Sólidos e Líquidos

Sólido, líquido e gasoso são os três estados da matéria com os quais você provavelmente está familiarizado. O termo “materiais” pode fazer você pensar em pedra, bronze, ferro e aço, por exemplo, o que pode derivar do fato de que as eras recebem nomes de acordo com os materiais utilizados pelos humanos, como Idade da Pedra, Idade do Bronze, Idade do Ferro e Idade do Aço. Esses materiais compartilham uma característica comum: são todos sólidos duros. Claro, você também pode pensar que a tinta que usa para pintura a óleo ou em paredes, e até mesmo líquidos como a água, também devem ser considerados materiais, mas seu estado é significativamente diferente de sólidos como o aço. A diferença mais óbvia é que esses líquidos fluem.

Substâncias como borracha, plástico, vidro, piche, pasta de amido, geleia, pudim e pasta de dente são sólidas ou líquidas? Você pode dizer que são sólidas, mas a verdade não é tão simples.

Se você exercer uma força constante, mesmo que pequena, sobre essas substâncias e observá-las por um período suficientemente longo, descobrirá que elas fluem como água! E quando você retira a força externa, elas tendem a retornar à sua forma original, mas essa recuperação também leva um tempo relativamente longo, e elas não se recuperam completamente como ocorre com sólidos comuns, como o aço. Aqui estão alguns exemplos. Quando você aplica uma força pequena e constante a um elástico, ele gradualmente fica mais longo. E quando você retira a força, ele gradualmente se contrai. Ao entrar em um prédio com janelas de vidro antigas, você pode observar que o vidro é mais espesso na parte inferior e mais fino na parte superior. Isso ocorre porque, sob a influência contínua da gravidade, o vidro flui para baixo — embora o fluxo seja muito mais lento do que o fluxo da água.

Eis um experimento famoso, mas um tanto tedioso: em 1927, para demonstrar que o piche tem as propriedades de um fluido, alguns cientistas colocaram uma amostra de piche em um funil com uma abertura selada. Três anos depois, a vedação do funil foi aberta. Os cientistas estavam convencidos de que, sob o efeito contínuo da gravidade, o piche fluiria. Eles queriam saber quão lento seria esse fluxo. Este é o experimento de maior duração registrado no Guinness World Records (Figura 1) e, até o momento, foram registradas 9 gotas de piche caindo — a última gota caindo em 9 de julho de 2013 [1].

Então, você pode ver que não há uma fronteira clara entre sólidos e líquidos. A grande maioria das substâncias está, na verdade, em um estado entre completamente sólido e completamente líquido, com a diferença residindo apenas em se a substância tem propriedades mais semelhantes às do aço ou da água. Essas substâncias são chamadas de materiais viscoelásticos, materiais que se esticam como borracha (elásticos) e fluem como xarope (viscosos), dependendo da força e da velocidade do estiramento. Eles se comportam entre um sólido e um líquido — eles exibem tanto a elasticidade (significa que um material pode mudar de forma quando empurrado ou puxado e então retornar à sua forma anterior) do aço quanto a viscosidade da água. Em linguagem simples, eles também são chamados de semissólidos.

Então, você pode ver que não há uma fronteira clara entre sólidos e líquidos. A grande maioria das substâncias está, na verdade, em um estado entre completamente sólido e completamente líquido, com a diferença residindo apenas em se a substância tem propriedades mais semelhantes às do aço ou da água. Essas substâncias são chamadas de materiais viscoelásticos, materiais que se esticam como borracha (elásticos) e fluem como xarope (viscosos), dependendo da força e da velocidade do estiramento. Eles se comportam entre um sólido e um líquido — eles exibem tanto a elasticidade (significa que um material pode mudar de forma quando empurrado ou puxado e então retornar à sua forma anterior) do aço quanto a viscosidade da água. Em linguagem simples, eles também são chamados de semissólidos.

A temperatura altera o estado dos materiais

Você provavelmente já sabe que podemos controlar o estado da matéria por meio da temperatura. O exemplo mais típico é a água. Quando aquecemos o gelo, ele se transforma em água em temperaturas acima de 0 °C e, quando a temperatura sobe acima de 100 °C, ela evapora e se transforma em vapor.

Da mesma forma, quando aquecemos o plástico, ele gradualmente se torna macio; quando resfriamos a borracha, ela gradualmente se torna dura e até quebradiça. A principal razão para o desastre do ônibus espacial Challenger em 1986 foi a perda de elasticidade das vedações de borracha em baixas temperaturas, levando ao vazamento de combustível. Naquela época, o famoso físico Richard Feynman ajudou a investigar o acidente e demonstrou a causa do desastre usando um experimento com água gelada e borracha (veja este vídeo) [2].

Na verdade, borracha e plástico são apenas estados diferentes de substâncias chamadas polímeros, que existem em temperaturas diferentes. Polímeros são como longas cadeias de pequenas peças unidas. Em temperaturas mais baixas, os polímeros não podem ser deformados (mudar de forma) com muita facilidade, mas à medida que a temperatura aumenta, a capacidade dos materiais poliméricos de se deformarem aumenta gradualmente. Dentro de uma determinada faixa de temperatura, os polímeros são fáceis de deformar, com propriedades semelhantes às da borracha. Quando continuamos a aumentar a temperatura, os polímeros eventualmente mudam para um estado fluido, que é mais espesso que a água.

Materiais cujo estado pode ser controlado por campos magnéticos ou elétricos

Além da temperatura, existem outras maneiras de alterar o estado físico da matéria?

Em 1948, um cientista chamado Jacob Rabinow misturou partículas magnéticas com óleo para formar uma suspensão, uma mistura na qual partículas sólidas são espalhadas em um líquido sem se dissolver. [3]. Quando um campo magnético é aplicado a essa suspensão, as partículas magnéticas se alinham em cadeias ao longo da direção do campo magnético. Quando o campo magnético é aumentado, essas partículas chegam a formar colunas. Nesse ponto, o líquido perde completamente sua fluidez e se comporta mais como um sólido do que como um líquido. Quando o campo magnético é removido, ele retorna ao estado fluido original (Figura 2). Sim, Rabinow alterou o estado da matéria usando um campo magnético!

Os cientistas não descrevem simplesmente o estado da matéria como sólido ou líquido. Eles também usam outro conceito chamado resistência ao escoamento por cisalhamento, que se refere à menor força necessária para alterar permanentemente a forma de um material sob tensão de deslizamento. Abaixo dessa força, o material se curva, mas retorna; acima dela, as mudanças são permanentes. É o valor crítico da tensão de cisalhamento abaixo do qual o fluido se comporta como um sólido e não flui.

Para entender esse conceito, pense na pasta de dente. Quando você não aperta a pasta de dente, ela age como um sólido; mas quando você aperta a pasta de dente com uma certa força, ela tem propriedades semelhantes a um fluido. A diferença entre os estados da matéria reside apenas na magnitude da resistência ao escoamento por cisalhamento. Dessa perspectiva, a resistência ao escoamento por cisalhamento da água é aproximadamente zero, enquanto a do aço é muito grande.

A resistência ao escoamento por cisalhamento do material descoberto por Rabinow pode ser controlada de forma rápida e reversível por um campo magnético. Em altas intensidades de campo magnético, sua resistência ao escoamento por cisalhamento é muito alta. Rabinow chamou essa substância fascinante de fluido magnetorreológico – líquidos com pequenas partículas magnéticas que podem rapidamente ficar mais espessos ou sólidos quando um campo magnético é aplicado, tornando-os úteis para coisas como amortecedores ou freios. Para ajudar as pessoas a compreender a alta resistência ao cisalhamento dos fluidos magnetorreológicos sob um campo magnético, ele construiu um dispositivo de demonstração, provando que o fluido magnetorreológico poderia suportar o peso de uma menina de 52 kg (Figura 3).

Poderíamos também inventar um líquido cuja resistência ao escoamento por cisalhamento fosse controlada por um campo elétrico?

Um ano antes de Rabinow inventar os fluidos magnetorreológicos, o acadêmico americano W. M. Winslow solicitou uma patente para fluidos eletrorreológicos – líquidos que se tornam mais espessos ou mais sólidos quando um campo elétrico é aplicado. Eles contêm partículas minúsculas que reagem à eletricidade, tornando-os úteis em dispositivos como embreagens ou amortecedores vibracionais. [4]. Ele misturou amido, sílica e óleo para formar uma espécie de suspensão. Então, ao colocar essa suspensão em um campo elétrico, descobriu que ela tinha uma resistência muito forte a ser empurrada ou puxada lateralmente. Essa resistência é chamada de resistência ao escoamento por cisalhamento e, nesse caso, era muito alta.

Em 1949, Winslow conduziu pesquisas mais aprofundadas com calcário, farinha e outras substâncias e provou que esse material poderia retornar rapidamente a um estado fluido após a remoção do campo elétrico [5]. Esse efeito de controle do estado líquido por um campo elétrico é chamado de efeito eletrorreológico ou efeito Winslow. Fluidos eletrorreológicos se comportam de forma semelhante aos fluidos magnetorreológicos: sob um campo elétrico, as superfícies das partículas geram cargas positivas e negativas, fazendo com que partículas com cargas opostas se atraiam, formando estruturas em forma de cadeia ou colunares ao longo da direção do campo elétrico. Isso confere à suspensão uma maior resistência ao escoamento por cisalhamento, de modo que ela tenha propriedades semelhantes às dos sólidos.

É como quando você faz um lodo espesso. O lodo consegue manter sua forma e não escorre por toda parte como água. Isso ocorre porque ele tem um tipo de resistência que o faz agir mais como um sólido, assim como a suspensão com maior resistência ao escoamento por cisalhamento. Infelizmente, a resistência ao escoamento por cisalhamento dos primeiros fluidos eletrorreológicos era geralmente bastante baixa, e outros problemas técnicos tornavam esses fluidos menos úteis do que os fluidos magnetorreológicos. No entanto, nos últimos 20 anos, pesquisadores desenvolveram novos fluidos eletrorreológicos com maior resistência ao escoamento por cisalhamento, aumentando os usos potenciais dos fluidos eletrorreológicos.

Usos de Fluidos Magnetorreológicos e Eletrorreológicos

O principal uso de fluidos magnetorreológicos e eletrorreológicos é para o amortecimento de vibrações estruturais.

Você provavelmente sabe que vibrações fortes podem danificar ou destruir estruturas como edifícios. Por exemplo, dezenas de milhares de edifícios desabam devido a terremotos todos os anos, e muitas pessoas perdem a vida devido a esses desastres. Mesmo que você nunca tenha vivenciado um terremoto, provavelmente já sentiu os solavancos em estradas irregulares ao dirigir um carro. Controlar as vibrações de edifícios e veículos é muito importante. Engenheiros descobriram que a inclusão de dispositivos que diminuem especificamente a energia vibracional pode reduzir a vibração de uma estrutura, evitando danos. Esses dispositivos são chamados de amortecedores.

Alguns amortecedores, chamados amortecedores viscosos, são dispositivos que reduzem as vibrações usando um fluido para absorver e desacelerar o movimento. Eles transformam a energia da vibração em calor, ajudando a proteger estruturas e máquinas de tremores excessivos. Eles contêm um líquido que fornece resistência devido à viscosidade do líquido, que é essencialmente semelhante ao princípio de parar gradualmente ao balançar em um balanço devido à resistência do vento [6].

No entanto, a viscosidade e a resistência ao escoamento do líquido em amortecedores viscosos comuns não podem ser ajustadas, portanto, eles são eficazes apenas para certas condições de vibração. Se o líquido no amortecedor viscoso for substituído por fluido magnetorreológico ou eletrorreológico, e um dispositivo para aplicar um campo magnético ou elétrico for configurado, um amortecimento de vibração mais eficaz pode ser alcançado. Esses amortecedores são chamados de amortecedores magnetorreológicos ou amortecedores eletrorreológicos [7].

Estruturas de construção com amortecedores magnetorreológicos ou eletrorreológicos podem fornecer melhores efeitos de amortecimento de vibração. Por exemplo, o uso desses dois tipos de amortecedores em sistemas de suspensão de automóveis pode tornar a condução do veículo mais suave, confortável e segura. Fluidos magnetorreológicos e eletrorreológicos também podem ser usados ​​para fabricar membros artificiais (chamados próteses), articulações de robôs inteligentes e muito mais [8].

Glossário

Materiais Viscoelásticos: Materiais que se esticam como borracha (elásticos) e fluem como xarope (viscosos), dependendo da força e da velocidade do estiramento. Atuam entre um sólido e um líquido.

Viscosidade: Uma medida da espessura de um fluido. Fluidos espessos têm alta viscosidade.

Suspensão: Uma mistura na qual partículas sólidas são espalhadas em um líquido sem se dissolverem.

Resistência ao Escoamento por Cisalhamento: A menor força necessária para alterar permanentemente a forma de um material sob tensão de deslizamento. Abaixo dessa força, o material se curva, mas retorna; acima dela, as mudanças são permanentes.

Fluidos Magnetorreológicos: Líquidos com minúsculas partículas magnéticas que podem rapidamente se tornar mais espessos ou sólidos quando um campo magnético é aplicado, tornando-os úteis para coisas como amortecedores ou freios.

Fluidos Eletrorreológicos: Líquidos que se tornam mais espessos ou sólidos quando um campo elétrico é aplicado. Eles contêm partículas minúsculas que reagem à eletricidade, tornando-os úteis em dispositivos como embreagens ou amortecedores de vibração.

Amortecimento de Vibrações Estruturais: Processo de redução de tremores em edifícios usando materiais ou dispositivos especiais.

Amortecedores Viscosos: Dispositivos que reduzem as vibrações usando um fluido para absorver e desacelerar o movimento. Eles transformam a energia da vibração em calor, ajudando a proteger estruturas e máquinas de tremores excessivos.

Referências

[1] Vernon, K. 2019. The Pitch Drop is the Longest Running Lab Experiment in History. The Vintage News. Disponível online em: https://www.thevintagenews.com/2019/01/15/the-pitch-drop-experiment/ (acessado em 15 sw Janeiro de 2019).

[2] Ferreira, B. 2016. The Challenger Disaster’s Minority Report. VICE Digital Publishing. Disponível online em: https://www.vice.com/en/article/nz7byb/the-challenger-disasters-minority-report (acessado em 28 de Janeiro de 2016).

[3] Rabinow, J. 1948. The magnetic fluid clutch. Electr. Eng. 67:1167. doi: 10.1109/EE.1948.6444497

[4] Winslow, W. M. 1947. Method and Means for Translating Electrical Impulses into Mechanical Force. U.S. Patent No.2 417.

[5] Winslow. W. M. 1949. Induced fibration of suspensions. J. Appl. Phys. 20:1137–40. doi: 10.1063/1.1698285

[6] Konar, T., e Ghosh, A. D. 2021. Flow damping devices in tuned liquid damper for structural vibration control: a review. Arch. Comput. Method Eng. 28:2195–207. doi: 10.1007/s11831-020-09450-0

[7] Bai, X., Zhang, X., Choi, Y. T., Shou, M., Zhu, G., e Wereley, N. M. 2024. Adaptive magnetorheological fluid energy absorption systems: a review. Smart Mater. Struct. 33:033002. doi: 10.1088/1361-665X/ad278b

[8] Yang, L., Gao, C., Yang, A., e Xu, L. 2024. Design and actuation of a state transformable amorphous soft robot. Mater. Lett. 369:136719. doi: 10.1016/j.matlet.2024.136719

Citação

Dong X (2025) Magical Liquid Unveiled! Electric and Magnetic Fields Freeze it Instantly. Front. Young Minds. 13:1479697. doi: 10.3389/frym.2025.1479697

 

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