Barômetro Aneróide

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Antecedentes

A atmosfera da Terra pesa cerca de 6,5 × 10 ²¹ (5,98 × 10 ²⁴ ) Espalhado por toda a superfície da Terra, ele exerce uma pressão atmosférica (barométrica) de cerca de 14,7 libras por polegada quadrada (psi) (101 quilopascais [kPa]) ao nível do mar. Embora essa seja a média, a pressão barométrica real varia muito de um lugar para outro e de um momento para o outro. A pressão barométrica no cume do Monte Everest é um terço da pressão barométrica ao nível do mar. Os maiores extremos de pressão barométrica já registrados ao nível do mar foram 15,7 psi (108 kPa) durante um inverno muito frio na Sibéria e 13,5 psi (87 kPa) registrados no olho de um tufão no Oceano Pacífico. As diferenças de pressão barométrica são importantes porque são os criadores básicos do clima.

O sol é o principal fator causador das variações de pressão na atmosfera. O ar quente equatorial sobe e flui para o norte. À medida que se move, as forças de Coriolis no hemisfério norte o curvam para o oeste nos trópicos e para o leste nas zonas temperadas, estabelecendo células de fluxo atmosférico no sentido horário e anti-horário. As mudanças nas pressões atmosféricas que vêm com esses fluxos podem ser usadas para prever o tempo. Na verdade, antes do advento do rádio, a única ferramenta que os marinheiros tinham para prever o tempo era o barômetro, que informava de que maneira a pressão do ar estava mudando. O aumento da pressão barométrica era um sinal de melhora do tempo. Uma queda do barômetro era um sinal para fechar as escotilhas e torcer pelo melhor.

História

Muitas pessoas não percebem que a pressão atmosférica existe, uma vez que não pode ser sentida. Sua existência foi descoberta pelo cientista italiano Evangelista Torricelli. Torricelli fez sua descoberta durante uma tentativa de ajudar os mineiros de prata, que estavam tendo problemas para manter suas minas secas. A única bomba disponível para os mineiros eram bombas de sucção, que só podiam elevar a água a 9,8 m. Torricelli deduziu que a razão pela qual a bomba não conseguia elevar a água mais do que isso era porque o peso da atmosfera só era pesado o suficiente para suportar uma coluna de água de 9,8 m de altura. O insight de Torricelli foi que se uma gangorra fosse disposta de forma que metade dela ficasse sob vácuo e a outra metade sob pressão atmosférica, 32 pés (9,8 m) de água teriam que ser colocados no lado do vácuo da gangorra serra para equilibrar a pressão atmosférica atuando do outro lado. As bombas dos mineiros eram como uma gangorra tentando equilibrar mais de 9,8 m de água.

Para testar sua teoria, Torricelli pegou um tubo de vidro de cerca de 1,2 m de comprimento, selou-o em uma das extremidades e encheu-o com mercúrio. Segurando o polegar sobre a extremidade aberta, ele virou o tubo em uma tigela de mercúrio. Sua teoria era que, como o mercúrio é 13,5 vezes mais denso que a água, a pressão barométrica só seria alta o suficiente para suportar uma coluna de mercúrio de 2,4 pés (0,73 m) de altura (a altura máxima que as bombas de sucção poderiam puxar água dividida por 13,5). Na verdade, a atmosfera suportava uma coluna de mercúrio com 2,5 pés (0,76 m) de altura. A distância extra era porque o vácuo na parte superior do tubo de vidro era quase perfeito - Torricelli também foi a primeira pessoa a criar um vácuo - e os selos nas bombas dos mineiros não. Não está claro quem percebeu que os barômetros poderiam ser usados ​​para prever o tempo, embora seja possível que tenha sido Ferdinand dei Medici, grão-duque da Toscana.

Embora os barômetros de mercúrio, até hoje, sejam os barômetros mais precisos, eles têm suas desvantagens. Tentar ler um barômetro de mercúrio a bordo de um navio atingido por um furacão não é fácil. A ideia de um barômetro livre de mercúrio (um barômetro aneróide) ocorreu pela primeira vez a Gottfried Leibniz (co-inventor do cálculo) por volta de 1700. A metalurgia não estava suficientemente avançada em 1700 para realizar a ideia de Leibniz. O inventor francês Lucien Vidie desenvolveu o primeiro barômetro aneróide prático em 1843. Barômetros aneróides são os barômetros mais comuns em uso hoje. Eles são os instrumentos circulares, de latão, semelhantes a relógios, com um indicador de varredura apontando para a pressão barométrica atual. Eles são comumente vistos em estações meteorológicas e a bordo de barcos. Os barômetros aneróides funcionam medindo a expansão e a contração de uma cápsula de metal oca.

Matérias-primas

Os únicos componentes de um barômetro de mercúrio são o vidro e o mercúrio. Os barômetros aneróides, por outro lado, são máquinas muito complexas, semelhantes a relógios finos. A cápsula aneróide, que é o dispositivo que se move com as mudanças na pressão do ar, é feita de uma liga de berílio e cobre. Os movimentos são feitos de aço inoxidável (por exemplo, AISI 304L) com rolamentos de joias (rubis sintéticos ou safiras). As joias são usadas nos rolamentos porque apresentam baixíssima resistência ao atrito. As caixas do barômetro podem ser feitas de qualquer coisa, mas geralmente são feitas de latão (uma mistura de cobre e zinco). Existem muitos tipos de latão. Um dos mais comuns é o "relojoeiro", uma mistura de 65% de cobre e 35% de chumbo. Os mostradores do barômetro podem ser feitos de qualquer coisa:alumínio, aço, latão ou papel.

Design

O projeto do produto para um barômetro aneróide envolve uma análise cuidadosa das propriedades de contração e expansão da cápsula aneróide, projeto do sistema de compensação de temperatura e projeto mecânico da ligação entre a cápsula aneróide e o indicador de varredura.

A cápsula aneróide é muito fina, oca e geralmente tem o formato de um fole. A maior parte do ar é removida da cápsula, de modo que a contração e expansão da cápsula são estritamente função da elasticidade da cápsula e de qualquer uma de suas molas de suporte. Deixar ar na cápsula induziria a não linearidade na resposta da cápsula. À medida que a cápsula se contraia, se restar algum ar, a pressão do ar na cápsula aumenta, o que torna a compressão posterior da cápsula mais difícil. O projetista do barômetro calcula o quanto a cápsula aneróide se expandirá ou contrairá sob a faixa esperada de pressões a que o barômetro será submetido. Com base nesses movimentos, o designer especifica as ligações que traduzirão o movimento da cápsula no movimento de um indicador de varredura na face do barômetro.

O barômetro aneróide é sensível às variações de temperatura porque a cápsula e suas ligações se expandem ou contraem conforme a temperatura muda e também porque as propriedades elásticas da cápsula (o quanto a cápsula desviará sob mudanças na pressão externa) também mudam com a temperatura. Existem várias maneiras de compensar os movimentos induzidos pela temperatura dos componentes do barômetro. Uma das soluções mais elegantes envolve o uso de uma faixa bimetálica. Uma tira bimetálica consiste em duas peças planas de metal, feitas de diferentes tipos de elementos ou ligas, soldadas costas com costas. Como as mudanças de temperatura na tira bimetálica e na cápsula são previsíveis, a tira bimetálica pode ser usada para compensar os movimentos da cápsula. À medida que as temperaturas mudam, os dois componentes da tira bimetálica tentam se expandir em quantidades diferentes. Isso faz com que a tira bimetálica dobre em direção ao componente com o menor coeficiente de expansão. Este movimento de flexão pode ser usado para deslocar o ponteiro do indicador ou comprimir a cápsula aneróide para compensar a mudança de temperatura.

A ligação entre a cápsula aneróide e o indicador de varredura é quase tão complexa quanto o movimento de um belo relógio suíço. Na verdade, uma articulação de barômetro de qualidade incorpora muitos dos mesmos componentes. O objetivo da ligação é traduzir o minúsculo movimento horizontal de um fole em expansão (alguns milhares de polegadas ou centímetros) no movimento de varredura de um braço indicador. A ampliação necessária do movimento da cápsula pode ser realizada usando alavancas. Uma gangorra é uma forma de alavanca. A extremidade da gangorra se move em um arco muito maior do que um ponto próximo ao pivô. Fazendo com que a cápsula aneróide empurre ou puxe em um ponto próximo ao pivô de uma alavanca em forma de gangorra, o movimento da cápsula é grandemente ampliado na extremidade da alavanca. Qualquer não linearidade do movimento da cápsula pode ser compensada usando um fuso, pronunciado FU-say. Um fusee, que foi inventado por Leonardo da Vinci, é uma polia cortada em espiral em forma de cone. No ponto zero do barômetro, a extremidade da gangorra é conectada ao meio do fusível por uma corrente. Conforme a cápsula aneróide se comprime, o fusee gira, mudando a corrente para um diâmetro menor. O que isso faz é que, à medida que a cápsula aneróide endurece sob compressão, um movimento menor da corrente pode produzir o mesmo movimento do indicador de varredura.

O processo de fabricação

O caso

• 1 Uma caixa de barômetro fino pode ser fundida em latão, bronze ou aço ou esculpida em madeira. As caixas mais baratas podem ser estampadas em aço ou alumínio e depois revestidas com um acabamento decorativo. A fundição é feita despejando metal fundido em um molde e permitindo que o metal endureça.
• 2 Depois que o metal endurece, o molde é retirado da caixa. A estampagem envolve a pressão de uma peça plana de metal entre duas matrizes em altas pressões.
• 3 O acabamento do gabinete é feito removendo-se todo o excesso de metal que sobrou do processo de fundição, desbastando todas as arestas e polindo o gabinete até obter um acabamento brilhante.
• 4 Algumas caixas são envernizadas ou revestidas com um plástico transparente para evitar manchas.

A cápsula aneróide

• 5 Folhas finas de cobre / metal berílio (cerca de 0,002 pol [0,05 mm] de espessura) são estampadas nas duas metades da cápsula aneróide. As matrizes de estampagem são projetadas para deixar uma superfície de contato de lâmina de faca onde as duas metades serão unidas.
• 6 Os componentes aneróides individuais são soldados por feixe de elétrons. A soldagem por feixe de elétrons requer que um fluxo concentrado Um barômetro aneróide. de elétrons sejam gerados e focalizados na junta a ser soldada. Conforme os elétrons colidem com a peça, a energia cinética da colisão cria calor, resultando na fusão ou fusão das duas peças a serem unidas. A soldagem por feixe de elétrons só pode ser realizada no vácuo (porque as moléculas de ar interceptariam o feixe de elétrons), o que é muito conveniente, pois a cápsula aneróide também deve estar livre de ar. A soldagem por feixe de elétrons é realizada por máquinas de soldagem de robô automatizadas porque um soldador humano não poderia fornecer o grau de precisão necessário para unir as peças sem danificá-las.

As ligações

• 7 Articulações de alta qualidade compostas por alavancas, correntes, racks setoriais, pinhões, fusíveis, etc., são usinadas em aço ferramenta. A usinagem significa que as barras de metal são retificadas e cortadas para dar forma à peça final. A máquina de fresagem automatizada pode facilmente produzir peças de ligação com uma tolerância de 0,0025 mm (0,0001 pol.).

O compensador de temperatura

• 8 O compensador de temperatura, em barômetros de qualidade, geralmente é uma fita bimetálica. A tira bimetálica é fixada por soldagem ou rebitagem de uma extremidade da tira à caixa do barômetro. A soldagem envolve a fusão parcial do invólucro e da tira bimetálica para que as duas peças fluam juntas e sejam unidas.

Montagem final

• 9 O produto acabado é montado em bancada. Como as execuções de produção geralmente são muito pequenas, há muito pouca automação no processo de montagem final. Um montador conecta o compensador de movimento e temperatura à caixa.
• 10 A face do barômetro é colocada sobre o pino central do movimento.
• 11 O indicador do barômetro é então fixado ao pino central com um contrapino ou parafuso.
• 12 Uma placa de vidro é colocada sobre a face do barômetro e uma moldura é aparafusada no barômetro para segurar o vidro no lugar. Em muitos barômetros, a placa frontal tem um furo no centro para que o movimento possa ser visto.

Controle de qualidade

O controle de qualidade requer que o barômetro completo seja testado em diferentes condições atmosféricas. Todos os barômetros aneróides vêm com um parafuso de zeragem para ajustar a posição inicial do indicador de varredura para a mesma pressão barométrica de um barômetro padrão muito preciso mantido na fábrica. O novo barômetro é então submetido a pressões barométricas variáveis ​​para avaliar com que precisão ele pode registrar a pressão real. Os barômetros que não atendem às tolerâncias de fábrica exigidas, que variam de fabricante para fabricante, têm seus movimentos substituídos.

Subprodutos / resíduos

Os barômetros de mercúrio contêm o metal pesado altamente tóxico que lhes dá o nome. No entanto, muitas localidades e alguns estados proibiram o uso de mercúrio em termômetros, barômetros e dispositivos de registro de pressão arterial. É apenas uma questão de tempo até que o barômetro de mercúrio desapareça do uso comum. Os resíduos gerados durante a fabricação do barômetro aneróide são limitados a pequenas quantidades de metal da usinagem da articulação. Resíduos de fundição das caixas do barômetro são normalmente reciclados imediatamente na casa de fundição.

O Futuro

O futuro do barômetro é uma versão digital. Ao colocar placas de aço paralelas dentro da cápsula aneróide e passar uma corrente através delas, a distância entre as duas placas pode ser determinada, pois é proporcional à capacitância das placas (capacitância é uma medida da quantidade de carga elétrica que pode ser armazenada No prato). Conforme a cápsula aneróide encolhe e se expande, a capacitância das duas placas muda, fornecendo uma medida da mudança na pressão atmosférica que leva à mudança na posição da placa. Isso elimina a necessidade de rolamentos, fusíveis e articulações usinadas com joias, mas produz um instrumento com todo o charme de um relógio digital. No entanto, com a necessidade insaciável dos supercomputadores de serviços meteorológicos por dados, o futuro inevitavelmente trará um grande número de barômetros e termômetros muito baratos estacionados em todo o mundo e conectados através da rede mundial de computadores.

Onde aprender mais

Livros

Barry, Roger G. e Richard J. Chorley. Atmosfera, tempo e clima. 6ª ed. Nova York:Routledge, 1998.

Middleton, W. E. Knowles. A História do Barômetro. Baltimore:The Johns Hopkins Press, 1964.

Outro

Página da Web do Accuweather. 20 de setembro de 2001. .

Jeff Raines

Âmbar Grama Artificial