• Metrologia: Do Instrumento à Medida

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Figura 1. Fita métrica plás­tica com reso­lu­ção de 0,5 mm. Fonte: Pas­to­rius, CC BY 3.0, via Wiki­me­dia Commons.

Quando vamos rea­li­zar uma medida, pre­ci­sa­mos enten­der o que que­re­mos medir, qual ins­tru­mento será usado e qual o sig­ni­fi­cado da medida rea­li­zada. Apesar da física ser conhe­cida como uma ciência exata, a ciência é a des­cri­ção e leitura da natu­reza, e nenhuma medida é exata; mas ela pode ter exa­ti­dão sufi­ci­ente, essa ava­li­a­ção depende do obje­tivo da medida.

Dife­ren­tes situ­a­ções exigem ins­tru­men­tos dife­ren­tes. Digamos que você queira saber se um armário cabe no seu quarto: você precisa das dimen­sões do armário e do quarto mas, a grosso modo, um palmo a mais ou a menos não faz muita dife­rença; a medida pode ser feita com uma vara de meio metro, sem pro­blema nenhum. No entanto, se for um móvel sob medida, há menos margem para erros e a leitura deve ser mais exata, precisa e com boa reso­lu­ção; neste caso é essen­cial usar uma trena, na qual a leitura de cen­tí­me­tros ou milí­me­tros seja pos­sí­vel. Em um caso mais deli­cado, como a escolha de um para­fuso, o paquí­me­tro é o ins­tru­mento ideal para a medida, pois sua reso­lu­ção permite lei­tu­ras na casa de décimos de milí­me­tros, que fazem toda a dife­rença para o para­fuso ter um encaixe justo.

Figura 2. Paquí­me­tro de metal, para medir com­pri­men­tos peque­nos; com reso­lu­ção de 0,05 mm no nônio. Fonte: Simon A. Eugster, CC BY-SA 3.0, via Wiki­me­dia Commons.

Mas, afinal, qual é a dife­rença entre essas pala­vras: reso­lu­ção, sen­si­bi­li­dade, pre­ci­são e exatidão?

Características do instrumento:

Figura 3. Termô­me­tro de mer­cú­rio, com reso­lu­ção de 0,05 °C e sen­si­bi­li­dade de 35,0 °C. Fonte: Menchi, CC BY-SA 3.0, via Wiki­me­dia Commons.

Reso­lu­ção está rela­ci­o­nada com a medida do menor incre­mento que o ins­tru­mento apre­senta. Em uma régua comum, temos as divi­sões de cen­tí­me­tros e milí­me­tros, que nos pos­si­bi­lita dis­tin­guir dois objetos com pelo menos meio milí­me­tro de dife­rença no seu com­pri­mento. Um cronô­me­tro digital, com casas de minutos, segun­dos e cen­té­si­mos de segundo, nos permite dife­ren­ciar duas medidas desde que elas tenham pelo menos um cen­té­simo de segundo de dife­rença em sua duração; isso sig­ni­fica dizer que este cronô­me­tro tem reso­lu­ção de cen­té­simo de segundo e uma medida rea­li­zada com resul­tado 0,25 s, na verdade sig­ni­fica 0,25 s mais ou menos 0,01 s.

A sen­si­bi­li­dade, por sua vez, é a menor quan­ti­dade que um equi­pa­mento con­se­gue medir. Um termô­me­tro de far­má­cia, uti­li­zado para medir febre, começa a marcar a tem­pe­ra­tura apenas com 35 °C. Por mais que a sua reso­lu­ção seja de 0,05 °C ou menos, é impos­sí­vel rea­li­zar lei­tu­ras de menos de 35 °C.

Características da medida:

Para além do equi­pa­mento uti­li­zado, existe a medida em si. Ao falar de uma medida, geral­mente estamos levando em conta um con­junto de medidas repe­ti­das, sobre o qual se faz uma análise esta­tís­tica. Daí surgem os con­cei­tos de pre­ci­são e exa­ti­dão, que não devem ser confundidos.

  • Pre­ci­são: expressa o grau de con­cor­dân­cia entre uma série de medidas;
  • Exa­ti­dão: dis­tân­cia esti­mada entre uma medida, ou média de uma série de medidas, e o valor “ver­da­deiro” do que está sendo medido.

Um exemplo muito uti­li­zado para escla­re­cer essas defi­ni­ções é o do tiro-ao-alvo: temos quatro ati­ra­do­res com pre­ci­são e exa­ti­dão vari­a­das e soli­ci­ta­mos a eles que rea­li­zem uma série de tiros ten­tando acertar o centro de um alvo. Os resul­ta­dos são os seguintes:

Figura 4. Casos de dife­ren­tes pre­ci­são e exa­ti­dão. Fonte: LIMA JUNIOR, Paulo et al. Labo­ra­tó­rio de mecâ­nica: Sub­sí­dios para o ensino de Física expe­ri­men­tal. 1.ed. Porto Alegre: UFRGS, Ins­ti­tuto de Física, 2013.

Podemos obser­var que os ati­ra­do­res 01 e 02 têm algo em comum, ambos são muito con­sis­ten­tes com os seus tiros; a dis­tân­cia entre os seus resul­ta­dos é muito pequena entre si e podemos dizer que ambos são muito pre­ci­sos. Já os resul­ta­dos dos ati­ra­do­res 03 e 04 possuem um espa­lha­mento muito grande e dizemos que eles são impre­ci­sos, com maior vari­a­bi­li­dade. É inte­res­sante obser­var que, caso a reso­lu­ção de um ins­tru­mento seja muito baixa, por exemplo, se apenas regis­tra­mos que o tiro acertou o alvo mas não con­se­gui­mos dis­tin­guir dis­tân­cias dentro dele, teremos a impres­são de que todos os ati­ra­do­res tiveram alta pre­ci­são; por­tanto é pos­sí­vel que uma baixa pre­ci­são seja escon­dida por uma baixa resolução.

Clas­si­fi­cando de outra forma, há uma simi­la­ri­dade entre os ati­ra­do­res 01 e 03: se obser­var­mos bem, os resul­ta­dos de ambos estão dis­tri­buí­dos igual­mente ao redor do centro do alvo; dizemos que estes são exatos. Os ati­ra­do­res 02 e 04, no entanto, tem seus resul­ta­dos des­vi­a­dos para um lado ou outro, a posição média dos seus tiros é dis­tante do centro; dizemos, então, que eles são inexatos.

Erro e calibração

Os erros de uma medida podem ser sis­te­má­ti­cos ou ale­a­tó­rios. Os erros sis­te­má­ti­cos (sempre para o mesmo lado) geram medidas com baixa exa­ti­dão, enquanto os erros ale­a­tó­rios (que variam para ambos os lados) resul­tam em medidas com baixa pre­ci­são. As fontes de erro sis­te­má­ti­cas são clas­si­fi­ca­das como:

  • Ins­tru­men­tais: quando um ins­tru­mento está mal cali­brado, como uma balança que marca con­sis­ten­te­mente alguns qui­lo­gra­mas a mais;
  • Obser­va­ci­o­nais: quando a leitura é rea­li­zada sempre de uma mesma forma errada, como um ope­ra­dor medindo com uma régua a partir de sua base, e não do ponto zero;
  • Ambi­en­tais: quando há algum fator alheio ao equi­pa­mento e ao obser­va­dor, como a rede elé­trica do labo­ra­tó­rio ava­ri­ada cau­sando lei­tu­ras incorretas;
  • Teó­ri­cos: quando o modelo uti­li­zado possui sim­pli­fi­ca­ções e apro­xi­ma­ções que des­con­si­de­ram fatores rele­van­tes, como a resis­tên­cia do ar para a queda de uma bola de isopor.

Para rea­li­zar uma boa medida, o cien­tista deve tentar reduzir os erros sis­te­má­ti­cos até valores con­si­de­ra­dos acei­tá­veis. Já os erros ale­a­tó­rios difi­cil­mente são resol­vi­dos pelo uso de equi­pa­men­tos ou cui­da­dos, mas podem ser redu­zi­dos com o uso de esta­tís­tica e repe­ti­ção de medidas. Quando dis­cu­ti­mos ins­tru­men­ta­ção, os erros que podem ser abor­da­dos são os ins­tru­men­tais e, algumas vezes, os observacionais.

Um ins­tru­mento bem pro­je­tado deve faci­li­tar a leitura de seu resul­tado, redu­zindo o erro obser­va­ci­o­nal. Um exemplo de evo­lu­ção deste tipo é a uti­li­za­ção de um espelho sob a agulha de leitura de um equi­pa­mento ana­ló­gico, pois essa pos­si­bi­lita ao leitor o cuidado e certeza de evitar o pro­blema de para­laxe, quando a leitura não é feita de frente e o pon­teiro fica deslocado.

Figura 5. AMLEF083 Micros­có­pio de Medidas uti­li­zado para aferir o com­pri­mento de outros instrumentos.

Para o pro­blema de erros ins­tru­men­tais de cali­bra­ção, há órgãos res­pon­sá­veis que aprovam e atestam a qua­li­dade dos equi­pa­men­tos, com­pa­rando-os a padrões que foram afe­ri­dos em órgãos inter­na­ci­o­nais. A cali­bra­ção também pode ser feita local­mente, com o ajuste fino do para­fuso de uma balança para a leitura correta de uma massa padrão. Há equi­pa­men­tos cujo uso são jus­ta­mente para cali­brar outros, por exemplo o Micros­có­pio de Medidas (AMLEF083) era uti­li­zado nos labo­ra­tó­rios para aferir o com­pri­mento de outros equi­pa­men­tos, com­pa­rando-os com o metro padrão do labo­ra­tó­rio (AMLEF021)

Você sabia?

Figura 6. Mon­ta­gem expe­ri­men­tal uti­li­zada por Michel­son e Morley para a rea­li­za­ção do seu expe­ri­mento em 1887. Fonte: Case Western Reserve Uni­ver­sity, Domínio Público, via Wiki­me­dia Commons.
Figura 7. AMLEF023 Inter­ferô­me­tros de Michel­son e Fabry-Perot.

Em 1907, Albert Abraham Michel­son recebeu o prêmio Nobel de Física “Por seus ins­tru­men­tos de pre­ci­são óptica e as inves­ti­ga­ções espec­tros­có­pi­cas e metro­ló­gi­cas rea­li­za­das com sua ajuda”. Avanços na ins­tru­men­ta­ção e o enten­di­mento de metro­lo­gia e esta­tís­tica foram essen­ci­ais para des­car­tar as teorias vigen­tes do Éter Lumi­ní­fero, subs­tân­cia ou meio pelo qual a luz, que já se sabia ser uma onda, supos­ta­mente se pro­pa­gava. Ten­tando veri­fi­car a sua exis­tên­cia e medir suas pro­pri­e­da­des, uma série de expe­ri­men­tos rea­li­za­dos entre 1800 e 1920, entre eles o famoso Expe­ri­mento de Michel­son-Morley, não encon­tra­ram resul­ta­dos sig­ni­fi­ca­ti­vos (aqui entram os con­cei­tos de pre­ci­são e incer­teza das medidas) para a exis­tên­cia do Éter.

Esses resul­ta­dos, cor­ro­bo­ra­dos por diver­sos e vari­a­dos expe­ri­men­tos, suge­ri­ram des­car­tar a teoria vigente do Éter. A partir disso, demos mais um passo para a dife­ren­ci­a­ção de ondas mecâ­ni­cas e ele­tro­mag­né­ti­cas, a cons­tru­ção da teoria da rela­ti­vi­dade e para as revo­lu­ções que ocor­re­ram na física no começo do Século XX, que nos levam à Física Moderna.

Alisson Schneider e Gabriel Cury Perrone / Equipe AMLEF 2022

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