Atrito que esfria: Fen�meno inusitado "esfria" rob�s sem energia externa

Mecânica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/09/2025

É inusitado, mas um aglomerado de partículas frias pode coexistir em um ambiente de partículas quentes. Esquerda: os robôs correndo, vistos de cima; os pontos brancos indicam a direção do movimento. Direita: as partículas são coloridas de acordo com sua velocidade: partículas rápidas (quentes) são vermelhas, partículas lentas (frias) são azuis.[Imagem: HHU/Marco Musacchio]

Entendendo o atrito

Se você já esfregou as mãos durante o inverno ou observou os discos de freio incandescentes de um carro de corrida antes da curva, então sabe bem que o atrito gera calor. Logo, o atrito consome energia.

E isso é útil por muitos motivos: Basta pensar no atrito dos pneus de um veículo com a estrada, ou do solado dos seus sapatos com o piso - sem o atrito, nem você e nem o carro sairiam do lugar. Na verdade, dois corpos sólidos, um sobre o outro, não se moverão mesmo quando ligeiramente inclinados, já que o atrito estático os mantém unidos. Somente quando um ângulo crítico de inclinação é atingido, o de cima desliza, quando o atrito estático é superado pela força da gravidade.

Os físicos se referem a isso como atrito estático "seco" (sem lubrificante), também conhecido como atrito de Coulomb. Eles também dizem que um objeto em repouso está "frio", enquanto uma partícula em movimento está "quente". O atrito estático, portanto, causa o resfriamento das partículas ativas.

Agora, Alexander Antonov e colegas das universidades de Dusseldorf (Alemanha) e Sapienza (Itália) descobriram um modo de inverter essa dinâmica, fazendo com que o atrito esfrie os objetos. Isto é possível interrompendo sua dinâmica de forma autossustentável, ou seja, o resfriamento acontece por si só, sem depender de um "sugador" de calor externo.

Eles testaram seu novo mecanismo usando pequenos robôs: O fenômeno remove a energia cinética dos robôs após uma colisão mútua de forma tão eficiente que eles não conseguem mais se colocar em movimento.

Resfriamento autônomo

O efeito do atrito de Coulomb no movimento é importante em muitos cenários práticos. Por exemplo, quando é necessário descarregar um silo, fazendo os grãos armazenados lá dentro fluírem para fora, o modo mais eficiente de fazer isso é agitando os grãos. Funciona mais ou menos bem, porque a força motriz, ou "atividade" gerada, não é constante, mas flutuante.

Isso quer dizer que os grãos assumem um movimento complexo de parada e avanço, em que uma partícula se move até ser desacelerada por uma flutuação desfavorável aleatória, sendo então parada pelo atrito estático. Mas logo o chacoalhar faz novamente seu trabalho e o grão recomeça a se mover quando recebe a próxima flutuação favorável.

A equipe estudou esse mecanismo usando a robótica de enxame, uma configuração em que pequenos robôs muito simples interagem de modo dinâmico para criar uma espécie de matéria ativa, o que permite simular muitas coisas do mundo real, incluindo os grãos em um silo.

O que está em jogo são os processos de resfriamento, comuns na natureza, onde são tipicamente gerados pelo contato externo com um ambiente frio - de acordo com as leis da termodinâmica, a temperatura final de um sistema é determinada pela temperatura do ambiente.

Mas o que a equipe descobriu é um fenômeno de resfriamento interno espontâneo, que ocorre sem contato externo - um resfriamento autônomo.

Esse processo de resfriamento poderá ter utilização prática não apenas com robôs, mas também com partículas inertes.[Imagem: Alexander P. Antonov et al. - 10.1038/s41467-025-62626-9]

Quando o quente convive com o frio

Em um experimento de demonstração, centenas de minirrobôs impressos em 3D corriam soltos, movidos por uma placa vibratória vertical. Ao se movimentar, os robôs do enxame, claro, colidiam continuamente uns com os outros.

Dada a alta densidade de partículas (os robôs) e a baixa força motriz, próxima ao limiar de superação do atrito de Coulomb, esse atrito estático reinava durante as colisões, fazendo com que as partículas parassem de se mover repetidamente. Com o tempo, isso leva à formação de aglomerados de robôs que não se movem mais. Ou seja, os robôs ficam "frios", como se a energia que entra no sistema pelo chacoalhar da placa fosse anulada.

Em outras palavras, não é necessária nenhuma intervenção externa para resfriar o sistema - os próprios robôs se resfriam por meio das colisões, ou, visto de outro modo, devido ao atrito.

"Curiosamente, com grandes aglomerados que mudam dinamicamente, surge uma configuração mista na qual áreas frias coexistem com áreas quentes. Em equilíbrio, isso é impossível, pois tais diferenças de temperatura se cancelariam imediatamente por meio de colisões," acrescentou o professor Hartmut Lowen.

Para entender isso, a equipe se desdobrou em simulações de computador até chegar a comportamentos capazes de reproduzir o experimento. "Conseguimos o que muitos físicos teóricos sonham: Entender o mecanismo físico por trás de um fenômeno experimental e, posteriormente, reproduzi-lo em simulações numéricas de computador," disse Antonov.

"Esse efeito de resfriamento inesperado poderá ser usado no futuro para controlar automaticamente exércitos inteiros de robôs, ou o comportamento coletivo de materiais a granel, sem intervenção externa," concluiu o professor Lowen.

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