Tensão superficial e o menisco

Tensão superficial e o menisco

A princípio as pessoas podem pensar que a bolinha e a tampa se comportam de forma diferente do clipes porque as duas primeiras são de plástico e o clipes é de metal.

O clipes se comporta de forma diferente porque ao contrário da bolinha e da tampa ele não está flutuando, ele está sobre a água, ele está acima da água e por esse motivo que seu comportamento é diferente da tampa e da bolinha.

A água consegue ficar acima da boca do copo e os grampos não afundam por causa de um fenômeno conhecido como tensão superficial.
    

    
A Tensão Superficial é um efeito que acontece na camada superficial de um líquido, no nosso exemplo a água. Esse efeito cria uma camada elástica na superfície dos líquidos com força suficiente para evitar que tudo aquilo que for muito leve não afunde.

Essa camada elástica é tão resistente que alguns objetos ou seres vivos conseguem ficar sobre a água. Importante, observe que o mosquito não está flutuando, repare nas suas patas, da mesma forma que o clipes de papel as patas do mosquito estão curvando a água sem romper aquela camada elástica formada pela tensão superficial.
    

Esse efeito ocorre porque as moléculas no interior de um líquido são atraídas umas pelas outras em todas as direções.

           
A água é formada juntando 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigênio. Esses 3 átomos, quando estão juntos, formam a molécula da água – H₂O.

Existe uma brincadeira chamada cabo de guerra, é quando duas ou mais pessoas puxam as pontas de uma corda para disputar quem é mais forte. Mas, se as pessoas possuírem forças iguais, nenhuma das duas vai sair do lugar porque a força nas duas pontas da corda se anula.

É isso que acontece no interior dos líquidos. As moléculas são atraídas umas pelas outras em todas as direções, e isso faz com que a força de atração seja anulada.

Acontece que na superfície dos líquidos as moléculas são atraídas para baixo e para os lados, mas não para cima (na verdade são atraídas pelo ar, mas essa atração é muito fraca). É essa força de atração (para baixo e para os lados) que cria uma camada elástica capaz de suportar o peso de alguns objetos e insetos. 

    
Lembre: isso é diferente de flutuar. Se você jogar um pedaço de madeira na água ela vai flutuar, mas se você jogar um clipes na água ele vai afundar. O clipes só não afunda se tiver o peso certo, o formato certo e se for colocado sobre a água da forma certa.

Se pingar uma gota de detergente na água o clipes e os grampos vão afundar porque o detergente diminui a força da tensão superficial. É por isso que usamos detergente (sabão) para fazer bolhas. O detergente fornece a estabilidade necessária para água manter a forma de uma esfera.

Porque os grampos não encostam no vidro do copo se a água estiver abaixo da borda?
    
Importante: pode empurrar os grampos em direção ao vidro do copo que não vai adiantar, eles vão se mover em direção ao centro.

Porque os grampos grudam na borda do copo se a água estiver acima da borda?

    
Importante: pode mover os grampos para o centro do copo, depois de alguns segundos eles vão voltar para a borda.

Os dois fenômenos relatados acima, grudar na borda do copo ou se afastar da borda do copo acontecem por causa do "efeito menisco".

Quando a água está dentro de um copo sua superfície é quase plana. Dizemos quase porque ela fica ligeiramente curvada para cima nas paredes internas do copo, essa forma côncava é chamada de “menisco”.

O menisco é um efeito que acontece porque a atração das moléculas da água é mais forte nas paredes do copo. Como a força de atração nas paredes do copo é maior do que no centro, essa força puxa tudo que estiver na superfície da água para as bordas do copo.
    

Da mesma forma que acontece na borda do copo, o “menisco” também se forma na parede da tampa de garrafa e na bolinha. Conforme a tampa se aproxima da borda do copo, maior é à força de atração entre os dois “meniscos”. Dessa forma, a tensão superficial de um lado dos objetos atua quase na horizontal (+ forte), mas no outro lado a força ainda atua diagonalmente para baixo (+ fraca). É por esse motivo que os objetos são atraídos para as paredes do copo.

Quando a água ultrapassa a borda do copo o “menisco” se curva na direção oposta e a força de atração das moléculas passa a ser mais forte no centro do copo. É por esse motivo que se você mover a tampa ou a bolinha para a borda do copo ela vai voltar para o centro.
    

No caso dos grampos o efeito é exatamente o contrário porque ele não está flutuando, então não existe o efeito menisco.
    
Importante: nesse caso, como só existe o efeito menisco na borda do copo, o grampo vai se mover para o centro ou para a borda do copo dependendo da posição da água dentro do copo. Se a água não estiver ultrapassando a borda ela fica com uma forma de queda em direção ao centro. Se a água estiver ultrapassando a borda ela fica com uma forma de queda em direção a borda do copo.

Tensão superficial e o menisco

Lave o copo com água antes de fazer a experiência. Se o copo estiver com alguma sobra de sabão (da lavagem anterior) o grampo não vai conseguir ficar sobre a água.

Coloque o grampo sobre a água de lado. Se colocar o grampo na vertical é provável que ele rompa a camada elástica da água e afunde.
    

Se não tiver grampos (grampeador) você pode usar algum fio de metal bem fino, por exemplo, um fio elétrico, e fazer um aro ou dobrar as pontas do fio como um grampo. Um material que as pessoas costumam ter em casa e que funciona muito bem é a agulha de costura. Para colocar a agulha na água você pode usar um garfo: coloque a agulha sobre os dentes do garfo, depois você mergulha os dentes do garfo na água do copo, essa é uma forma fácil de colocar a agulha na água sem romper a camada elástica da tensão superficial.
    
Tem que usar algum objeto leve, mas não pode ser um objeto que flutue. Por exemplo, isopor, madeira, plástico não vão funcionar porque eles flutuam e essa experiência precisa de algo que afunde na água, mas que seja leve o suficiente para que a tensão superficial consiga segurá-lo.

Tensão superficial e o menisco

Pais
Sempre que possível faça atividades manuais junto com seu(s) filho(s) como construir um brinquedo, fazer dobraduras de papel, experimentos científicos, truques de mágica, etc. Aproveita para explicar os detalhes da atividade, por exemplo, porque “essas coisas acontecem”, quem inventou, onde “isso” é usado, etc. Essas informações vão ajudar a desenvolver a curiosidade e criatividade da criança. Os detalhes sobre as atividades estão nas abas “dicas”, “porque acontece” ou “sugestão didática”, nessas abas sempre vai ter alguma informação que pode ajudar pais e professores a despertar o interesse das crianças.

Importante 1: o objetivo do site é disponibilizar ideias de atividades manuais para os pais fazerem junto com seus filhos. Mas, primeiro faça um teste, veja se você consegue fazer a atividade, se o resultado era o que você esperava, se você acha que seu(s) filho(s) vai(ão) gostar, depois dessas etapas você faz a atividade junto com a(s) criança(s).

A criatividade e a curiosidade das crianças serão incentivadas a partir da observação, elas precisam ver os pais fazendo as atividades (nunca se esqueça de que aos olhos de uma criança os pais são super-heróis). A autoestima da criança vai aumentar quando ela conseguir fazer uma atividade “sozinha” (se os pais derem uma “ajudinha” não atrapalha em nada essa etapa do processo de desenvolvimento). Então pais, façam uso desse site para pesquisar atividades que sejam do agrado da criança, por exemplo, algumas gostam mais de experiências cientificas, outras gostam mais de brinquedos, outras de desafios, etc. Não importa o tipo da atividade, o importante é ensinar e ajudar a criança a fazer uma atividade criativa.

O site PPeP possui um sistema de buscas baseado em variáveis, por exemplo, imagine que você queira fazer uma atividade, não importa qual atividade, mas que ela utilize água, ou papel, ou barbante, ou uma tampa de garrafa, nesse caso você seleciona no campo “Material” o que gostaria que a atividade usasse e clica no botão buscar. Depois de fazer isso o número de “links” de atividades (do lado esquerdo da tela) vai diminuir porque o sistema só vai mostrar as atividades que usam o material que você selecionou.

Escolhendo apenas o material vão continuar aparecendo os “links” de muitas atividades, então você pode aumentar o número de variáveis nessa pesquisa escolhendo, por exemplo, se a atividade é fácil ou difícil, o tempo que demora para fazer a atividade, se você quer um brinquedo, desafio, brincadeira, experiência científica, etc. É só escolher o que deseja localizar nos campos das variáveis e depois clicar sobre o botão “buscar”. Mas, se colocar muitas variáveis pode ser que o sistema não localize nenhuma atividade, nesse caso você pode desmarcar uma ou mais variáveis ou clicar sobre o botão “limpar” para apagar todas as variáveis escolhidas anteriormente.

Qualquer dúvida use a opção “Fale conosco” disponível no “Menu” do site. Fique a vontade para perguntar, a resposta costuma demorar no máximo dois dias.

Importante 2: em 1968, os pesquisadores George Land e Beth Jarman realizaram uma reveladora pesquisa sobre criatividade com um grupo de 1.600 jovens nos EUA com base em testes usados pela NASA para seleção de cientistas e engenheiros.

Fonte: https://www.creativityatwork.com/2012/03/23/can-creativity-be-taught/

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZfKMq-rYtnc

Resultado

Professores
Esse brinquedo pode ser utilizado como atividade extracurricular para diversão dos alunos ou para ilustrar uma aula de:
Ciências – para explicar o que é uma molécula ou átomo.
Física - quando falar sobre tensão superficial dos líquidos, efeito menisco, etc.