Olá pessoas, tudo bem na medida que o Brasil permite?

Eu tinha guardado esse assunto a um tempo, esperava explorá-lo em uma possível aula de física 2. O engraçado é que esse fenômeno me persegue já pela segunda casa. Perseguide pela física, não somos todes?!

Vamos logo ao que interessa:

Minha porta emperra pela manhã

Não à noite, nem madrugada, pela manhã

Mas nem toda manhã isso ocorre. Não.

Há manhãs sem sol, manhãs frias, manhãs chuvosas

Céus, será o sol? Será ele a causa do emperrar?

Seria ele o necessário para esse fenômeno explicar?

Não.

Dilatar, essa é a resposta.

Depois desse poema de rimas pobres (me desculpem professores de literatura), vou explicar o fenômeno. Como disse, minha porta emperra pela manhã, não só a de onde moro hoje, no último lugar onde morei, era o portão externo que emperrava. Pontos comuns: sempre pela manhã e o fato de os dois serem feitos, majoritariamente, de metal.

Bom, acreditem, o fato de ser pela manhã é pura coincidência, pois o que está por trás desse efeito é o fenômeno de dilatação dos materiais e este fenômeno não tem uma preferência por horário para ocorrer.

Se você não sabe, ou não lembra, os materiais mudam suas dimensões sobre a ação de temperatura, ou seja, se você medir o comprimento de uma barra de ferro em dia frio em Manaus, lá pelos seus 22°C, e depois medir, de novo, em um dia típico, uns 35°C, você obterá valores diferentes.

1. O fenômeno por trás do emperrar

Como eu disse, a dilatação ocorre nas dimensões do corpo, então a barra não ficará só mais comprida, também ficará mais grossa, contudo, como matéria não se cria, o peso da barra não vai mudar. De fato, em dias quentes uma barra de ferro será ligeiramente menos densa do que em um dia de temperatura mais amena.

Vale lembrar que, embora eu tenha dado o exemplo de uma barra de ferro e as portas a que me referi também seja de metal, o efeito da dilatação ocorre em qualquer corpo, não só em metais, contudo provavelmente o efeito será mais visível na maioria deles do que num pote de vidro, por exemplo, ou num cabo de vassoura feito de madeira.

Minha porta emperra pela manhã pois, pela manhã, a porta fica bastante exposta à luz solar e isso faz com que ela se dilate ao ponto de emperrar. O mesmo ocorria no meu portão do outro lugar onde morei. Sempre que saía pela manhã, meus olhos cerravam por conta de “dar de cara com o sol”.  O fato das duas emperrarem mais pela manhã é pela pura coincidência de estarem viradas para uma mesma direção. Conforme o dia passa e o sol corre no céu, as portas ficam expostas a menos luz e isso favorece que não emperrem. Claro, em dias quentes o suficiente, a porta emperra mesmo a noite.

Obviamente a culpa não é da dilatação, pois em construções este é um efeito que, geralmente, é levado em conta para evitar o que vemos na figura 1. Afinal, este não é um efeito descoberto recentemente.

Figura 1:A imagem mostra duas grandes placas de concreto unidas nas pontas elevadas do nível do chão, isoladas por meio de uma faixa laranja, o piso de paralelepípedos nas proximidades da elevação está  desarranjado ou destruído. Fonte

Mas afinal, por que a dilatação ocorre?

Eu darei a vocês duas respostas: a clássica, que é vista na escola e tudo mais, e a quântica, na qual me peguei pensando e discutindo com uns colegas para escrever esse texto.

2. Do ponto de vista clássico

Vamos à clássica. A matéria, do senso comum, é formada por átomos, esses átomos se ligam a outros formando a estrutura da matéria como a conhecemos. A temperatura é, nesse ponto de vista, a medida de agitação desses átomos. Quando dizemos que a temperatura da minha mesa é menor que a minha, estou dizendo que os meus átomos estão mais agitados que os dela. Não importa se os átomos que formam a mesa sejam diferentes dos átomos que me formam, a temperatura diz, apenas, o quanto esses átomos estão agitados.

A dilatação ocorre devido a essa agitação. Conforme a temperatura aumenta, ou seja, as moléculas ficam mais agitadas, o material se expande, pois os átomos precisam de mais espaço para sua vibração e se afastam uns aos outros nesse processo. A evaporação de materiais é esse efeito levado ao extremo, em que a agitação é tamanha que os átomos não conseguem mais estar juntos.

Figura 2: a imagem animada mostra um conjunto de bolas em um arranjo cúbico ligado por molas. As bolas estão agitadas e se movendo deformando as molas. Fonte.

3. Do ponto de vista quântico

Agora, com a quântica. Nessa explicação ainda nos interessa a matéria do senso comum, contudo imaginar átomos e seus componentes como partículas localizadas não é adequado, como expliquei nesse texto aqui (achou mesmo que eu não ia te puxar para outro texto? Katchin, otário). Nesse caso, eu posso traduzir átomos mais agitados como átomos em estados de maior energia (ou átomos excitados).

Neste ponto de vista, a dilatação ocorre devido ao corpo em uma temperatura maior poder ser visto como um sistema excitado, isso significa que ele deve se conformar em uma configuração diferente. Neste caso, o sistema vai se conformar de modo a ocupar um volume maior, pois as ligações entre esses átomos terão um tamanho maior. Mais uma vez podemos ver a evaporação como esse processo sendo levado a um nível extremo, no qual os componentes do corpo ganham tanta energia que é mais favorável estar sozinho do que continuar ligado a outros.

Figura 3: a imagem mostra, em cima, um conjunto de bolas em um arranjo retangular representando um sistema de átomos em uma temperatura T1, em baixo, temos o mesmo conjunto de bolas em um arranjo retangular, contudo, mais espaçado representando um sistema de átomos numa temperatura maior que T1. Fonte.

4. Anomalias

Apesar de tudo o que eu falei, vale lembrar que dilatação é o fato de materiais mudarem suas dimensões sobre a ação de temperatura. A maioria dos materiais se contrai quando tem sua temperatura subtraída e se expande quando tem sua temperatura elevada, contudo, há materiais em que isso não ocorre. De fato, há materiais que se contraem quando sua temperatura é elevada, esse efeito é conhecido como dilatação anômala ou expansão anômala.

Figura 4: gráfico da dilatação da água, mostrando um curva do volume em função da temperatura que tem seu ponto mínimo de volume em 4°C e volta a crescer depois desse ponto. Fonte.

Este fenômeno pode ser explicado pela competição do que causa a expansão com outros efeitos no material, infelizmente, este não é um assunto que eu domine tanto, então vou me ater a apenas informá-los de sua existência. Eu creio que o material mais conhecido com esse comportamento é a água, que se contrai quando aquecida no intervalo de 0°C até 4°C, contudo, alguns metais raros, como o gadolínio (GD), também apresentam esse comportamento.

Figura 5: A imagem mostra um pedaço de gadolínio. Tem aparência de um metal reluzente. Fonte.

Por último, só gostaria de salientar que os efeitos de anômalos só podem ser explicados de um ponto de vista quântico, não há malabarismo clássico que explique esses fenômenos.

Foi isso por hoje galerinhas, fiquem bem, sempre que possível.