Escrito por Lucas Aratake, William Alves, William Kotsubo e Heitor Imídio
1. Invent Yourself
Enunciado:
“A self-starting siphon can be made using a piece of rigid tubing bent into a specific shape. When the siphon is partially immersed in water, it begins siphoning water without the need for initial suction. Investigate how the relevant parameters, such as the geometry, affect the siphoning process.”
Enunciado traduzido:
“Um sifão que se inicia por si próprio pode ser fabricado usando um pedaço de tubo rígido dobrado em um formato específico. Quando o sifão é parcialmente imerso em água, ele começa a sifonar água sem a necessidade de sucção inicial. Investigue como os parâmetros relevantes, como a geometria, afetam o processo de sifonagem.”
Por onde começar:
+ Construa seu sifão com um canudo transparente para observar, filmando em câmera lenta, como a água e bolhas de ar se comportam;
+ Investigue um parâmetro geométrico de cada vez, como a altura da curva ou o diâmetro do tubo, e veja quais configurações funcionam e quais falham;
+ Meça a vazão de água, e tente explicar seus resultados usando conceitos básicos, como pressão hidrostática.
Relatório do Problema:
Fenômeno:
2. Electrical Damping
Enunciado:
“A magnet suspended by a spring will display simple harmonic motion when displaced. If the magnet oscillates within a coil connected to a resistor, its motion will be damped. Investigate the factors that affect the damping..”
Enunciado traduzido:
“Um ímã suspenso por uma mola apresentará movimento harmônico simples quando deslocado. Se o ímã oscilar dentro de uma bobina conectada a um resistor, seu movimento será amortecido. Investigue os fatores que afetam o amortecimento.”
Por onde começar:
+ Varie propriedades da bobina como número de voltas e diâmetro além de propriedades do ímã como formato, comprimento e magnetização;
+ Explore os máximos e mínimos de amortecimento que o ímã pode sofrer e quais os parâmetros mais relevantes para tais condições;
Relatório do Problema:
Fenômeno:
3. Ring Fountain
Enunciado:
“When a flat metal ring falls from a certain height into a water tank, it generates a fountain that can shoot water high into the air. How does the maximum height of the fountain depend on the ring’s parameters?”
Enunciado traduzido:
“Quando um anel metálico plano cai de uma certa altura em um tanque de água, ele gera uma fonte que pode lançar água para o alto. Como a altura máxima da fonte depende dos parâmetros do anel?”
Por onde começar:
+ Varie o diâmetro do anel bem como sua densidade;
+ Trace uma dependência inicial entre parâmetros como altura inicial em que o anel é solto e sua densidade com a altura máxima da fonte emergente;
+ Uma analogia entre o campo de velocidades do fluido e o magnetismo, baseada na vorticidade presente em ambos os contextos físicos, pode ser uma boa ferramenta;
Relatório do Problema:
4. Oil Flow
Enunciado:
“A thin layer of cooking oil on a flat metal surface flows outwards when heated. Investigate the phenomenon and its dependence on relevant parameters.”
Enunciado traduzido:
“Uma fina camada de óleo de cozinha sobre uma superfície metálica plana flui para fora quando aquecida. Investigue este fenômeno e como ele depende de parâmetros relevantes.”
Por onde começar:
+ Coloque uma fina camada de óleo em uma frigideira e aqueça-a pelo centro, filmando de cima para capturar como uma área seca se forma e o óleo é empurrado para fora;
+ Investigue como a variação da tensão superficial com a temperatura (efeito Marangoni) cria a força que move o óleo, testando como essa expansão muda ao usar diferentes tipos de óleos (ex: soja, azeite, girassol);
Relatório do Problema:
Fenômeno:
5. Elastic Wave Dynamics
Enunciado:
“Suspend a metal ball from a fixed support using a rubber band and twist it many times around its vertical axis. When the ball is released, standing waves are formed on the rubber band. Investigate this phenomenon and study how the wave depends on relevant parameters.”
Enunciado traduzido:
“Suspenda uma bola de metal em um suporte fixo usando um elástico e gire-a várias vezes em torno de seu eixo vertical. Quando a bola é solta, ondas estacionárias são formadas no elástico. Investigue esse fenômeno e estude como a onda depende de parâmetros relevantes.”
Por onde começar:
+ Teste diferentes números de torções no elásticos e observe o comportamento;
+ Analise a frequência e a amplitude das ondas formadas no elástico, e investigue o que influencia nisso.
Relatório do Problema:
6. Flipo Flip
Enunciado:
“A Flipo Flip toy can roll for multiple turns even though its shape is not circular. Investigate how its motion depends on parameters such as geometry and the initial release conditions.”
Enunciado traduzido:
“Um brinquedo Flipo Flip pode rolar várias vezes, mesmo que seu formato não seja circular. Investigue como seu movimento depende de parâmetros como a geometria e as condições iniciais de liberação.”
Por onde começar:
+ Veja uma maneira de criar ou modificar os flipo flips, visto que será necessário modificar seus parâmetros;
+ Determine uma maneira de aumentar a replicabilidade dos lançamentos (com uma barreira removível ou motores);
+ Experimente lançar o Flipo Flip em diferentes angulações de terreno (nivelado, ascendente ou descendente)
Fenômeno:
7. Tennis Racket Theorem
Enunciado:
“When an object with different principal moments of inertia about each axis is thrown while it rotates, it can suddenly start rotating around an axis different from the one it was initially rotating about. Investigate how the rotational motion of such an object is affected by relevant parameters during its free fall.”
Enunciado traduzido:
“Quando um objeto com diferentes momentos de inércia principais em torno de cada eixo é lançado enquanto gira, ele pode repentinamente começar a girar em torno de um eixo diferente daquele em torno do qual girava inicialmente. Investigue como o movimento rotacional desse objeto é afetado por parâmetros relevantes durante sua queda livre.”
Por onde começar:
+ Escolha alguns objetos que variem principalmente em momento de inércia (uma grandeza que relaciona massa e extensão em torno de um eixo) e padronize os métodos de lançamento ;
+ Escolha um local para lançamentos e grave de 2 ângulos diferentes para averiguar paralaxe, para posterior análise mais elaborada;
+ Compare parâmetros como velocidade de rotação, altura do lançamento, massa e quantidade de rotações antes da queda.
Fenômeno:
8. Magnetic Accelerator
Enunciado:
“Fix magnets in pairs onto a metal sheet as shown. If you attach two magnetic discs onto an axle this ‘vehicle’ will accelerate over the rows of magnets under certain conditions. Investigate the phenomenon.”
Enunciado traduzido:
“Fixe ímãs em pares em uma chapa metálica, como mostrado. Se você fixar dois discos magnéticos em um eixo, esse ‘veículo’ acelerará sobre as fileiras de ímãs sob certas condições. Investigue o fenômeno.”
Por onde começar:
+ Adquira os Ímãs e, se possível, determine suas polaridades para facilitar o próximo passo;
+ Realize um diagrama de forças (representação imagética de como as forças atuam no sistema);
+ Varie parâmetros como: Diâmetro dos ímãs circulares, extensão da barra que segura os ímas circulares, tamanho dos ímas fixados na placa metálica, o tamanho da placa metálica, quantidade de ímãs fixados na placa metálica;
Fenômeno:
9. Levitation Control
Enunciado:
“When arranged in a specific configuration, small graphite sheets can levitate on neodymium magnets. By shining light onto the surface of the graphite sheet, it is possible to control its movement. Explain and investigate the phenomenon.”
Enunciado traduzido:
“Quando dispostas em uma configuração específica, pequenas folhas de grafite podem levitar sobre ímãs de neodímio. Ao projetar luz sobre a superfície da folha de grafite, é possível controlar seu movimento. Explique e investigue o fenômeno.”
Por onde começar:
+ Comece investigando a levitação diamagnética do grafite;
+ Investigue como a força gerada pelo aquecimento do ar ao redor (força radiométrica) permite que você mova o grafite sem enconstar;
+ Formulação Lagrangeana descreve bem o fenômeno.
Relatório do Problema:
Fenômeno:
10. Submerged Crater
Enunciado:
“If you release sand or similar granular material in a container filled with water, the material will sink to the bottom and may form a crater-like structure. Explain and investigate the phenomenon.”
Enunciado traduzido:
“Se você soltar areia ou material granular semelhante em um recipiente cheio de água, o material afundará e poderá formar uma estrutura semelhante a uma cratera. Explique e investigue o fenômeno.”
Por onde começar:
+ Comece o experimento soltando uma quantidade fixa de areia de diferentes alturas na água e meça as dimensões da cratera resultante (diâmetro e profundidade);
+ Investigue como as propriedades do sistema afetam a cratera, variando sistematicamente o tamanho dos grãos (areia fina vs. grossa) e a viscosidade do líquido (usando misturas de água com glicerina).
Relatório do Problema:
Fenômeno:
11. Sweet Monochromator
Enunciado:
“Pass linearly polarised white light through a column of sugar solution. When transmitted light is observed through a polariser it may appear coloured. Rotate the polariser, and the transmitted light colour may change. Construct such a sweet monochromator and optimise for the narrowest light wavelength bandwidth.”
Enunciado traduzido:
“Faça luz branca linearmente polarizada passar por uma coluna de solução de açúcar. Quando a luz transmitida é observada através de um polarizador, ela pode parecer colorida. Gire o polarizador e a cor da luz transmitida pode mudar. Construa tal monocromador e otimize-o para a menor largura de banda de comprimento de onda da luz.”
Por onde começar:
+ Varie os parâmetros relevantes e identifique os efeitos de cada um deles com a variação da largura de banda de comprimento de onda da luz;
+ Procure explicações qualitativas do fenômeno, e entenda como ele ocorre. Realize previsões teóricas dos efeitos de cada parâmetro, e verifique-as experimentalmente.
Relatório do Problema:
Fenômeno:
12. Autumn Coin
Enunciado:
“The motion of a coin falling to the bottom of a tank filled with liquid can be remarkably similar to the fluttering and tumbling of a falling autumn leaf. Investigate how the motion of the coin depends on relevant parameters.”
Enunciado traduzido:
“O movimento de uma moeda caindo no fundo de um tanque cheio de líquido pode ser notavelmente semelhante ao tremular e tombar de uma folha de outono. Investigue como o movimento da moeda depende de parâmetros relevantes.”
Por onde começar:
+ Tente traçar os paralelos entre a queda de uma folha e a de uma moeda, identificando as forças e os fenômenos relevantes;
+ Varie os líquidos e as moedas utilizadas, e identifique diferenças entre os movimentos observados.
Relatório do Problema:
13. The Singing Ruler
Enunciado:
“When a ruler is clamped at one end and struck, it oscillates and emits a characteristic sound. Investigate how the sound depends on relevant parameters.”
Enunciado traduzido:
“Quando uma régua é fixada em uma extremidade e tangida, ela oscila e emite um som característico. Investigue como o som depende de parâmetros relevantes.”
Por onde começar:
+ Adquira diversas réguas de materiais, tamanhos diferentes, junto de um objeto pesado ou de um fixador para manter a régua firme contra a superfície escolhida (idealmente, uma mesa);
+ Escolha um ambiente sem ruídos e que possa executar os testes. Além disso, é necessária uma maneira de padronizar a força aplicada em uma das extremidades da régua;
+ Relacione parâmetros como a extensão das réguas allém da mesa e no interior da mesa, amplitude e timbre do som produzido.
Fenômeno:
14. Crystal Critters
Enunciado:
“Observe the evaporation of a drop of table salt solution on a warm hydrophobic surface. After the water evaporates, a variety of characteristic crystal shapes remain. Research and explain this phenomenon.”
Enunciado traduzido:
“Observe a evaporação de uma gota de solução salina sobre uma superfície hidrofóbica aquecida. Após a evaporação da água, permanecem cristais com diversas formas características. Pesquise e explique esse fenômeno.”
Por onde começar:
+ Realize vários testes sob as mesmas condições, e identifique os padrões de ocorrência de certos formatos;
+ Investigue como o tamanho da gota, a concentração de sal e a temperatura da panela afetam o fenômeno.
Relatório do Problema:
Fenômeno:
15. Magnetic Newton’s Cradle
Enunciado:
“Repulsing, non-touching magnets are used instead of colliding balls to make a new type of Newton’s cradle. The new cradle can act in a similar way to a regular cradle, but can also exhibit other interesting behaviour. Explain and study the movement of this magnetic cradle.”
Enunciado traduzido:
“Ímãs se repelindo e que não se tocam são usados em vez de bolas que colidem para criar um novo tipo de Pêndulo de Newton. O novo pêndulo pode se comportar de forma semelhante a um Pêndulo de Newton comum, mas também pode apresentar outros comportamentos interessantes. Explique e estude o movimento deste pêndulo magnético.”
Por onde começar:
+ Adquira um Pêndulo de Newton e o modifique adicionando ímãs sempre com polaridades alternadas de modo a os repelir ou crie uma estrutura com várias cordas segurando ímãs de maneira semelhante;
+ Utilize um fundo que transmita destaque para futuras gravações e que permita alaizar a velocidade dos ímãs;
+ Analise parâmetros como: tamanho e formato dos ímãs, massa dos ímãs, quantidade de ímãs, distância entre ímãs e força magnética;
Fenômeno:
16. Twisted Spaghetti
Enunciado:
“When a bundle of spaghetti is twisted, it might withstand higher transverse (side) forces than a straight, untwisted bundle. Investigate the response of a twisted bundle to transverse stress and identify the optimal twist that maximises tolerance to transverse stress.”
Enunciado traduzido:
“Quando um feixe de espaguete é torcido, ele pode suportar forças transversais (laterais) maiores do que um feixe reto e sem torção. Investigue a resposta de um feixe torcido à tensão transversal e identifique a torção ideal que maximiza a tolerância à tensão transversal.”
Por onde começar:
+ Realize testes com diferentes tipos de espaguete, variando o comprimento dos filamentos, a quantidade de unidades por feixe e o ângulo da torção aplicada.
+ Nessas cirscunstâncias é válido também analisar a umidade do feixe;
+ Uma boa ideia inicial é pesquisar um antigo problema proposto por Feynman sobre a quebra de um espaguete em apenas dois pedaços, e entender por que torcê-lo é a maneira ideal de alcançar esse resultado;
Relatório do Problema:
Fenômeno:
17. Travelling Flame
Enunciado:
“A flame can propagate continuously around a ring-shaped trough containing a thin layer of flammable liquid. Investigate how the characteristics of this travelling flame depend on relevant parameters.”
Enunciado traduzido:
“Uma chama pode se propagar continuamente ao redor de uma calha em forma de anel contendo uma fina camada de líquido inflamável. Investigue como as características dessa chama móvel dependem de parâmetros relevantes.”
Por onde começar:
+ Teste diferentes tipos de superfícies, variando suas dimensões e formatos, e analise quais combustíveis permitem uma melhor reprodução do fenômeno;
+ Investigue as condições mínimas de calor a serem fornecidas para o sistema afim de que a chama se sustente e comece a viajar;
+ Utilize softwares como o Tracker para traçar uma dependência inicial da velocidade da chama com o tempo;