Quando se desenvolvem projetos mecatrônicos em que existem peças que devam rodar, vibrar ou oscilar em determinada freqüência um dos problemas do projetista é justamente determinar a freqüência ou velocidade com que as peças rodam, vibram ou oscilam. Um dos meios mais simples de se medir rotações ou oscilações é através da luz estroboscópica, recurso bastante usado no ajuste "do ponto" dos carros pelos mecânicos especializados. Para os leitores que gostariam de entender melhor como funciona um estroboscópio, fazer experiências de física e ciências nos cursos médio e fundamental atendendo as exigências de associação da tecnologia ao currículo feito pelos PCNs ou simplesmente usando para seus projetos, descrevemos a montagem de um estroboscópio com LEDs.
Sem dúvida, a maioria dos nossos leitores já ouviu falar do efeito estroboscópico associando-o imediatamente às luzes de baile que parecem "paralizar" o movimento das pessoas pelas suas piscadas muito rápidas.
Mas, muito mais do que servir de simples decoração de bailes e festas, as luzes estroboscópicas também tem uma utilidade prática e justamente no ramo que nos interessa: a mecatrônica com extensão para a própria física e para a eletrônica.
Assim, antes de mostrarmos aos nossos leitores como é possível montar um estroboscópio (aparelho que mede oscilações e rotações) usando LEDs comuns será importante entender o que é o efeito estroboscópico.
O Efeito Estroboscopico
Imgine um ambiente completamente escuro em que existe uma lâmpada comum que pisque numa determinada freqüência.
Se você pedir para uma pessoa caminhar neste ambiente, você só vai conseguir vê-la nos breves instantes em que a lâmpada estiver acesa.
Isso significa que você não vai ver a pessoa caminhando-a mas vai vê-la como se ela tivesse sido "fotografada" em locais que mudam sucessivamente à medida que ela se desloca no ambiente, conforme mostra a figura 1.
O movimento da pessoa será então visto "aos soquinhos" e não de uma forma contínua. É exatamente isso que ocorre nos bailes quando somos iluminados por uma luz que pisca rapidamente.
Vamos agora mudar o movimento da pessoa, pedindo que ela dê um passo para frente e um para trás, repetindo continuamente este movimento.
Se a pessoa fizer isso lentamente, veremos novamente a pessoa se movimentar aos soquinhos, indo e voltando conforme mostra a figura 2.
Se pedirmos que a pessoa acelere este movimento, vai chegar o instante em que a lâmpada pisca justamente quando ela estiver na posição A e depois na posição B, conforme mostra a figura 3.
Como só podemos ver a pessoa nos instantes em que a lâmpada está acesa, a imagem que nossos olhos terão será interessante: veremos duas pessoas, uma em A e outra em B.
Indo além se a pessoa for suficientemente rápida, ela conseguirá alcançar a freqüência das piscadas da lâmpada de tal forma, que a lâmpada sempre piscará quando ela estiver na posição A .
Teremos então a imagem da pessoa paralizada em A, pois não veremos mais quando ela vai até B e volta (pois isso ocorre no intervalo em que a lâmpada está apagada), conforme mostra a figura 4.
Em outras palavras, nestas condições conseguiremos "paralizar" ou "congelar" o movimento da pessoa, mesmo que ela continue se movimento!
Persistência Retiniana
O efeito que vimos pode ser ainda mais acentuado se considerarmos uma característica da visão humana denominada "persistência retiniana".
Nossos olhos não conseguem separar eventos que ocorram num intervalo de tempo menor que 1/10 de segundo.
Se uma lâmpada piscar numa freqüência menor que 10 Hz (10 piscadas po segundo ou 1/10 de segundo para cada piscada) distinguiremos perfeitamente estas piscadas.
No entanto, se as piscadas forem mais rápidas, não as conseguiremos separar e veremos a lâmpada acesa continuamente.
Isso ocorre com a TV em que as imagens estão mudando a razão de 60 por segundo, mas nossa visão não consegue perceber isso.
É como se 60 fotos fosse projetadas em cada segunda na tela do televisor. Não consegimos perceber esta mudan'da rápidas das "fotos" mas tão somente as mudança de posição dos objetos dando-se a impressão de movimento, conforme mostra a figura 5.
Assim, se no caso da lâmpada que ilumina a pessoa que "vai e vem" as piscadas ocorrerem numa velocidade maior que 10 Hz, veremos a pessoa parada e a lâmpada acesa (sem piscar).
Este é o efeito estroboscópico, que pode ser observado em muitos outros casos.
Um deles pode ser até observado com uma simples experiência.
Se tivermos uma roda raiada ou uma hélice que gire diante de uma
lâmpada que pisca, só veremos os raios nas posições em que a lâmpada está acesa.
Se o movimento estiver sincronizado com as piscadas, a roda parecerá parada.
Se o movimento tiver uma velocidade um pouco maior do que a das piscadas, a roda parecerá girar para trás.
Você pode fazer uma experiência muito simples para comprovar isso, levando em conta justamente as piscadas ou mudanças da tela da TV e uma hélice de papelão.
Gire-a diante da TV. Dependendo da velocidade, a hélice em determinados instantes estará parada, estará girando "para frente" ou girando "para trás".
É por este motivo que nos filmes em que naparecem rodas raiadas ou hélices, elas parecem às vezes estar paradas ou girando ao contrário.
É a combinação de seu movimento com a velocidade com que sua imagem é tomada pela câmera
Usando o Efeito Estroboscópico Para Medir Velocidades
Se tivermos uma roda girando com umamarca, conforme mostra a figura 7, e iluminarmos esta roda com uma fonte de luz que pisque rapidamente, teremos as seguintes possibilidades:
Se a freqüência da fonte de luz for muito mais alta que a velocidade da roda, veremos a marca em posições sucessivas, uma posição para cada piscada conforme mostra a figura 7(a) .
Diminuindo a velocidade das piscadas, veremos que as marcas aparecerão mas separadas, pois haverá mais tempo para o movimento entre duas posições sucessivas, conforme mostra a figura 7(b).
Podemos, finalmente, encontrar a freqüência das piscadas que coincida com o número de voltas por segundo da roda.
Quando isso ocorrer, teremos apenas uma marca visível e ela parecerá parada, conforme mostra a figura 7 ( c).
Nos veículos, este efeito é justamente usado para colocar "no ponto" o ajuste do distribuidor, utilizando-se uma lâmpada eu piscada sincronizada pelo próprio sistema de ignição.
Pode-se avançar ou afastar a posição da marca até que ela fique no ponto ideal usando para isso uma referência no próprio rotor do motor do carro.
Mas, o importante de tudo isso é que, quando obtemos uma imagem "paralizada" conhecendo a freqüência das piscadas podemos calcular com precisão a rotação da roda ou de uma peça que vibre pois o efeito é o mesmo de uma pessoa que "vai e vem".
Por exemplo, se a lâmpada pisca 100 vezes por segundo e ao focalizá-la numa roda com uma marca, observarmos 4 marcas isso significa que no tempo necessário para dar uma volta a lâmpada deu 4 piscadas, portanto em um segundo ela dará 25 voltas.
Como em um minuto temos 60 segundos a sua rotação em rpm (rotações por minuito) será:
rpm = 25 x 60 = 1500
Veja então que se tivermos uma fonte de luz "piscante" que tenha um controle de frequência calibrado, podemos facilmente usá-la para medir a rotações de engrenagens, polias, rodas ou mesmo a freqüência de peças que vibre.
Basta fazer uma marca e iluminar a peça e ver "quantas vezes ela aparece" e qual é a freqüência que está sendo gerada.
Estroboscópio com LED - Como Funciona
O que vamos ensinar o leitor a montar é justamente uma fonte de luz piscante que pode ser usada para medir a rotação de pequenos motores, engrenagens, peças móveis de uma máquina e muito mais.
O circuito consiste num oscilador que pode fornecer frequências de piscadas de 10 até aproximadamente 1000 por segundo.
Temos então um multivibrador astável com base no circuito integrado 555 cuja freqüência é ajustada em P1 e depende do capacitor C1 (dependendo da aplicação - faixa de frequências medidas) o valor deste capacitor pode ser alterado.
Este circuito produz pulsos retangulares que são aplicados à base de um transistor de média potência PNP.
Este transistor vai alimentar então dois LEDs brancos de alto brilho que serão justamente a fonte de luz do estroboscópio.
Não usamos lâmpadas comuns por um simples motivo: as lâmpadas comuns possuem uma inércia muito grande.
Se as alimentarmos com pulsos de luz não há tempo para que o filamento esfrie entre um pulso e outro e com isso ela permanece permanentemente acesa.
Uma lâmpada comum incandescente não consegue ser modulada por pulsos de mais de 10 Hz da forma eficiente que precisamos numa aplicação como esta.
Os LEDs, por outro lado, podem responder a variações de tensão muito rápidas.
Podemos fazer com que um LED pisque milhões de vezes por segundo sem problemas.
Os resistores R4 e R5 limitam a corrente nos LEDs para que não ocorra uma sobrecarga do transistor ou ainda um consumo excessivo.
A vantagem do nosso circuito está no fato de que, além de podermos controlar precisamente sua freqüência, sua alimentação é feita com pilhas o que o torna totalmente portátil.
Montagem
Na figura 8 temos o diagrama completo do estroboscópio usando LEDs.
A montagem pode ser feita numa pequena placa de circuito impresso universal com a disposiçãode componentes sugerida na figura 9 ou mesmo numa matriz de contactos.
O potenciômetro sugerido deve ser preferivelmente linear para que possamos usar uma escala já calibrada em termos de freqüência das piscadas.
Para as pilhas deve ser usado um suporte apropriado e é muito iportante observar sua polaridade.
Na verdade, outros componentes polarizados cuja polaridade é importante são os LEDs, o transistor e o capacitor eletrolítico C2.
Para o circuito integrado observamos a posição havendo uma marca que identifica o pino 1.
Qualquer inversão de componentes impede que o aparelho funcione.
Para os LEDs observamos ainda que será interessante usar tipos de alto brilho iguais.
É comum que tipos de baixo custo apresentem pequena diferenças de brilho entre si o que pode afetar o desempenho do aparelho.
Todo o conjunto pode ser instalado numa pequena caixa plástica. Nesta caixa os LEDs devem ficar para fora de modo a poderem iluminar a peça cuja rotação se deseja determinar.
Ajuste e Uso
A melhor forma de se calibrar a escala do potenciômetro é ligando-se o pino 3 do CI-1 à entrada de um frequencimetro.
Marcam-se então na escala os pontos que resultam em freqüência inteiras ou de interesse como 10, 50, 100, 500 e 1000 Hz.
Se as frequências estiverem fora da faixa esperada altere o valor de C1. Este componente, na verdade, pode ter valores entre 47 nF e 1 uF para esta aplicação.
Outra forma de se calibrar o aparelho é tomando como referência uma peça cuja rotação seja conhecida.
Para usar basta iluminar com os LEDs a peça em rotação ou vibração que tenha uma marca.
Ajuste o controle de freqüência (P1) até que o movimento da marca paralize (congele). Conte então quantas vezes você vê a marca e aplique a seguinte fórmula para calcular o número de rotações ou vibrações por segundo:
N = f/n
Onde:
N é o número de rotações ou vibrações por segundo (Hz)
f é a freqüência ajustada em P1 (Hz)
n é o número de vezes que você vê a marca
Para obter o valor em rotações por minuto basta multiplicar por 60.
Semicondutores:
CI-1 - 555 - circuito integrado (timer)
Q1 - BD136 - transistor PNP de média potência
LED1, LED2 - LEDs brancos de alta luminosidade
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 - 4,7 k ohms - amarelo, violeta, vermelho
R2 - 2,2 k ohms - vermelho, vermelho, vermelho
R3 - 1 k ohms - marrom, preto, vermelho
R4, R5 - 22 ohms - vermelho, vermelho, preto
Capacitores:
C1 - 470 nF - poliéster
C2 - 1000 uF x 6 V - eletrolítico
Diversos:
S1 - Interruptor simples ou de pressão
B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas
Placa de circuito impresso ou matriz de contactos, suporte de pilhas, caixa para montagem, fios, solda, etc.
Experiências Escolares
Sugestões de experimentos com o Estroboscópio encaixando-se nas exigências dos PCNs:
Disco estroboscópico de papelão
Atividades e experimentos:
Ensino fundamental
Estudar a persistência retiniana (como vemos as coisas!)
Associar o conceito de movimento ao funcionamento de nossos olhos (como vemos as coisas em movimento)
Ensino médio
O efeito estroboscópico
Medindo a velocidade de um motor
Ensino médio:
Como calcular a velocidade de um motor usando um disco estroboscópico.
Corda Vibrante e pêndulo
Ensino fundamental
Visualizando um fenômeno vibratório
Ensino médio
Ventilador
Stress e Coordenação Motora
Efeito sobre plantas e animais
