Questão 46 do ENEM 2011 — Ciências da Natureza

O motor movido por movimento aleatório

Para entender a função da engrenagem com trava, é preciso partir do que faz o sistema se mover. O arranjo é uma representação do experimento mental conhecido como "catraca de Feynman" (ou motor de Smoluchowski-Feynman), baseado no movimento browniano — o movimento aleatório e caótico de partículas microscópicas em um fluido.

As palhetas ficam expostas a esse fluido, cujas moléculas, em constante agitação térmica, colidem com elas o tempo todo. Como o movimento das moléculas é aleatório, essas colisões tendem a ocorrer com probabilidade e intensidade semelhantes em todas as direções.

O problema da aleatoriedade e o equilíbrio

Se as palhetas recebem impactos aleatórios tanto num sentido quanto no oposto, na média esses impactos se anulam. O eixo apenas oscilaria de um lado para o outro, com deslocamento angular líquido próximo de $0$. A tendência natural do sistema é permanecer em equilíbrio: sem uma intervenção, ele não conseguiria realizar um trabalho útil contínuo, pois o trabalho resultante ao longo do tempo seria nulo.

A função da engrenagem com trava

É aí que entra a engrenagem de dentes assimétricos com sua trava (a catraca). Ela atua como um "filtro" direcional que quebra a simetria do sistema:

• quando as colisões empurram no sentido "permitido" pela inclinação dos dentes, a engrenagem avança;
• quando empurram no sentido oposto, a trava impede que o eixo gire para trás.

Assim, a peça não serve para fixar estruturalmente o motor (o que descarta a alternativa A), nem para selecionar/controlar a velocidade (descartando B), nem para medir a velocidade ou o ângulo girado (descartando C e E).

A verdadeira função da engrenagem com trava é determinar um sentido único para o movimento, extraindo um giro a partir de choques puramente aleatórios que, de outra forma, manteriam o sistema em equilíbrio. Isso corresponde exatamente à alternativa D: a determinação do movimento diante de um caráter aleatório cuja tendência natural é o equilíbrio.