Relógios pendulares
Como funciona um pêndulo?
Um pêndulo funciona convertendo energia para trás e para a frente, um pouco como um passeio de arollercoaster. Quando o pêndulo está mais alto (mais afastado do solo), ele tem a energia máxima armazenada (energia potencial). Ao acelerar para o seu ponto mais baixo (seu ponto médio, mais próximo do solo), esta energia potencial é convertida em energia cinética (energia do movimento) e depois, à medida que o bob sobe novamente, de volta à energia potencial. Assim, à medida que o bob oscila (oscila) para trás e para a frente, a sua energia muda repetidamente entre a energia potencial e a cinética. Algo que funciona desta forma é chamado de harmonicoscilador e seu movimento é um exemplo de movimento harmônico simples, embora não vamos entrar nessas coisas aqui.
Artwork: Um pêndulo está constantemente trocando energia potencial e energia cinética.
Se não houvesse atrito ou arrasto (resistência ao ar), um pêndulo se manteria em movimento para sempre. Na realidade, cada balanço vê fricção e arrasta um pouco mais de energia do pêndulo e ele vai gradualmente chegando ao ponto de asfalto. Mas mesmo que abrande, ele mantém o tempo. Não sobe asfar, mas cobre a distância mais curta mais lentamente – por isso, demora exactamente o mesmo tempo a oscilar. Esta habilidade útil (tecnicamente chamada de isocronismo, que significa apenas “igual quantidade de tempo”) é o que faz um pêndulo ser tão útil para a cronometragem.
Galileo percebeu isso imediatamente e embora ele nunca tenha realmente conseguido construir um relógio de pêndulo completo.ele chegou bem perto (aqui está um modelo do relógio de pêndulo de 1642 que ele desenhou pouco antes de sua morte); foi deixado para outro cientista brilhante, o holandês Christiaan Huygens (1629-1695), para terminar o trabalho nos anos 1650.(Leia mais sobre Huygens e seus relógios e veja uma foto do primeiro relógio pendular Huygens de 1656.)
Como funciona um relógio pendular?
Se você quiser construir um relógio do zero da maneira mais simples possível com o menor número possível de peças. Você poderia começar com um mostrador e alguns ponteiros e movê-los ao redor do rosto com o dedo, contando segundos para você mesmo e movendo os ponteiros de acordo. Você move o ponteiro dos segundos uma vez por segundo, o ponteiro dos minutos uma vez a cada 60 segundos, e o ponteiro das horas uma vez a cada 60 minutos (3600 segundos).algum relógio! Isso vai ficar tedioso muito rapidamente, então e que tal automatizar as coisas? Você poderia montar os ponteiros em um pequeno eixo movido pelo que chamaremos de “mudanças cronometradas”, de modo que o ponteiro dos segundos gire automaticamente o ponteiro dos minutos a 1/60 de sua velocidade, e o ponteiro dos minutos, do mesmo modo, gire o ponteiro das horas a 1/60 de sua velocidade. Depois só tem de contar os segundos, rodar o ponteiro dos segundos, e o resto do trabalho é feito por si.
Mas, espere, isso ainda é bastante enfadonho. O que realmente precisamos é de alguma forma de dar poder às mãos automaticamente. Podias embrulhar um pedaço de cordel no eixo e fixar-lhe um peso. Quando o peso cair, ele puxará o eixo, girará o ponteiro dos segundos, e isso irá conduzir o resto do relógio. O único problema é que o peso vai cair muito rápido e o ponteiro dos segundos vai zumbir muito rápido e o relógio não vai manter o tempo. Certo, vamos introduzir outro conjunto de engrenagens – vamos chamá-las de “engrenagens de força” (para evitar confundi-las com as engrenagens de cronometragem) – que tirarão força do peso em queda e a transformarão para que, conforme o peso cai, o ponteiro dos segundos avance exatamente uma posição no mostrador em um segundo. Mas isso ainda não vai funcionar porque o peso vai acelerar à medida que vai caindo, como qualquer objeto em queda. Em outras palavras, o relógio vai ficar mais rápido e mais rápido até o peso bater no chão com uma batida!
O que precisamos adicionar é um mecanismo que regula o quão rápido o peso pode cair, permitindo que todo o mecanismo de cronometragem avance para que o ponteiro do segundo se mova um segundo no mostrador (e apenas um segundo) em um tempo de um segundo. Isso é o que o pêndulo faz. Ao balançar de um lado para o outro, ele balança uma alavanca chamada escape que bloqueia e depois desbloqueia a parte do mecanismo movida pelo peso em queda.(Pense assim: o mecanismo é bloqueado e o escape liberta-o para que se possa mover – por outras palavras, deixa-o escapar – onça por segundo.)É este bloqueio e desbloqueio repetidos que faz o tick-tocksound que você pode ouvir. Uma vez que (em teoria, pelo menos) um pêndulo de um determinado comprimento leva sempre o mesmo tempo a oscilar para trás e para a frente, o pêndulo é o que mantém o relógio no tempo. O mecanismo de fuga que o pêndulo regula também (inteligentemente) mantém-no a mover-se para trás e para a frente dando repetidamente um ligeiro empurrão – uma injecção de energia extra para contrariar a fricção e o arrastamento.
Não é exactamente assim que os relógios de pêndulo funcionam; é uma aproximação muito simplificada do que está a acontecer que é razoavelmente fácil de seguir.
P>Foto: O escapamento é uma alavanca de balanço que permite que as engrenagens de um relógio avancem apenas a uma certa velocidade, determinada pelo balanço do pêndulo. Foto de Anders Sandberg publicada no Flickr em 2009 sob uma Licença Creative Commons.
Animação: Como funciona a fuga: 1) O peso em queda alimenta o relógio.2) À medida que ele cai, o peso puxa as engrenagens. Deixado à sua própria sorte, o peso aceleraria, caindo cada vez mais rápido. 3) A fuga de baloiço engata e desengata as engrenagens, assim elas giram a um ritmo constante, e o relógio indica a hora exata. 4) O pêndulo oscilante sacode o escape e define a velocidade a que ele se move.
Um resumo de como os relógios funcionam
Em resumo, então, as partes chave de um relógio pendular são:
- Um mostrador e ponteiros que indicam a hora.
- Um peso que armazena (potencial) energia e libera para o mecanismo do relógio à medida que ele cai, muito gradualmente, ao longo do curso de um dia (ou vários dias, se você tiver sorte). Enrolar o relógio aumenta o peso de reserva, armazenando mais energia potencial para alimentar o mecanismo.
- Um conjunto de engrenagens de potência que retiram energia do peso em queda e a utilizam para acionar o mecanismo do relógio na velocidade correta. Se usarmos um peso realmente pesado e as engrenagens certas, o peso armazenará energia suficiente para acionar o relógio por dias sem que tenhamos que enrolá-lo.(Lembre-se da lei de conservação de energia aqui:quanto mais tempo o relógio funcionar, mais energia ele usa; um relógio com um peso mais pesado pode armazenar mais energia potencial, então, de modo geral, ele vai funcionar por mais tempo sem enrolar do que um com um peso mais leve.)
- Um conjunto de engrenagens de cronometragem que acionam as diferentes mãos ao redor do relógio em diferentes velocidades. Estas são geralmente mais finas e mais precisas do que as engrenagens de potência.
- Um pêndulo e fuga que regulam a velocidade do relógio e o mantêm (mais ou menos) constante.
Na prática, os relógios têm muitos outros pedaços, peças, peças e características que os horticultores (mestres relojoeiros) gostam de referir – com esplêndida honestidade – como “complicações”.”
br>Foto: 1) Quando a maioria das pessoas pensa num relógio do avô, isto é o que elas imaginam na sua mente: um relógio do avô (também chamado de relógio de caixa longa). 2) Relógios como este têm um pêndulo longo que faz apenas uma varredura relativamente estreita para frente e para trás. 3) Relógios de avô frequentemente têm mostradores muito ornamentados e lindamente pintados.
algumas desvantagens dos relógios de pêndulo
P>Foto: Um dos relógios de pêndulo mais precisos de sempre, antes das melhores tecnologias os tornarem obsoletos. Este foi o padrão oficial de cronometragem dos EUA de 1904 até 1929. Foi feito por Clemens Riefler na Alemanha. Foto por cortesia do National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.
P>Pode ver algum problema com relógios de pêndulo? Eu também! Um pêndulo de comprimento acertain leva o mesmo tempo para se mover para frente e para trás se a força da gravidade permanecer a mesma. Mas e se o comprimento do pêndulo mudar? Isso pode certamente acontecer se for um pêndulo metálico e a temperatura ambiente subir ou descer (digamos, entre o Inverno e o Verão), porque os metais expandem-se no calor e contraem-se no frio.
Agora e a gravidade? Tratamo-la como se fosse constante, mas a força com que a força gravitacional da Terra se exerce sobre os objectos varia ao longo da superfície do nosso planeta: é tanto maior quanto mais próximo do centro da Terra, por isso fica ligeiramente menor à medida que se sobe nas fontes e ligeiramente mais à medida que se aproxima do nível do mar. Isso significa que o mesmo relógio pendular irá manter tempos diferentes em Nova York e no Colorado, amostra forex! E falando de mar, imagine levar um relógio de pêndulo em uma nave. O que todo o arremesso e rolar das ondas vai fazer para os movimentos de ida e volta do seu pêndulo? Não vai funcionar muito bem, não é?
O primeiro destes problemas – o comprimento ligeiramente variável do pêndulo – é relativamente fácil de consertar. Usamos simplesmente um pêndulo compensador que se ajusta automaticamente (“compensar”) à medida que a temperatura muda. Dois tipos iniciais eram os pêndulos de mercúrio (incorporando tubos de vidro cheios de mercúrio líquido) e os pêndulos de ferro (feitos usando dois metais diferentes, como aço e cobre, zinco e aço, ou aço e latão, que cancelam as expansões e contratações um do outro). No início do século XX, as pessoas começaram a fazer pêndulos a partir de um novo material chamado invar (uma liga de níquel e aço), que se expandia muito pouco com as mudanças de temperatura e praticamente resolvia o problema.
Não há muito que se possa fazer em relação à gravidade, no entanto, e como para tomar relógios de pêndulo em navios, foram desenvolvidas melhores formas de cronometragem que os tornavam desnecessários. Mas isso é outra história! (You can follow it up in the “Find out more” section below.)
