Quando falamos de mecânica, polias e roldanas são conceitos que aparecem com frequência. Trata-se de dispositivos simples, mas de grande importância para facilitar o levantamento de objetos pesados.
Esse assunto é destaque pela sua utilização em diversas situações cotidianas, como em guindastes, elevadores, poços artesianos e até sistemas de academias. Além de serem conceitos importantes para resolver questões comuns em provas e vestibulares.
Neste guia, confira os princípios que regem as polias ou roldanas, fórmulas e exemplos práticos. Você verá que a física por trás delas não é tão complicada quanto parece. Continue a leitura!
Polias ou roldanas são dispositivos mecânicos que facilitam o trabalho de movimentação ou elevação de cargas, alterando a direção ou a magnitude da força aplicada.
Uma polia consiste em uma roda com um sulco, por onde passa uma corda, fio ou corrente. Dessa forma, facilita o levantamento de objetos pesados com menor esforço e também podem ser fixas ou móveis, dependendo de como são instaladas e usadas.
Para entender melhor o funcionamento das polias, é importante conhecer seus tipos – a polia fixa e a móvel. Além disso, existem também um sistema composto pelas duas, confira os conceitos de cada uma:
A polia fixa é aquela que não se desloca quando a carga é levantada. Geralmente é presa a um ponto fixo, como o teto ou uma estrutura estável. Sua principal função é mudar a direção da força aplicada.
Imagine um poço de água onde você precisa puxar um balde cheio de água para cima. Uma polia fixa é instalada na parte superior do poço e a corda do balde passa por essa polia.
Quando você puxa a corda para baixo, o balde sobe, mudando a direção da força aplicada. A polia, assim, reduz o esforço necessário e facilita o processo ao permitir o uso do peso do corpo para puxar o balde.
A polia móvel, ao contrário da fixa, se desloca com a carga e é presa diretamente ao objeto que precisa ser levantado.
Pense em um guindaste de construção que precisa levantar materiais pesados. Nesse caso, a polia móvel é anexada à carga. Quando você aplica força puxando a corda, ela se desloca junto com o material.
O esforço necessário é reduzido pela metade, o que facilita erguer objetos muito pesados, embora seja preciso puxar a corda por uma distância maior.
A combinação de polias fixas e móveis, também conhecida como talha, permite multiplicar a força facilitando ainda mais o levantamento de cargas pesadas.
Em um sistema de talha, uma polia fixa é instalada em um ponto estável, enquanto as polias móveis são ligadas diretamente ao carregamento.
Imagine que você está ajudando a montar o cenário de um palco e precisa levantar uma estrutura grande e pesada. Um sistema de roldanas é usado para facilitar esse trabalho.
Na prática, o sistema composto distribui o peso e permite que várias pessoas consigam levantar uma estrutura com menos esforço individual.
| Característica | Polia Fixa | Polia Móvel |
| Movimento | Não se desloca com a carga | Se desloca com a carga |
| Função principal | Muda a direção da força | Reduz a força |
| Vantagem | Facilita o usa da força para cima | Diminui o esforço necessário |
| Desvantagem | Não reduz a força aplicada | Aumenta a distância de tração |
As polias, também conhecidas como roldanas, são dispositivos que utilizam as leis de Newton para transmitir e multiplicar força, tornando mais eficientes tarefas de tração e elevação.
As três Leis de Newton são:
A primeira lei de Newton afirma que um corpo permanece em repouso ou em movimento uniforme em linha reta a menos que uma força externa atue sobre ele.
Em um sistema de polias, o momento de inércia é observado quando uma carga suspensa permanece em repouso até que uma força (como puxa uma corda) seja aplicada para movê-la.
Se não houver força suficiente para superar a resistência da inércia, o sistema permanece estático.
A segunda lei estabelece que a força resultante que atua sobre um objeto é proporcional à massa e aceleração do objeto:
Em sistemas com polias móveis ou compostas, essa lei explica a relação entre a força aplicada e o movimento resultante.
Em uma polia composta, por exemplo, ao aplicar uma força menor, pode-se gerar um sistema de tração adequado para levantar uma carga pesada, pois a configuração das polias distribui a carga e multiplica a força aplicada.
A terceira lei afirma que, para toda força de ação, existe uma força de fato de mesma intensidade, mas em direção oposta.
Quando uma corda é puxada em uma polia para levantar uma carga, a corda exerce uma força para cima na carga; a carga, em resposta, exerce uma força para baixo na corda.
Em uma polia fixa, enquanto a força é aplicada para mover a carga para cima, a roldana exerce uma força de ocorrência no suporte ou ponto onde está inserida.
Para entender o funcionamento das polias, é importante conhecer dois conceitos da física: força aplicada e trabalho mecânico. Eles ajudam a explicar como os objetos pesados são levantados com menos esforço.
A força aplicada é a energia que exercemos para mover ou levantar um objeto. Quanto maior o peso do objeto, maior é a força necessária para movê-lo.
Imagine que você precisa levantar um saco de cimento: é preciso aplicar uma grande quantidade de força para levantar o peso do chão até uma altura específica.
As polias entram em ação justamente para facilitar essa tarefa, distribuindo a força aplicada e conduzindo o esforço necessário.
O trabalho mecânico ocorre quando uma força é aplicada para deslocar um objeto em uma determinada distância. Sendo assim, é uma grandeza vetorial que indica tanto a variação de energia experimentada por um corpo quanto a quantidade de energia que ele possui.
Ela pode ser calculada com seguinte fórmula:
Uma aplicação prática é se você levanta um balde de 10 kg a uma altura de 2 metros, realiza um trabalho mecânico para mover esse peso. No caso das polias, elas ajudam a reduzir a quantidade de força necessária para realizar o mesmo trabalho.
Quando usamos uma polia fixa para levantar o balde, a força necessária não muda, mas a direção da força se torna mais conveniente, já que você puxa para baixo, aproveitando o peso do seu corpo e a favor da gravidade.
Com uma polia móvel, o esforço é reduzido, porque ela ajuda a dividir o peso, permitindo que o mesmo trabalho seja feito com menos força aplicada.
Energia potencial é aquela armazenada em um corpo devido à sua posição ou estado. Ela está associada à capacidade de um objeto realizado a partir de sua localização ou condição.
Existem diferentes tipos de energia potencial, mas o mais comum é a energia potencial gravitacional.
A energia potencial gravitacional está associada à posição de um objeto em relação ao solo. Quando uma carga é elevada por uma polia, a roldana adquire energia potencial à medida que se move para uma altura maior.
Essa energia é calculada pela fórmula:
Já a energia cinética é aquela que um objeto possui devido ao seu movimento. Quanto mais rápido um corpo se move e maior sua massa, mais energia cinética ele possui.
A energia cinética é uma grandeza escalar e é calculada pela fórmula:
Em sistemas com polias, a energia cinética também desempenha um papel importante. Quando uma carga é elevada por uma polia e, em seguida, solta, a energia potencial gravitacional se transforma gradualmente em energia cinética conforme o objeto acelerar na descida.
Em sistemas de polias, o atrito (ou tensão) na corda influenciam no desempenho e na eficiência. Esse fator contribui para que o sistema funcione minimizando perdas de energia e otimizando o esforço necessário para movimentar uma carga.
O atrito ocorre principalmente nas partes móveis da polia, onde a corda ou o cabo se movimenta ao longo do sulco da polia.
Esse atrito resulta na perda de energia, já que parte da força aplicada é “dissipada” como calor devido ao atrito entre a corda e a polia.
Quanto maior o atrito, maior será a quantidade de força necessária para mover ou levantar a carga, o que reduz a eficiência do sistema.
Para reduzir o atrito, utiliza-se polias com rolamentos ou de materiais que permitem uma menor resistência ao movimento da corda, como polias de metal bem lubrificadas ou de materiais sintéticos.
Em sistemas de polias, a tensão é influenciada pelo peso da carga, pela quantidade de polias usadas e pela distribuição da força ao longo do sistema.
As roldanas são dispositivos que atuam como multiplicadores de força e utilizam o princípio do sistema de alavancagem para facilitar o levantamento e a movimentação de cargas.
Ao combinar um sistema de roldanas, conhecido como talha, conseguimos reduzir o esforço necessário para erguer um peso, tornando o trabalho mais fácil.
Uma polia fixa, por si só, não reduz a força necessária para levantar uma carga: ela altera a direção da força aplicada, permitindo que puxemos a corda para baixo enquanto a carga sobe.
Já as polias móveis realmente multiplicam a força. Na roldana móvel, o peso da carga é dividido entre a corda presa ao suporte e a parte que você puxa. Isso reduz a força necessária pela metade.
Em um canteiro de obras, por exemplo, é possível observar a eficácia do sistema de talhas para levantar sacos de cimento e outros materiais pesados.
Um sistema com várias polias móveis, então, permite que uma única pessoa levante uma carga pesada, aplicando uma força muito menor do que o peso total do objeto.
Quanto ao sistema de alavancagem, em mecânica, ele é o princípio de usar um ponto de apoio para redistribuir a força e reduzir o esforço necessário.
Em sistemas de polias, esse conceito se aplica porque, ao combinar polias fixas e móveis, estamos criando “pontos de apoio” que multiplicam a força.
Sendo assim, cada polia adicional no sistema funciona como uma nova “alavanca”, permitindo que aplicando uma força menor possamos movimentar uma carga mais pesada.
Em operações de resgate, especialmente em locais de difícil acesso, sistemas de polias são usados para emergências de pessoas ou equipamentos.
O sistema de alavancagem reduz a força que o resgatador precisa aplicar, facilitando o resgate de forma segura e eficiente.
Como você já viu, as polias, ou roldanas, são bastante utilizadas no dia a dia para facilitar o levantamento e o movimento de objetos.
Confira algumas aplicações práticas desses dispositivos:
Polias fixas são usadas em sistemas de cortinas para permitir que elas sejam abertas ou fechadas com facilidade, ou seja, apenas puxando uma corda para mover a cortina horizontalmente ou verticalmente.
Assim como também em poços tradicionais, uma polia fixa ajuda a levantar um balde cheio de água. Ao puxar a corda para baixo, a polia permite erguer o balde de forma mais conveniente, facilitando o trabalho.
Em obras, uma polia móvel permite levantar materiais pesados com menos esforço. Quando acoplada a uma corda que passa por uma polia fixa e uma polia móvel, o trabalhador precisa aplicar menos força para levantar objetos.
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O sistema de multiplicador de força utiliza várias polias fixas e móveis, criando uma vantagem mecânica que permite levantar cargas muito pesadas com um esforço reduzido.
Guindastes em canteiros de obras é um bom exemplo, pois eles utilizam sistemas compostos de polias para elevar vigas, blocos de concreto e outros materiais pesados com segurança, distribuindo o peso e reduzindo a força necessária.
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