Balança Foto-elástica

RESUMO

O objetivo desse projeto foi criar um novo tipo de balança, aplicando conceitos de fotoelasticidade e sensores eletrônicos. Uma barra de material transparente, ao sofrer flexão, apresenta regiões de tração e compressão que podem ser observadas com passagem ou não de luz, através do auxílio de placas polarizadoras (Figura 1). Utilizando sensores que transformam luz em corrente elétrica, fotodiodos, pretendemos medir pesos através da voltagem no fotodiodo.

 

MATERIAL

Os materiais utilizados foram basicamente:

  • Barra de acrílico
  • Caixa de madeira
  • Fotodiodo
  • Cilindros de alumínio
  • Lâmpada
  • Multímetro
  • Placas polarizadoras

PROCEDIMENTOS

Inicialmente foi montada uma caixa de madeira, possuindo ranhuras de modo a possibilitar a fixação de uma barra de acrílico e de uma pequena lâmpada (fonte luminosa). A barra fica apoiada em dois cilindros de alumínio e sobre ela a cabeça de um parafuso transmite a força peso da pessoa que sobe na balança (Figura 2).
Duas pequenas placas polarizadoras de luz são colocadas em cada lado da barra, uma na face interna e outra na externa do acrílico. Um fotodiodo medirá a quantidade de luz que atravessa o conjunto. Quanto maior o peso sobre a barra, maior a luminosidade que atravessa os polarizadores. Como o fotodiodo é ligado a um voltímetro (Figura 3), calibramos a balança fotoelástica por um gráfico que relaciona peso e voltagem para diversos corpos com pesos diferentes medidos através de uma balança convencional.

 


Figura 2- Representação da barra fixada na balança.

 


Foto da balança pronta.


Figura 3 - Circuito experimental.            

Primeiramente, monta-se um apoio conveniente, sobre o qual serão colocados a haste de madeira e o alfinete. A haste de madeira é colada à parede, cuja deflexão será medida. Feito isso, o alfinete com o espelho já colado, é posto entre a haste e o apoio, de modo que possa girar livremente.
Uma pequena observação: caso o atrito entre o apoio e o alfinete seja muito baixo, e/ou a velocidade com que a haste se mova, seja alta, o alfinete deslizaria ao invés de rolar; o primeiro problema se resolve com uma superfície suficientemente áspera, e o segundo problema é improvável, como veremos pelos resultados obtidos.
Para o direcionamento do laser no espelho utilizamos um suporte universal e uma garra tipo pinça.

 

DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Conforme as medições foram sendo realizadas, constatou-se que, para pesos elevados ou então relativamente pequenos, a intensidade luminosa (e a voltagem derivada) deixavam de variar consideravelmente. De modo a ampliar a faixa de valores da intensidade da luz obtida, fez-se necessário alterar a posição dos cilindros (sobre os quais a barra foi apoiada), mudando a configuração do carregamento e, assim, a luminosidade que chega ao fotodiodo.
Na Figura 4 mostramos uma curva de calibração para até 60 kg.
A forma com a qual o experimento foi desenvolvido serviu como um novo desafio para os jovens, mostrando como através de um aparelho simples (balança) é possível relacionar diversos conceitos físicos (de mecânica, óptica e eletricidade) para criar aparelhos alternativos e de fácil confecção e com baixo custo.

Figura 4 - Gráfico da voltagem por peso.

BIBLIOGRAFIA

Bulman, A. D. Experiments and models for Young physicists, 2a edição, Ed. John Murray, 1972.

 
Clube de Ciências Quark