Os equipamentos de medida sempre estiveram atrelados ao desenvolvimento da nossa sociedade. Assim como nós evoluímos através dos anos enquanto sociedade, o mesmo se passou com estes equipamentos. Podemos analisar, por exemplo, a evolução e diferenciação das balanças.
As balanças e suas especificidades
Para quantificar coisas, uma das medidas mais triviais é a da massa. Uma pessoa pode comparar o peso de duas coisas, cada uma destas em uma mão, e julgar qual é mais pesada. É importante entender que, em um mesmo local, o peso das coisas é proporcional à massa delas. Essa é a origem da confusão entre massa (quantidade de inércia) e peso (força da gravidade), muito comum e até inserida na nossa cultura, pois ao comprar frutas “pesamos” os pacotes em quilogramas, uma medida de massa.
Da prática de comparar o peso, ou massa, de duas coisas surge a balança (do latim bis — dois e linx — prato, dois pratos). Esse equipamento, originalmente, consistia em uma vara suspensa na qual se pendurava cada objeto em uma ponta, o que fosse mais pesado descia, enquanto o mais leve subia; caso eles ficassem em equilíbrio, sem a balança pender para nenhum lado, significava que ambos tinham a mesma massa (e peso). Há registros muito antigos do uso de balanças comparativas, sendo o mais antigo no Egito, onde foram encontradas massas padrão datadas de 2600 AEC.
É difícil dissociar a existência de balanças de comparação e o uso de massas padrão. Um dos padrões de massa adotado foi o grão de trigo tirado do meio da espiga, utilizado legalmente entre a Idade do Bronze e a Renascença. Esse padrão foi utilizado em alguns sistemas de unidades de massa Europa afora, como o Sistema dos Apotecários, com origem nos padrões romanos e utilizado para a prática medicinal, o Avoirdupois (do francês arcaico, bens com peso), e o Troy (da cidade francesa de Troyes) utilizado para metais preciosos. O Avoirdupois é utilizado até hoje pelos países de língua inglesa, com unidades como o grão (gr), dracma (dr), onça (oz), libra (lb), quintal (cwt) e tonelada (t).
As várias formas de medir massa
Há muitos modelos de balanças, com especificidades diferentes, para diferentes usos. Na verdade, a balança de comparação citada acima não compara massas ou pesos, mas sim o torque realizado pelos objetos, proporcional à distância da massa ao eixo da balança, o famoso braço de alavanca. Caso a distância seja a mesma dos dois lados, ela não interfere na comparação. O problema ocorre quando as massas não estão equidistantes do eixo, mas é justamente esse “problema” que possibilita a comparação de objetos com massas fracionárias: uma mesma massa padrão pode ser utilizada para medir diferentes massas deslocando a posição dela ao longo da haste; quando o equilíbrio é encontrado, basta medir a razão entre as distâncias das massas ao eixo se obtém a razão entre as massas.
Em algumas situações, a posição das massas realmente é um problema indesejado. Uma solução foi proposta por Gilles Personne de Roberval em 1669, na França. Utilizando duas hastes ao invés de uma e prendendo-as a uma coluna em cada extremidade, formando um paralelograma, e colocando os pratos da balança sobre essas colunas, o peso das massas colocadas sobre os pratos é aplicado diretamente nas colunas, cuja distância ao eixo das hastes é fixa; ou seja: não importa em que posição de cada prato a massa seja adicionada, a comparação sempre será diretamente entre as massas.
Há ainda balanças de força, ou balanças de um prato (perde-se aqui o sentido da origem da palavra). Nestes casos, a massa não é medida por comparação à outra massa padrão, mas sim pela força que elas exercem sobre algum padrão de medida. Pode-se utilizar uma mola e medir o quanto ela se estica, como em dinamômetros e na Balança de Jolly. Balanças eletrônicas utilizam um transdutor de força que, quando comprimido, gera um sinal elétrico que pode ser interpretado e convertido para massa ou força.
No caso destas balanças que não comparam massas diretamente, variações locais da gravidade acarretam em um erro de medida. Com elas, uma das formas de “emagrecer” é fazer a medida na Lua, onde a gravidade é menor e a calibração da balança resultará em uma medição muito menor à correta. Isso não ocorre nos casos de balanças de comparação, pois ambas as massas sofrem a mesma variação de atração gravitacional.
Como explicitado anteriormente, há uma balança diferente para cada situação. Para medidas de massas muito pequenas temos as chamadas balanças de precisão, com escalas abaixo de miligrama e até micrograma. Nestas balanças, que podem ser mecânicas ou eletrônicas, o acúmulo de poeira nos pratos ou correntes de ar podem levar a erros na medida. Para evitar isso, elas são fechadas, realizando a medida em ambiente controlado. No outro extremo estão as balanças rodoviárias, ou pontes de pesagem, como aquelas que encontramos em pedágios. Essas devem medir toneladas e aguentar a exposição às intempéries de uma estrada.
Fontes de erro da medida
Há uma série de dificuldades para a medida de massa com exatidão e, para cada uma delas, há soluções e abordagens diferentes. Além das que já foram comentadas, algumas das principais fontes de erro são as seguintes:
- Empuxo do ar que atua de forma diferente em materiais com densidades e volumes diferentes;
- Massa de referência com erro de calibração:
- Atrito entre peças da balança impedindo o movimento até o equilíbrio ideal;
- Descalibração por desgaste ao longo do tempo e variação de temperatura (dilatação térmica);
- Campos magnéticos atuando em materiais ferrosos, ou forças eletrostáticas devido a materiais eletricamente carregados;
- Variação de massa por reações químicas, como corrosão, ou efeitos de condensação ou evaporação (observados inclusive no metro e quilograma padrão do BIPM);
- Convecção do ar, ao pesar materiais em temperaturas diferentes da temperatura ambiente.
Até aqui, falamos apenas superficialmente da medida de massa. Imagine que há ainda seis outras unidades primárias do Sistema Internacional de Medidas e todas as unidades derivadas! Não temos espaço e tempo para abordar tudo mas saiba que todas elas fazem parte do seu dia-a-dia.
Equipamentos de medida mais conhecidos nos dias de hoje
Quando pensamos em equipamentos de medição, às vezes pode parecer algo pouco cotidiano, mas na verdade é exatamente o contrário! Eles estão presentes — e muito — na nossa rotina, podendo até mesmo serem carregados no pulso.
O relógio, medindo o tempo, é usado para não nos perdermos nas horas do dia e para não deixar aquela pizza queimar no forno. As balanças, citadas anteriormente, medem massas de mais variadas escalas, seja na cozinha, banheiro ou estrada. O termômetro, para medir a temperatura, ajuda-nos a verificar se temos febre, se a carne está pronta ou a cerveja gelada. A régua, para medir comprimento, para saber se aquela camisa em promoção na internet vai servir. O sensor de luminosidade, que acende os postes de luz ao escurecer. O multiteste, para medir corrente elétrica e voltagem, garante que seus equipamentos não estraguem ao ligar na tomada. Isso são apenas algumas das medidas presentes no nosso dia-a-dia, e apenas das unidades básicas.
Há versões muito aprimoradas e mais específicas para cada uma das medidas importantes. Eles podem não fazer parte da sua rotina, mas certamente estão ao seu redor. Qualquer eletricista utiliza o alicate amperímetro, para garantir a infraestrutura elétrica ao seu redor. O GPS, presente nos celulares, ajuda com a geolocalização e até mesmo medida de distâncias. O barômetro, medindo a pressão e nos ajudando a prever temporais. Durante a pandemia de COVID-19, termômetros infravermelhos foram usados amplamente nas entradas de locais públicos para medir a temperatura das pessoas rapidamente e sem contato. Sem esses e outros instrumentos de medição, a nossa vida de fato seria mais difícil, e isso demonstra a importância que eles têm na atualidade.
Metrologia e a sua importância na indústria
A indústria, como conhecemos, na verdade é a modernização de processos produtivos que a sociedade já vem aperfeiçoando há centenas de anos, muitas vezes pela introdução de conceitos inovadores que tornam obsoletos os antigos; esse modelo funciona porque conta com o desenvolvimento de tecnologias que otimizam a produção. A indústria utiliza mecanismos complexos e existe uma exigência em maximizar a produtividade mantendo uma qualidade mínima aceitável, e para isso, são necessários diferentes instrumentos de medição que, quando usados da maneira correta, potencializam a produção.
Existe uma série de instrumentos de medição que são fundamentais para a indústria. Alguns exemplos são: vacuômetros, equipamento para se medir o vácuo, nível de vazão de fluídos; termopares, um tipo de termômetro capaz de medir com agilidade e precisão diferentes faixas de temperaturas; pressostatos, um aparelho utilizado para verificar a pressão do ambiente em que a máquina se encontra; manômetros, um dos mais tradicionais, é utilizado para realizar leituras locais de pressão, sendo dividido em manômetros de baixa pressão (para leitura de, por exemplo, tubulação de gás) e manômetros de alta pressão (monitorando equipamentos como hidrojatos e bombas à diesel).
A automação e o controle de qualidade só são possíveis graças ao desenvolvimento de tecnologias de medição rápida e precisa. Em 1971, houve uma revolução tecnológica importante, com a invenção dos transistores, que substituíram as válvulas eletrônicas por pequenas peças de 10 micrômetros de tamanho. Hoje, os transistores dos chips mais avançados de computador são da escala de nanômetros; já são produzidos chips com quase 200 milhões de transistores por milímetro quadrado. A evolução dessa tecnologia possibilita que tenhamos computadores cada vez mais potentes no bolso, chamados celulares, mas para isso é necessária muita precisão, exatidão e resolução de medida, mas isso é assunto para o próximo artigo.
Curiosidade: A Balança do Julgamento
Para os egípcios, a justiça se apresentava na forma de Maat, deusa da verdade, justiça, retidão e ordem. Era ela quem garantia o funcionamento do mundo e o equilíbrio cósmico. Há uma variedade de representações da deus Maat encontradas por arqueólogos, e seus registros mais antigos datam do Império Antigo (aproximadamente 2700 AEC a 2200 AEC). Às vezes representada com asas, um dos símbolos dessa deusa era uma pena.
Assim como em grande parte das religiões, os mortos eram julgados pelos seus feitos. Para os egípcios, esse julgamento dava-se ao pesar o coração do morto em uma enorme balança, comparado a uma pena de Maat. Se o coração fosse mais pesado do que a pena, era considerado indigno e devorado deusa Amiit, seu proprietário era condenado a uma eternidade no submundo. Caso o coração e a pena se equilibrassem, ele era considerado puro e seu proprietário poderia iniciar uma longa jornada a Sekhet-Aaru, os campos de junco, onde existiria com alegria por toda eternidade.
Laila Berg da Nobrega e Gabriel Cury Perrone / Equipe AMLEF 2022
Referências:
- A Origem da Metrologia
- Instrumentos de medição
- Wikipedia: Diferenças entre massa e peso (PT/EN)
- Wikipedia: Balança (PT/EN)
- Wikipedia: Lei de Godwin (PT/EN)