Questão 66 do ENEM 2013 — Ciências da Natureza

Para entender qual chave facilita a retirada da roda, precisamos analisar o conceito físico responsável por fazer o parafuso girar: o momento de uma força (ou torque). O torque ($M$) mede a tendência de uma força causar rotação em um corpo e, em situações simples, é dado pelo produto da força aplicada ($F$) pela distância perpendicular do ponto de aplicação até o eixo de rotação ($d$), ou seja, $M = F \cdot d$. Quanto maior o braço $d$, menor a força necessária para produzir o mesmo torque.

Apenas o comprimento do braço, porém, não é o único fator relevante nesta situação. Precisamos observar como a força é aplicada em cada modelo:

No Modelo 1 (chave em cruz), o usuário normalmente utiliza as duas mãos, segurando extremidades opostas da ferramenta. Ao girar a chave, ele aplica duas forças de mesma intensidade, mesma direção, mas em sentidos opostos (uma mão empurra para baixo enquanto a outra puxa para cima). Essa configuração é conhecida na Física como um binário de forças (ou conjugado).

A grande vantagem mecânica de um binário é que a força resultante de translação é nula ($F_{R} = F - F = 0$). Ou seja, a chave não é empurrada para os lados: o parafuso não sofre um empurrão lateral que tenderia a inclinar a ferramenta. Todo o esforço aplicado é convertido em rotação pura, o que evita que a chave escape da cabeça do parafuso ou o entorte. Além disso, o torque total é a soma das contribuições de cada mão, atuando nos dois braços simultaneamente.

Nos Modelos 2 e 3, a força é aplicada predominantemente de um único lado. Ainda que o braço de alavanca desses modelos possa ser maior que o de um braço isolado do Modelo 1, a força aplicada em apenas uma extremidade produz uma força resultante não nula sobre o eixo do parafuso. Essa força lateral tende a inclinar a chave, que pode escapar da porca com mais facilidade. Na prática, o usuário gasta esforço extra só para manter a ferramenta encaixada e estabilizada.

Portanto, o que torna a retirada da roda mais fácil e segura no Modelo 1 não é simplesmente o tamanho do braço, mas a ação de um binário de forças, que garante rotação estável e sem força lateral indesejada sobre o parafuso.