Tensão superficial e a peneira

Tensão superficial e a peneira

Por que a água passa pelos furos da peneira para entrar no copo, mas não passa pelos furos da peneira quando o copo está de cabeça para baixo?
    

A água passa pela peneira e entra no copo porque não existe uma força que a impede, pelo contrário, a força da gravidade empurra a água para baixo fazendo com que ela passe pelos pequenos furos, além disso, a água quando está entrando no copo pressiona apenas uma pequena área peneira.

Por que a água sai do copo quando ele é grande e a peneira é pequena? Por que a água não sai do copo quando ele é pequeno e a peneira também é pequena? Por que a água não sai do copo quando ele é grande e a peneira também é grande? Por que a água sai do copo se ele e a peneira estiverem inclinados?

Antes de responder a todas essas perguntas é importante saber que existe uma força chamada “tensão superficial” que cria uma “camada elástica” na superfície da água. Essa camada elástica ajuda a segurar a água, mas ela não é a única força que impede a água de passar pelos furos na peneira e sair do copo.

O ar que está ao redor do copo exerce uma força em todos os sentidos, inclusive de baixo para cima. Essa força se chama pressão atmosférica e ela também ajuda a impedir que a água passe pelos furos da peneira quando o copo está de cabeça para baixo.

Forças que ajudam a segurar a água dentro do copo.

Pressão Atmosférica: é a pressão exercida pela camada de moléculas de ar sobre o nosso planeta. Embora o ar seja extremamente leve ele não é desprovido de peso, por exemplo, estando no nível do mar o corpo de um ser humano adulto sofre uma pressão externa de aproximadamente 10 toneladas de peso.

A pressão atmosférica é medida por meio de um equipamento conhecido como barômetro. As diferenças de pressão têm origem térmica estando diretamente relacionadas com a radiação solar e os processos de aquecimento das massas de ar. A altitude também influencia, quanto maior a altitude menor a pressão e vice versa.

Nós não sentimos esse peso e também não somos esmagados por ele porque a pressão atmosférica também está dentro do nosso corpo exercendo uma força de dentro para fora. É como a brincadeira do cabo de guerra, forças iguais se anulam e essa teoria serve para explicar tanto a pressão atmosférica quanto para a tensão superficial na água.

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 impedindo alguns objetos ou seres vivos de afundar.
    
Importante: o mosquito e o clipes não estão flutuando, repare que o clipes de papel e o 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, mas isso não acontece com as moléculas que estão na superfície do líquido. Veja a ilustração abaixo.

A água é formada juntando 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigênio. Esses 3 átomos, quando estão juntos, formam uma molécula de 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 as forças das duas se anulam.

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 (pelo menos não com a mesma força). É essa força de atração que cria a camada elástica capaz de suportar o peso de alguns objetos e insetos.
        

Embora seja feito de metal, o clipes não afunda porque o seu peso e formato permitem que ele permaneça sobre a superfície sem romper a camada elástica formada pela força da tensão superficial.

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

Respondendo as perguntas:

1) Por que a água sai do copo quando ele é grande e a peneira é pequena?
    
R) A peneira pequena não consegue ficar reta sobre a boca do copo, existe um espaço entre o centro da boca do copo e o centro da peneira.
    
Por causa desse espaço a água também não fica reta sobre a peneira e isso faz com que exista mais peso no centro da peneira do que nas bordas. Essa diferença de peso impede que a tensão superficial tenha força para segurar a água nos furos da peneira.

2) Por que a água não sai do copo quando ele é pequeno e a peneira também é pequena?
    
R) Como a boca do copo é pequena ela consegue ficar reta sobre a peneira.
    
Como a água na boca do copo está reta sobre a peneira não existe diferença de peso e a tensão superficial consegue segurar a água impedindo que ela saia pelos furos da peneira. 
    

3) Por que a água não sai do copo quando ele é grande e a peneira também é grande?

R) A boca de um copo grande consegue ficar reta sobre a peneira se ela também for grande.
    
Como a água na boca do copo está reta sobre a peneira não existe diferença de peso e a tensão superficial consegue segurar a água impedindo que ela saia pelos furos da peneira. 

4) Por que a água sai do copo se ele e a peneira estiverem inclinados.
    
R) Inclinando o copo e a peneira a água vai exercer mais pressão, ficar mais pesada, em um ponto específico da peneira. Essa diferença de peso impede que a tensão superficial tenha força para segurar a água nos furos da peneira.
    

Tensão superficial e a peneira

Essa atividade pode ser usada para mostrar para as crianças:

1) Que a força da tensão superficial da água, em certos casos, consegue evitar que ela passe pelos furos da peneira;

2) No caso dessa atividade, a tensão superficial só funciona se a peneira estiver reta, no mesmo nível da boca do copo. A prova é que a peneira pequena só consegue segurar a água em um copo pequeno, no copo maior só funciona com a peneira maior.
    
Importante: mostrar para as crianças que os tamanhos das peneiras são diferentes, mas o espaço entre as tramas que formam a rede (furos) da peneira são iguais.

Se o copo estiver inclinado a tensão superficial não vai conseguir segurar a água nas tramas da peneira. A criança pode usar as bolhas de ar no fundo do copo como ponto de referência para manter o copo reto. A bolha tem que ficar no centro do copo.
    
Se a peneira for inclinada para o lado direito a bolha vai se movimentar para o lado esquerdo copo.

Essa atividade pode ser feita em um balde com água ou na torneira da pia da cozinha.

Nesse caso é necessário fechar a boca do copo com a mão antes de virá-lo de ponta cabeça.

Se alguma coisa der errada existe o risco de molhar toda a casa, então, faça essa experiência na pia da cozinha, na pia do banheiro ou no quintal de casa.

Tensão superficial e a peneira

Pais
Sempre que possível faça experiências científicas junto com seu(s) filho(s). Além de ser divertido (para os dois) é uma ótima forma para apresentar conteúdos que a criança verá na escola.
Explique “por que” essas coisas acontecem e deixe a criança repetir a experiência sob sua supervisão, isso ajuda a desenvolver a curiosidade e criatividade da criança.

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.

Resultado

Professores
Essa experiência pode ser usada para ilustrar uma aula de:
Física/Ciências - quando falar sobre forças ou pressão atmosférica.

Com crianças pequenas é legal fazer essa experiência como se fosse um truque de mágica e depois entrar nas explicações.

Além da tensão superficial, a pressão atmosférica ajuda a segurar a água dentro dos copos evitando que a água saia através dos furos na peneira. Perguntas que podem ser feitas para despertar a curiosidade dos alunos:
    

1) A pressão atmosférica é o peso do ar, mas se o ar pesa porque não sentimos o seu peso?

2) Por que a pressão atmosférica é menor em lugares mais altos?

3) Por que os times de futebol do Brasil não gostam de jogar na Bolívia?