas em camas de molas, fechaduras, relógios). Há também as molas de torção (usadas em relógios, pregadores de roupa, pregadores de cabelo) e as molas em T, usadas em equipamentos odontológicos. Existem até dispositivos, que são considerados molas, que o fabricante produz de acordo com a necessidade do cliente, essas são denominadas molas especiais. Diversos materiais são utilizados para a fabricação das molas, como o aço carbono, aço inoxidável, titânio e até plástico. O material é usado de acordo com as características que a mola terá, como resistência e flexibilidade. Abaixo, temos diversas figuras sobre molas e equipamentos em que são utilizadas e sobre os materiais utilizados na produção dessas molas.

 

Figura 1. Molas helicoidais de compressão. Figura retirada de: http://www.flickr.com/photos/64795140@N07/5901503022/in/photostream

Figura 2. Molas helicoidais de tração. Figura retirada de: http://stockmolas.com.br/molas/img_tracao.jpg

 

Figura 3. Molas de torção. Figura retirada de: http://www.dakomolmolas.com.br/molascaracol.jpg

 

Figura 4. Espirais de caderno (material plástico) podem ser usadas como molas em experimentos didáticos. Figura retirada de: https://ssl1497.locaweb.com.br/miaminautica/loja_moto/config/imagens_conteudo/produtos/imagensGRD/GRD_1607_mola_d_g.jpg

 

Figura 5. Clips de prender papel. Figura retirada de http://www.geeky-gadgets.com/wp-content/uploads/2009/06/iphone-icon-paperclip-bookmarks_1.jpg

Figura 6. Dispositivo para prender papéis (mesmo princípio de funcionamento do clipe e do prendedor de roupa). Figura retirada de:  http://4.bp.blogspot.com/__l3bbBQLyVw/TQJ413FzGMI/AAAAAAAAAEc/cv_VoM3vDjo/s1600/1.jpg

 

Figura 7 . Molas T  (G1) e T com helicóides (G2). Essas molas são utilizadas em tratamentos odontológicos e são fabricadas em aço inoxidável ou beta titânio, materiais muito resistentes. Figura retirada do documento encontrado no endereço: http://www.scielo.br/pdf/dpress/v11n5/a07v11n5.pdf

 

Figura 8. Selim de bicicleta. Figura retirada de: http://www.bicisport2.com.br/produtos/admin/imagens/produtos/1290042082_SELIN_COURO_3_MOLA_OK.jpg

 

Figura 9. Sistema de amortecimento de carro. Figura retirada de: http://images02.olx.pt/ui/13/77/07/1300286815_103607007_1-Fotos-de--Molas-Eibach-Pro-Kit-Mercedes.jpg

 

Realizadas as atividades, os estudantes deverão responder ás seguintes questões:

1. Cite três tipos de molas e suas aplicações.

2. Cite três profissionais que utilizam algum tipo de mola em sua profissão e como são utilizadas.

 

 

Atividade 2.  Medida da constante elástica de molas

Essa atividade tem por objetivo medir a constante elástica de algumas molas helicoidais por intermédio da lei de Hooke. O professor pode chamar a atenção dos alunos para o fato das molas rígidas possuírem constante elástica grande e darem resposta rápida a uma determinada perturbação. As molas flexíveis, ao contrário, possuem constante elástica pequena e respondem lentamente às perturbações.

 

Material

• Um conjunto com três molas helicoidais de constantes elásticas bem diferentes (flexível, média e rígida);
• um suporte para pendurar mola;
• uma régua (30 cm);
• uma massa aferida (M = 200 g).

O professor deverá disponibilizar o material para cada equipe de estudantes.

Observação: os dados obtidos nas medições indicadas nas etapas do procedimento descrito logo abaixo, deverão ser inseridos na tabela 2.

 

Procedimento experimental

1. Para cada uma das trës molas, utilizando-se de uma régua, o estudante deverá medir o seu comprimento natural;
2. após a medição dos comprimentos naturais, prender uma das molas ao suporte, pendurar a massa e medir o comprimento da mola distendida. Em seguida, através de um puxão, tirar a massa da posição de equilíbrio e perceber se ela oscilará rapidamente ou lentamente;
3. repetir a etapa 2 para as outras duas molas;
4. calcular a elongação x, ou seja, a diferença entre o comprimento da mola distendida e o comprimento natural (ver tabela 2);
5. calcular o valor da constante elástica k através da relação:  k = (Mg /x);
6. após todos os grupos preencherem a tabela, um representante de cada grupo apresentará os resultados obtidos para a turma. Assim, cada grupo poderá observar qual foi o maior e o menor valor das constantes elásticas medidas.

 

Número da mola	Comprimento natural (m)	Comprimento da mola distendida (m)	Elongação x (m)	K (N/m)
Mola 1
Mola 2
Mola 3

 

 

 

 

 

 

Tabela 2. Medidas de constantes elásticas de molas.

 

Figura 10. Mola rígida (constante elástica grande) sujeita ao peso de um objeto. Se o sistema for tirado do equilíbrio através de um pequeno puxão, o objeto oscilará rapidamente (frequência alta). Figura retirada de: http://efisica.if.usp.br/mecanica/ensinomedio/elasticidade/experimento/

 

Figura 11. Mola flexível (constante elástica pequena) sujeita ao peso de um objeto. Se o sistema for tirado do equilíbrio através de um pequeno puxão, o objeto oscilará lentamente (frequência baixa). Figura retirada de: http://efisica.if.usp.br/mecanica/ensinomedio/elasticidade/experimento/

 

Realizadas todas as etapas do procedimento, cada grupo deverá responder as seguintes questões:

1. A maior elongação ocorreu para uma mola de maior ou menor rigidez?

2. Para que uma mola execute oscilações rápidas quando perturbada, sua constante elástica deve ser pequena ou grande? (Se necessário, repita a etapa 2)

3. Associe as colunas relacionando a massa a ser sustentada pela mola com a sua constante elástica para que a elongação seja igual a 1 cm, em cada caso.

	Carga para a mola		Constante elástica (N/m)
1	Um elefante adulto (médio)		50
2	Um pacote de arroz (grande)		1.000.000
3	Um pacote de leite longa vida		5.000
4	Um automóvel pequeno		5.000.000
5	Um pão de sal pequeno		1.000

 

 

 

 

 

 

 

Atividade 3: Associação de molas

 

Recursos didáticos

• Aula expositiva com uso de recursos multimídia.
• Atividades experimentais.

 

Material

• duas molas de constantes elásticas distintas (utilizar duas das molas cujas constantes já foram medidas na atividade 2);
• massa aferida (200 g);
• suportes para as molas.

O professor deverá disponibilizar o material para cada equipe de estudantes.

 

O objetivo dessa atividade é verificar o que ocorre quando duas molas são associadas em série e em paralelo. Os estudantes deverão verificar que, no caso da associação em série, a constante k da mola equivalente (resultado da associação  das duas molas de constantes k₁ e k₂) é calculada pela expressão (1/k) = (1/k₁) + (1/k₂) e, no caso da associação em paralelo, pela expressão k = k₁ + k₂.

No início da atividade, o professor deve fazer uma dedução das expressões para a constante elástica resultante. Informações para essa finalidade podem ser encontradas nos endereços:

http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=rip&cod=_associacaodemolasemserie-mecanica-txtmec0022 e http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=rip&cod=_associacaodemolasemparalelo-mecanica-txtmec0023.

O professor pode ainda apresentar as generalizações das expressões para um número maior de molas (N molas):

(1/k)  =  (1/k₁) + (1/k₂) + ... + (1/k_N)     (associação de N molas em série)

k  =  k₁ + k_{2 + ... +}  k_N                               (associação de N molas em paralelo)

Segue abaixo figuras com ilustrações de associações de molas em série e em paralelo.

 

 

Figura 12. Associação em série de duas molas. Figura retirada do endereço:

http://www.cienciamao.usp.br/dados/rip/_associacaodemolasemserie-mecanica-txtmec0022.2.jpg?110422072652

 

 

                  

Figura 13. Associação em paralelo de duas molas. Figuras retiradas dos endereços:

http://www.cienciamao.usp.br/dados/rip/_associacaodemolasemparalelo-mecanica-txtmec0023.2.jpg?110422072653

http://www.cienciamao.usp.br/dados/rip/_associacaodemolasemparalelo-mecanica-txtmec0023.3.jpg?110422072653

 

 

Procedimento experimental

1. Inserir, na tabela 3, os valores das constantes elásticas das duas molas;
2. calcular o valor da constante elástica da associação em série usando a expressão: (1/k) = (1/k₁) + (1/k₂);
3. inserir, na tabela 3, o valor da constante elástica calculado para a mola resultante da associação em série - MOLA RS.
4. realizar a montagem para a associação em série (ver figura 12);
5. medir o comprimento natural da MOLA RS;
6. pendurar a massa aferida na MOLA RS;
7. medir o comprimento da MOLA RS alongada, calcular x e inserir o dado na tabela 3;
8. calcular o valor da constante elástica k, da MOLA RS, através da relação:  k = (mg /x). Inserir o dado na tabela 3.

 

	x (m)	K (medido) (N/m)	K (valor calculado para a mola associada) (N/m)	K (valor medido para a mola associada) (N/m)
Mola 1
Mola 2
Mola associada

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 3. Medida da constante elástica da mola resultante da associação de duas molas em série.

 

1. Inserir, na tabela 4, os valores das constantes elásticas das duas molas;
2. calcular o valor da constante elástica da associação em paralelo usando a expressão: k = k₁ + k₂;
3. inserir, na tabela 4, o valor da constante elástica calculado para a mola resultante da associação em paralelo - MOLA RP.
4. realizar a montagem para a associação em paralelo (ver figura 13);
5. medir o comprimento natural da MOLA RP;
6. pendurar a massa aferida na MOLA RP;
7. medir o comprimento da MOLA RP alongada, calcular x e inserir o dado na tabela 4;
8. calcular o valor da constante elástica k, da MOLA RP, através da relação:  k = (mg /x). Inserir o dado na tabela 4.

 

 

	x (m)	K (medido) (N/m)	K (valor calculado para a mola associada) (N/m)	K (valor medido para a mola associada) (N/m)
Mola 1
Mola 2
Mola associada

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 4. Medida da constante elástica da mola resultante da associação de duas molas em paralelo.

 

Realizadas as atividades, cada grupo deverá responder as seguintes questões:

1. Uma associação em série de duas molas produzirá uma mola resultante de maior ou menor rigidez?

2. Uma associação em paralelo de duas molas produzirá uma mola resultante de maior ou menor constante elástica?

3. Que tipo de associação produz uma mola resultante de constante elástica menor que a soma das constantes das duas molas utilizadas?

4. Compare o valor de K calculado e medido para as associações em série e em paralelo. Os resultados foram muito diferentes?

 

Após respondidas as questões, haverá troca de informações entre os grupos para que haja uma complementação das respostas, com mediação do professor.

- Para maiores informações sobre molas helicoidais, consultar o endereço:

http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/2008/09/molas-i.pdf

- Para informações sobre utilização das molas em suspensões de automóveis, consultar o endereço:

http://www.portalclassicos.com/mecanica/12503-molas-seu-funcionamento.html

Após a realização dessa aula sobre molas, o estudante deverá ser capaz de:

• Compreender o que é uma mola e identificar alguns tipos de molas e para que servem.
• Identificar as propriedades e as diferentes respostas obtidas quando perturbamos molas com diferentes características.
• Medir a constante elástica de uma mola.
• Entender o que é uma associação de molas em série e em paralelo e quais as propriedades da mola resultante dessa associação.

O professor pedirá a cada grupo a realização de uma atividade utilizando os conhecimentos envolvidos na aula, exemplos:

1. elaboração de um projeto para criação de um dispositivo simples, utilizando molas, que sirva como balança para a pesagem de pequenos objetos;
2. elaboração de um procedimento que permita obter, a partir de quatro molas de mesma constante elástica k, uma mola resultante de constante k/4;
3. elaboração de um projeto para criação de um dispositivo simples, utilizando molas, que sirva como arremessador de pequenos objetos.