Motor de catraca converte vibrações aleatórias em movimento contínuo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2025

Inicialmente as partículas estão distribuídas uniformemente. Mas quando passam a vibração para o disco, ele começa a girar espontaneamente em uma direção, demonstrando auto-organização resultante da quebra de simetria.
[Imagem: Miku Hatatani/Doshisha University]

Motor de catraca

As vibrações estão por toda parte, desde o zumbido das máquinas até o ruído dos sistemas de transporte, e tudo é energia mecânica desperdiçada.

Normalmente, esses movimentos um tanto aleatórios são desperdiçados e dissipados sem produzir qualquer trabalho útil, o que tem atraído a atenção dos engenheiros. A saída mais trilhada hoje consiste nos nanogeradores, pequenos dispositivos que transformam a energia mecânica das vibrações em eletricidade.

Agora, Miku Hatatani e colegas da Universidade Doshisha, no Japão, começaram a desbravar uma outra trilha: A dos sistemas de catraca, sistemas mecânicos que convertem vibrações caóticas em movimento direcional.

Em biologia, os motores moleculares realizam essa façanha dentro das células vivas para alimentar processos essenciais, convertendo colisões moleculares aleatórias em movimentos direcionados, por isso sendo também conhecidos como motores de catraca brownianos. Trazê-los para escala humana, contudo, tem sido um desafio porque os sistemas de catraca sempre dependeram de assimetrias intrínsecas, como engrenagens ou superfícies irregulares.

Não mais. Hatatani e seus colegas acabam de criar o primeiro motor de catraca simétrico, e um muito simples: Um disco colocado sobre partículas que vibram aleatoriamente. Esse sistema consegue espontaneamente quebrar a simetria, o que resulta no disco girando em uma única direção, mesmo que cada partícula tenha seu próprio movimento.

"Nós descobrimos que não é necessária uma estrutura especial para criar um motor de catraca," explicou a pesquisadora. "Um disco simples, sem qualquer assimetria, pode quebrar a simetria por si só e começar a girar em uma direção."

(a) Vistas superior e lateral do equipamento experimental, (b) o disco, ou rotor do motor de catraca, (c) representação esquemática da análise do perfil de altura da superfície e da inclinação do disco.
[Imagem: Miku Hatatani et al. - 10.1063/5.0271467]

Ordem emergindo da desordem

Para demonstrar seu novo coletor de vibrações, os pesquisadores colocaram um disco circular de acrílico sobre uma fina camada de esferas de vidro contidas em um recipiente vibratório. Quando o recipiente vibra, as esferas ricocheteiam aleatoriamente, colidindo com o disco circular. Mas, em vez de oscilar sem rumo, o disco se inclina ligeiramente e, em seguida, começa a girar em uma única direção.

O princípio subjacente a esse efeito curioso está na quebra espontânea de simetria. Inicialmente, as partículas ficam distribuídas uniformemente sob o disco, mas, à medida que a vibração continua, elas se acumulam gradualmente em um dos lados, fazendo com que o disco se incline. Essa inclinação, por sua vez, reforça a distribuição desigual das partículas, fixando o sistema em um estado de rotação estável.

Em termos de física subjacente, não é muito diferente da estabilidade de um pião. E, em termos práticos, as partículas criam um efeito de catraca que, embora sob a influência de um movimento aleatório, só permite que as partículas se movam em um sentido.

"Fundamentalmente, o sistema se organiza sozinho," disse o professor Akihisa Shioi. "A aleatoriedade das partículas se torna a própria fonte de ordem, impulsionando a rotação do disco."

O disco gira de forma estável, seguindo um mecanismo similar ao de um pião.
[Imagem: Miku Hatatani et al. - 10.1063/5.0271467]

Aplicações práticas

Agora a equipe pretende transformar sua descoberta fundamental em dispositivos capazes de coletar energia das vibrações aleatórias, presentes em toda parte. A expectativa é que esse esforço leve a aplicações práticas, como alimentar pequenos dispositivos ou sensores sem a necessidade de fontes de energia externas ou baterias.

Além disso, o estudo também tem amplas implicações na física. Ao demonstrar que a própria simetria pode ser quebrada espontaneamente para produzir movimento, ele aprofunda a compreensão dos sistemas fora do equilíbrio, impulsionando o campo da chamada matéria ativa.

"Em termos mais amplos, nosso estudo destaca um princípio científico universal: Mesmo sem controle externo, a ordem pode surgir da desordem," concluiu o professor Shioi.

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