Medidas de massa: o estado da arte

Laís Rosa de Oliveira

Introdução e Definições

O objetivo deste texto é descrever os métodos atualmente empregados na realização de medidas de massa. No dia-a-dia há necessidade de medir massas em diferentes escalas: no supermercado, ao comprar determinado produto; no laboratório, com precisão mais avançada, ao determinar a quantidade de certa substância para uma reação química; nas rodovias, para fiscalizar se as cargas transportadas respeitam os limites legais. Podemos citar diversos exemplos diários para ilustrar a necessidade de medição de massa.
Mas, antes de tratar dos instrumentos de medida, precisamos definir “qual” massa estamos nos referindo, pois existem diversas maneiras de definir massa, dentro de diversos contextos, porém como iremos ver, os aparelhos de medida são baseados nas definições de massa da mecânica newtoniana. Entretanto, apesar de muito bem definida dentro de cada área de estudo onde aparece "explicar" o conceito de massa não é uma coisa muito simples, e não existe uma definição suprema. Atualmente existem algumas teorias que tentam buscar nas origens o que é massa e se existe um conceito unificado.
A balança, por exemplo, é o instrumento mais utilizado atualmente para medir a massa gravitacional de um objeto. O leitor pode-se perguntar por que enfatizar o termo “gravitacional” na denominação da massa medida pelas balanças e esta resposta é simples: como veremos a seguir, as balanças baseiam suas medidas, basicamente, na leitura da força peso exercida pelos objetos sobre o equipamento, devido a deformações ou interações do próprio objeto com seus sensores. A força peso está relacionada com a influência mútua entre os corpos e o campo gravitacional gerado por eles devido à existência de suas massas, ditas gravitacionais para diferenciá-las das massas inerciais, que se tratam da constante de proporcionalidade entre uma força aplicada em um objeto e a aceleração por ele adquirida, de acordo com a 2ª Lei de Newton. Esta distinção massa inercial e massa gravitacional torna-se irrelevante quando assumimos que existe a equivalência entre estas duas grandezas, comprovada experimentalmente, com precisão crescente, por Galileu, Newton e Bessel e mais tarde por Eötvös e Dicke. [1, 2]

A balança

Assumindo então o conceito de massa gravitacional e sua equivalência com o segundo conceito existente dentro da Mecânica Clássica passamos agora a descrever o funcionamento da balança, que se trata do instrumento mais utilizado, inclusive em diferentes escalas, para medidas de massa.
Quanto ao tipo, uma balança pode ser: [3, 4, 5]

Analítica – Também chamada de balança de precisão é aquela de uso mais restrito, destinada principalmente a determinação de massas com alta precisão e em condições ambientais controladas (temperatura, umidade, etc.).
Comum – Utilizada em supermercados e no comércio em geral é destinada a medida de massas de mercadorias e produtos do dia-a-dia.
Industrial – Aquela que se destina a medições de cargas muito elevadas.
Rodoviária – Quando se destina à medição do peso de veículos em trânsito.

Os dispositivos internos de funcionamento podem ser: [3]

Mecânico - quando o dispositivo é composto por elementos mecânicos tais como molas, cabos tensores, hastes rígidas, componentes hidráulicos, pneumáticos etc.;
Eletrônico - quando o dispositivo é composto por elementos eletrônicos, tais como células de carga, circuitos integrados, microprocessadores etc.;
Híbrido - quando o dispositivo é composto por elementos mecânicos e por elementos eletrônicos.

Balança Mecânica

A medida de massa em uma balança com funcionamento mecânico é realizada mediante a comparação direta entre dois objetos, um de massa conhecida e outro de massa desconhecida. A balança mecânica nada mais é do que uma alavanca, que mostra o ponto de equilíbrio entre os dois corpos. Durante muito tempo as balanças mecânicas foram utilizadas, porém com os avanços tecnológicos e com a busca por maior precisão, as balanças eletrônicas tornaram-se mais populares.

Créditos das Imagens: Referência [4]

Balança Eletrônica

Descreveremos agora os detalhes do funcionamento da balança eletrônica que possui maior sensibilidade, precisão e, portanto, é a mais empregada atualmente. [4, 6, 7]


Créditos das Imagens: Referência [4]

Uma das formas de funcionamento ocorre da seguinte maneira: sob o prato há um equipamento denominado de célula de carga, que sofre uma compressão quando um corpo é colocado sobre o prato. A célula de carga, também chamada de dínamo atua como um transdutor, captando a intensidade de compressão e transformando essa energia mecânica recebida, em pulso elétrico. Quanto maior a pressão recebida, maior será o sinal elétrico produzido. O pulso elétrico gerado pela célula de carga é imediatamente enviado ao processador da balança. A variação de intensidade elétrica recebida pelo processador influencia no resultado medido, ou seja, quanto maior a carga recebida, maior será a massa calculada pelo processador.


Créditos das Imagens: Referências [8] e [9]

Outro princípio usado nas balanças eletrônicas é a aplicação de uma força restauradora eletromagnética ao suporte do prato da balança. Uma corrente elétrica na bobina cria um campo magnético que suporta ou levita o cilindro, o prato, um braço indicador e o objeto sobre o prato. A corrente é ajustada, de modo que o nível do braço indicador fique na posição nula quando o prato está vazio. Quando um objeto é colocado no prato da balança, o deslocamento do suporte é compensado. A intensidade da força restauradora é controlada pela corrente que passa pelas bobinas do sistema de compensação eletromagnética, que, por sua vez, é proporcional à massa adicionada. Um microprocessador converte a intensidade de corrente em massa, sendo mostrada no visor.


Crédito da Imagem: Referência [6]

Precisão

As balanças eletrônicas são de vários tipos, com leituras de escala indo desde 0,1 mg (macrobalança) até 0,1 µg (ultramicrobalança).

Curiosidade: A Yoctobalança

A balança mais sensível do mundo, baseada na vibração de um nanotubo de carbono, é capaz de medir massas na ordem de yoctogramas, ou seja 1/1000000000000000000000000 g. Seu funcionamento baseia-se na comparação a frequência de ressonância do nanotubo antes e depois que a massa a ser pesada for depositada sobre ele.[10]


Créditos da Imagem: Referência [10]

Referências

[1] Blog Luis Perna http://luisperna.com.sapo.pt/massa.htm
[2] Wikipédia: artigo “Massa” http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa
[3] Wikipédia: artigo “Balança” http://pt.wikipedia.org/wiki/Balan%C3%A7a
[4] Blog Sala de Física http://www.geocities.ws/saladefisica7/funciona/balanca.html
[5] Página de Química UFPA http://www.ufpa.br/quimicanalitica/sbalancas.htm
[6] Artigo na revista eletrônica Química Nova http://quimicanova.sbq.org.br/qn/qnol/2004/vol27n6/29-AG03221.pdf
[7] Blog ForceSystem http://www.forcesystem.com.br/balanca-eletronica-digital-como-funciona-saiba-tudo/
[8] Site Metrolog http://www.metrolog.net/transdutores/force/elaf.php?lang=ptbr
[9] Página sobre Stain Gauge no site Omega http://www.omega.com/literature/transactions/volume3/strain.html
[10] Site Inovação Tecnológica http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=balanca-mais-sensivel-mundo-pesa-proton&id=010165120405

Licença

Texto e conteúdo em geral em Creative Commons – BY – SA. Imagens com seus créditos mencionados, ver artigo principal.

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