TACÔMETRO DO PAINEL SOLAR: 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

No INSTRUÍVEL "Painel Solar como Rastreador de Sombra", foi apresentado um método experimental para determinar a velocidade de um objeto a partir da projeção de sua sombra em um painel solar. É possível aplicar alguma variante deste método para estudar objetos rotativos? Sim, é possível. A seguir, será apresentado um aparato experimental simples que permitirá medir o período e a frequência de rotação de um objeto. Este aparato experimental pode ser utilizado durante o estudo da disciplina "Física: Mecânica Clássica", em particular durante o estudo da disciplina "Rotação de objectos rígidos". É potencialmente útil para alunos de graduação e pós-graduação, durante demonstrações experimentais ou aulas de laboratório.

Etapa 1: Algumas notas teóricas

Quando um objeto sólido gira em torno de um eixo, suas partes descrevem circunferências concêntricas a esse eixo. O tempo que leva para uma dessas partes completar a circunferência é chamado de período de rotação. O período e a frequência são magnitudes recíprocas. No Sistema Internacional de Unidades, o período é dado em segundos (s) e a frequência em Hertz (Hz). Alguns instrumentos para medir a frequência de rotação fornecem os valores em revoluções por minuto (rpm). Para converter de Hz para rpm, basta multiplicar o valor por 60 e você obterá o rpm.

Etapa 2: Materiais e Instrumentos

• Pequeno painel solar (100 mm * 28 mm)

• Lanterna LED

• Fita adesiva reflexiva

• Fita isolante preta

• Cabo elétrico

• Abraçadeiras

• Pistola de silicone quente

• Ferro de soldar e estanho

• Três peças de madeira (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Osciloscópio digital com sua sonda

• Objeto giratório para o qual você deseja medir sua frequência de rotação

Etapa 3: Princípio Operacional

Quando a luz atinge um objeto, uma parte é absorvida e outra refletida. Dependendo das características da superfície e da cor do objeto, essa luz refletida pode ser mais ou menos intensa. Se as características de uma parte da superfície forem alteradas arbitrariamente, digamos pintando-a ou colando-a em uma fita adesiva prateada ou preta, podemos intencionalmente causar uma mudança na intensidade da luz refletida naquela área. Aqui não estaríamos fazendo um "SHADOW TRACKING", mas estaríamos causando uma mudança nas características da iluminação refletida. Se um objeto em rotação for iluminado por uma fonte de luz e um painel solar estiver devidamente colocado, de forma que uma parte da luz refletida incida sobre ele, uma tensão deve aparecer em seus terminais. Essa tensão tem uma relação direta com a intensidade da luz que recebe. Se mudarmos a superfície, a intensidade da luz refletida muda e com ela a voltagem do painel. Este painel pode ser conectado a um osciloscópio e identificar variações de tensão em relação ao tempo. Se pudermos identificar uma mudança coerente e repetitiva na curva, medindo o tempo que leva para se repetir, determinaríamos o período de rotação e com ele, a frequência de rotação indiretamente, se a calcularmos. Alguns osciloscópios são capazes de calcular automaticamente esses valores, mas do ponto de vista do ensino é produtivo para os alunos calculá-los. Para simplificar esta atividade experimental, poderíamos inicialmente usar objetos que giram em rpm constantes e de preferência simétricos em relação ao seu eixo de rotação.

Resumindo:

1. Um objeto que gira continuamente reflete a luz que incide sobre ele.

2. A intensidade da luz refletida pelo objeto em rotação depende da cor e das características de sua superfície.

3. A tensão que aparece no painel solar depende da intensidade da luz refletida.

4. Se as características de uma parte da superfície forem alteradas intencionalmente, a intensidade luminosa da luz refletida naquela parte também mudará e com ela a voltagem no painel solar.

5. O período do objeto durante a rotação pode ser determinado medindo o tempo decorrido entre dois pontos com valores idênticos de tensão e comportamento com a ajuda de um osciloscópio.

Etapa 4: Projeto, Construção e Execução do Experimento

1. Solde dois condutores elétricos no painel solar. 2. Cubra os contatos elétricos no painel com silicone quente para evitar curto-circuitos.

3. Construa o suporte de madeira unindo com silicone quente ou outra cola as três peças de madeira como pode ser visto na imagem.

4. Cole o painel solar no suporte de madeira com silicone quente como mostrado na imagem.

5. Cole a lanterna no suporte de madeira conforme ilustrado na figura e prenda com laços de plástico.

6. Fixe os condutores elétricos do painel com outra flange ao suporte de madeira.

7. Cole no objeto que deseja estudar uma faixa de fita preta e depois uma faixa prateada como pode ser visto na imagem.

8. Inicie a rotação do objeto que deseja estudar.

9. Conecte a ponta de prova do osciloscópio corretamente aos condutores do painel solar.

10. Configure seu osciloscópio corretamente. No meu caso, as divisões de tensão eram 500mv e as divisões de tempo 25ms (isso vai depender da velocidade de rotação do objeto).

11. Coloque o aparato experimental que acabou de montar em uma posição onde os raios de luz sejam refletidos na superfície que gira e atingem o painel solar (ajude-se com o que você vê no osciloscópio para obter uma curva com mudanças mais pronunciadas).

12. Mantenha o aparato experimental fixo na posição adequada por alguns segundos para ver se os resultados da curva permanecem constantes.

13. Pare o osciloscópio e analise a curva para determinar quais posições correspondem à fita preta e quais correspondem à fita prateada. No meu caso, como o motor elétrico que estudei era dourado, as alterações causadas pela fita ficaram mais perceptíveis.

14. Usando os cursores do osciloscópio, meça o tempo decorrido entre os pontos com igualdade de fase, primeiro para a fita e depois para a fita prata e compare-os (devem ser iguais).

15. Se o seu osciloscópio não calcular automaticamente o inverso do período (frequência), faça isso. Você pode multiplicar o valor anterior por 60 e, assim, obter o rpm.

16. Se você tem o valor kv ou revoluções por volt (no caso de ser um motor que oferece essas características) multiplique o valor kv pela tensão de entrada, compare o resultado com o obtido por você durante o experimento e chegue a conclusões.

Etapa 5: algumas notas finais e recomendações

• É conveniente verificar inicialmente o status de calibração do osciloscópio para obter resultados confiáveis (use o sinal de calibração oferecido pelo osciloscópio, que geralmente é 1 khz).
• Ajuste a ponta de prova do osciloscópio corretamente. Você deve ver pulsos retangulares não deformados se usar o sinal gerado pelo próprio osciloscópio (veja a imagem).
• Investigue o tempo de resposta elétrica com o fabricante do seu painel solar (ficha técnica). No meu caso foi muito inferior ao período de rotação do motor elétrico que estudei, por isso não considerei sua influência nas medições que fiz.
• Compare os resultados obtidos por este método com os obtidos por um instrumento comercial e considere as vantagens e desvantagens de ambos.

Como sempre estarei atento às suas sugestões, comentários e dúvidas. Boa sorte e continue com meus próximos projetos!

Vice-campeão no Concurso de Ciências da Sala de Aula