Pica-pau de brinquedo

Acho interessante como alguns brinquedos de minha infância resistem ao tempo e podem ser encontrados até hoje.  Sempre gostei desses tipos de brinquedos folclóricos e populares que se movimentam, como o caso do pica-pau oscilante, que todos devem conhecer (figura 1). Este está comigo há um tempão e você já vai perceber por que dedicar essa postagem pra ele. É, ele ensina Física.

Figura 1. Pica-pau: Brinquedo popular feito de madeira.

Como funciona?

O Pica-pau é um brinquedo com comportamento dinâmico interessante, onde a gravidade, a força elástica e a força de atrito trabalham juntas para manter o movimento de descida vertical. Ele é composto por um mancal, uma mola e o pica-pau. O furo do mancal é ligeiramente maior do que o diâmetro da haste metálica, que é o que permite a interrupção do movimento, devido ao atrito com as partes desse mancal. A haste é disposta verticalmente sobre uma base e no caso de nosso exemplo (figura 1), uma régua de 30 cm fica presa à base.

Para iniciar o movimento desse brinquedo científico, primeiro elevamos o pica-pau até o topo. Quando um corpo é elevado da superfície da Terra ele adquire uma forma de energia mecânica que é chamada de EnergiaPotencial Gravitacional. Essa forma de energia depende, portanto, da altura que um corpo está em relação ao solo.

Assim, o pica-pau ganha energia potencial gravitacional quando nós o elevamos pela haste de arame até o topo.

Em seguida, o próximo passo é tirar o pica-pau da posição de repouso, esticando um pouco a mola e afastando seu corpo do mancal (figura 2).

Figura 2. Iniciando o movimento oscilatório do pica-pau: Afasta-se o pica-pau da posição A até a posição B, esticando a mola presa ao mancal.

Enquanto mantemos o pica-pau nesta posição, ele também adquire uma outra forma de energia chamada Energia potencial elástica. A energia potencial elástica é basicamente a energia que um corpo adquire em proporção ao que se estica ou comprime uma mola.
Na posição destacada da fig.2, note que a mola esticada possui essa energia e tende a trazer o pica-pau de volta, da posição B para A. Abandonando o pica-pau dessa posição vertical ele não desce em queda livre, e sim, oscilando de um ponto (A) para outro (B). Esse brinquedo é um sistema que só pode operar na presença de atrito, uma vez que se baseia em impactos combinados e bloqueio (figura 3-a).
A cada “bicada” que o pica-pau dá e executa o vaivém, existe uma posição em que o brinquedo fica livre pra dar “uma descida”(figura 3-b) . Enquanto o pica-pau desce (figura 3-d) sua energia potencial gravitacional se converte em Energia Cinética, pois essa energia depende da velocidade.

Figura 3

Os ângulos absolutos de rotação do pica-pau e o mancal, respectivamente, determinam o deslocamento vertical do mancal e, portanto, a descida. Devido à folga entre o mancal e a haste de metal, o bordo inferior ou superior do mancal pode entrar em contato com a haste limitada aos pontos 2 e 3 (figura 3-a).  Além disso, o contato entre o bico do pica-pau com a haste é expressa pela restrição 1, embora essa restituição do bico conforme indicada na figura 3 não seja essencial para um movimento periódico ela amplia a semelhança com o comportamento típico de um pica-pau. O movimento do brinquedo se encontra disposto de forma a reduzir sua liberdade, controlar o movimento (LEINE et al, 2001).

Uma outra observação

Olhando atentamente na foto você pode perceber que na base do brinquedo existe uma régua, não é? Quando despachamos o pica-pau do ponto mais alto do seu curso, que é o zero da régua, pássaro desce bicando, ou seja, ele oscila de um ponto à outro. E ai é que temos uma outra coisa, sob o ponto de vista da Física, para observar. Na verdade podemos perceber ouvindo. Durante a descida, o som denuncia que rapidez com que o pássaro desce não aumenta e nem dinimui ou seja, fica constante, o que foi observado também por Carvalho Neto (2011): “(...) mantendo uma velocidade de queda praticamente constante”.

O que isso quer dizer? Em Física, chamamos de movimento uniforme quando a velocidade não muda, quer dizer, quando fica constante. Uma observação mais cuidadosa permite que se perceba que ele desce um certo espaço sempre levando o mesmo tempo. Podemos dizer que ele percorre espaços iguais em tempos idênticos e que assim sua velocidade é constante em todos os trechos. E ainda, como sua trajetória é vertical, limitada pelo arame que lhe guia, podemos chamar esse movimento de Movimento Retilíneo e Uniforme.

Considerações finais e uma proposta de construção no estilo "magnetworker"

Talvez você não tenha achado muito interessante a análise do brinquedo ou meio enfadonha a postagem, então vamos propor a construção do seu próprio pica-pau, bem fácil e divertido.

Ele é baseado na criação do artista e designer Joel Henriques (2013), que também é um science toy maker. Acesse a página clicando aqui

Referências bibliográficas

BILLIARDS, Dave. Toy Physics - Part 1: Woodpecker on Pole. 2008. Disponível em http://www.youtube.com/watch?v=s3YSnNAIHDg#t=11, acesso em 10/12/2013

CARVALHO NETO, Cassiano Zeferino. Paradigmas, tecnologias e complexmedia dedicada à gestão do conhecimento. Tese de doutorado (modalidade engenharia e gestão do conhecimento) .Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina, SC, 321 p., 2011

LEINE, R.I., VAN CAMPEN, D.H and GLOCKER, Ch., Nonlinear dynamics and modelling of various wooden toys with impact and friction, Journal of Vibration and Control, Vol. 9, pp. 25-78, 2003 PDF (2753kb)

HENRIQUES, J. The osciliating woodpecker. (Other title of youtube Channel: Paper woodpecker toy).  2010. Disponível em http://www.sciencetoymaker.org/bird/index.html, acesso em 10/12/2013.