sexta-feira, 25 de dezembro de 2009

A FÍSICA DO POPULAR PISCA-PISCA NATALINO






Cada vez mais, na medida em que a tecnologia se desenvolve, torna-se mais popular e vai ficando mais barata, temos tido uma verdadeira invasão de sistemas pisca-pisca em nossas casas na época de Natal para simbolizar a alegria cristã nesta data ímpar.
É verdade que não é muito ecológico o uso aumentado da energia elétrica nesta época do ano. Mas, por um pequeno período, vale a pena porque o espírito de Natal valoriza o Humano. Trocamos um valor pelo outro. E a troca é justa.
Neste post vou abordar rapidamente como funcionam os sistemas pisca-pisca.

:: Os mais antigos, com lâmpadas em série




Note que numa ligação em série(1), como na figura acima, não há bifurcações no circuito(2). A corrente elétrica(3), empurrada pela fonte(4), sai de um pólo e entra no outro, tendo apenas um único caminho a seguir.
Assim, a corrente que atravessa cada lâmpada tem sempre a mesma intensidade uma vez que há um fluxo contínuo de elétrons através de todos os elementos do circuito. Nesta condição, todas as lâmpadas funcionam juntas, ou seja, ou estão todas acesas (sendo percorridas por corrente elétrica, como na figura acima) ou todas apagadas (não sendo percorridas por corrente elétrica, como na figura abaixo).


Podemos, através de uma chave (ou interruptor) CH, controlar o circuito e deixá-lo ligado ou desligado, fazendo-o piscar, como na animação abaixo.


Mas ninguém vai querer ficar com a mão na chave CH em plena noite de Natal ligando e desligando o circuito, vai? Deve haver alguma forma de automatizar esta tarefa chata, não é mesmo? E há algumas! Vou explicar os detalhes logo adiante.
Antes, porém, note que na ligação em série, se uma das lâmpadas “queimar”, ou seja, tiver seu filamento interrompido, imediatamente apaga. E não sendo mais percorrida por corrente, funciona como a chave CH, interrompendo o fluxo de elétrons no circuito todo fazendo com que todas as outras lâmpadas se apaguem simultaneamente. Aliás, quando isso acontece, se não for possível identificar a lâmpada queimada visualmente, temos que ir testando uma a uma, trocando-a por outra lâmpada seguramente em funcionamento, até descobrir qual lâmpada pifou. Um trabalhão!
Se por um lado o corte de corrente por uma lâmpada "queimada" é um “problema” que afeta todo o circuito de uma vez já que todas as lâmpadas funcionam sempre juntas, por outro lado também é a solução para o sistema pisca-pisca. Pense bem: se apenas uma das lâmpadas tiver um dispositivo automático de liga/desliga, todas as outras lâmpadas podem acompanhar esta lâmpada mestra que "pisca sozinha", fazendo todo o sistema acender e apagar em sincronia. Concorda? Mas como fazer uma lâmpada piscar de forma autônoma?
Aqui entra uma idéia simples, barata, porém bastante criativa: a lâmina bimetálica. Como o próprio nome já diz, a lâmina é feita de dois metais (condutores) diferentes colados um ao outro, como mostra a ilustração a seguir.


Como os metais são diferentes, se sofrerem aquecimento, sofrerão também dilatações térmicas diferentes e ficarão com comprimentos finais diferentes. Se na temperatura ambiente as fatias metálicas têm o mesmo comprimento L0, ao serem aquecidas, uma delas vai dilatar mais e, portanto, ficará mais comprida. Vamos supor, só para raciocinar, que o metal 1 dilata mais do que o metal 2. Assim, teremos no final, auma temperatura maior,  L1 > L2. Isso fará com que a lâmina bimetálica como um todo se curve (veja figura a seguir) pois o lado de fora de uma curva é sempre mais comprido que o lado de dentro. Certo? 

Neste caso, o metal 1, que dilata mais, fica por fora.


Se dentro da lâmpada mestra tivemos uma pequena lâmina bimetálica ligando dois pontos (pólos) do circuito, a lâmina encurvada pode fazer o papel de chave CH do tipo liga/desliga, desconectando uma das pontas, desfazendo o contato elétrico.
Veja a próxima figura que mostra a lâmina bimetáica "fria", ou melhor, na temperatura ambiente, ainda com o formato retilíneo, ligando os dois pólos e fechando o circuito, permitindo a passagem de corrente elétrica.


A próxima ilustração mostra a lâmina bimetálica aquecida, com os dois metais dilatados de forma diferencial, o que confere a lâmina perfil curvo. Agora os dois pólos do circuitos não estão mais em contato elétrico. A lâmpada mestra está apagada, ou seja, o circuito inteiro está aberto e todas as lâmpadas permanecem apagadas.


Note que, se a lâmina bimetálica esfriar, volta a ficar reta. A outra ponta que havia se desconectado, interrompendo o circuito, volta a fazer contato elétrico e a lâmpada mestra fica novamente acesa. A corrente elétrica volta a circular em todo o circuito e todas as outras lâmpadas imediatamente acendem em sincronia com a lâmpada mestra. Você poderia contratar um duende para ficar ligando e desligando a chave CH. O efeito seria o mesmo. Mas nesta época de Natal os duentes geralmente estão empregados ajudando Papai Noel na sua tarefa de espalhar presentes pelo globo terrestre! Neste caso, a lâmpada mestra com uma lâmina bimetálica é uma solução barata e bastante eficiente.
Observação: Se você já viu um circuito de pisca-pisca desses sabe muito bem que na prática, ao ser ligado, imediatamente todas as lâmpadas acendem e assim permanecem por alguns segundos antes de começarem a piscar juntas. É que demora alguns segundos para que a lâmina bimetálica sofra aquecimento e se curve, desligando todo o circuito. E, sem corrente no circuito, a lâmina bimetálica da lâmpada mestra esfria, fica reta e fecha o circuito. Aí a corrente elétrica volta a circular fazendo todas as lâmpadas acenderem novamente. E neste posnto a lâmina, que estava na temperatura ambiente, agora está pré-aquecida. A partir daí, a lâmina entra num regime de equilíbrio passando a trabalhar regularmente dentro de uma faixa de temperaturas. Desta alternância agora regular de esquenta/apaga e esfria/acende, temos o efeito pisca-pisca com boa constância, como se alguém estivesse ligando e desligando periodicamente o interruptor CH!
E antes que você me pergunte de onde vem a energia (calor) para produzir aquecimento da lâmina bimetálica, lembro que existe um outro “problema” em qualquer circuito elétrico: quando a corrente elétrica passa por qualquer condutor, os elétrons, por interação com a matéria, sofrem irremediavelmente uma "dificuldade" que tecnicamente chamamos de resistência elétrica. Mesmo num bom condutor haverá sempre uma resistência elétrica, ainda que pequena, mas não desprezível. Por conta disso, parte da energia elétrica será dissipada na forma de calor. É o que chamamos na Física de Efeito Joule. E este calor vai provocar aquecimento em todo o circuito, inclusive na lâmina bimetálica. Todos nós sabemos e já vimos na prática que desde uma lâmpada elétrica comum até um aparelho eletrônico mais sofisticado, depois de um tempo de funcionamento, é notável o aquecimento do sistema. E é justamente esse aquecimento por Efeito Joule que vai fazer a lâmina bimetálica da lâmpada mestra esquentar e se curvar. Quando o circuito é aberto, ou seja, é desligado, sem corrente elétrica por um período, não temos mais dissipação de energia na forma de calor. Aaí a lâmina bimetálica perde calor para o ambiente, esfria, e volta a ficar reta. O contato elétrico é então restabelecido, repetindo todo o processo automaticamente.

:: Os mais modernos, com lâmpadas em paralelo

Note na figura acima que agora há bifurcações no circuito. Dizemos que os elementos estão ligados em paralelo(5). Como vantagem imediata, em paralelo, se uma lâmpada pifar, as outras continuam ligadas, submetidas à mesma tensão, e portanto funcionando. Uma chave CH pode controlar o circuito inteiro, ligando-o ou desligando-o. Mas é possível chavear cada elemento, cada lâmpada, que pode estar ligada ou desligada independente das outras.
Por outro lado, o truque simples de usar uma lâmpada mestra para controlar o efeito pisca-pisca de todas as outras não pode mais ser usado. Neste caso, quem é que faz o controle e decide quem e quando acende ou apaga?
Nestes sistemas é comum o uso de um circuito eletrônico, quase sempre baseado num chip(6) simples capaz de controlar a energia elétrica em canais diferentes. Neste caso, quem provoca a alternância entre ligado e desligado (aceso e apagado) é o chip. Veja na imagem abaixo um esquema de um chip com quatro canais (+) e um terminal (-) comum a todos os canais. 

Com um chip destes podemos ligar a cada canal um conjunto de lâmpadas de cores diferentes. Imagine, por exemplo, a seguinte configuração: canal 1 - lâmpadas vermelhas, canal 2 – lâmpadas amarelas, canal 3 – lâmpadas verdes, canal 4- lâmpadas azuis. É exatamente o que tenho em minha árvore de Natal aqui em casa (veja um esquema na ilustração logo abaixo).

O chip controla qual canal terá energia elétrica e, portanto, qual cor de lâmpada será acesa num dado momento. É possível ainda programar o chip para produzir “efeitos especiais” e, em vez de apenas um acende/apaga monótono e repetitivo, podemos ter múltiplas alternâncias de cores e ainda controlar o tempo que cada cor fica acesa. A eletrônica, neste caso, garante um show menos óbvio e, portanto, muito mais divertido. 
A foto abaixo mostra a caixinha do sistema que controla o pisca-pisca da minha árvore de Natal. Note que na saída temos 5 fios, os quatro (+) de cada um dos canais e o (-) comum a todos os canais. Em cada conjunto as lâmpadas vermelhas, amarelas, verdes ou azuis são ligadas em paralelo entre si. E os quatro conjuntos são controlados de forma independente por cada um dos quatro canais do chip. 

Saída de 5 fios: 4 (+), um por canal, e 1 (-) comum a todos os canais
Note ainda na foto acima a presença de um botão "push" que controla 8 efeitos especiais programáveis, ou seja, oito formas diferentes do conjunto de quatro cores piscar. 

:: Queda de Preços

Como eu disse no começo deste post, os sistemas pisca-pisca, fabricados em larga escala, ainda mais num mundo de economia globalizada onde entram os chineses com mão de obra baratíssima, estão bem mais em conta.
É possível encontrar em lojas tipo “um e noventa e nove” sistemas simples de pisca-pisca em série com lâmina bimetálica com cerca de 100 lâmpadas variando entre R$ 2,00 e R$ 5,00.
Já os mais sofisticados, eletrônicos, controlados por microchip, são encontrados na faixa dos R$ 10,00 aos R$ 20,00 e têm também pelo menos uma centena de lâmpadas em vários conjunto de cores.
Não é por acaso que a decoração natalina está cada vez mais sofiticada, divertida, e presente em nossas vidas.

Fonte : http://fisicamoderna.blog.uol.com.br

Um comentário:

  1. Achei muito interessante. vou usar essa teoria para apresentar um experimento e passar de semestre...vlw Deus abençõe ;)

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