Gramme e o desenvolvimento de suas máquinas: uma experiência multimídia

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1 Gramme e o desenvolvimento de suas máquinas: uma experiência multimídia Antonio Lopes de Souza 1, Margareth Guimarães Martins 2, Maria Ana Quaglino 3, Sergio Sami Hazan 4 Resumo O tema de nosso estudo são as máquinas elétricas de Zenobe Théophile Gramme ( ), um dos mais importantes patrimônios da história da eletricidade do século XIX. O trabalho foi realizado por uma equipe multidisciplinar formada por historiadores e engenheiros, que se utilizaram das informações biográficas e da memória científica e tecnológica contida nos manuais de época e resultou na construção de um ambiente virtual online e de livre acesso, onde seus usuários encontram modelos em realidade virtual, vídeos compostos de animações em 3D, textos e imagens sobre o tema estudado, que podem ser utilizados para o ensino e aprendizagem de História da Tecnologia e de alguns princípios de funcionamento de modernos dispositivos eletromecânicos. Além do que, a recuperação das imagens das máquinas e a replicação de algumas delas em realidade virtual permite que este patrimônio esteja acessível livremente a todos que necessitem de fontes para pesquisa sobre a História da Eletricidade em geral, e das máquinas elétricas em particular. Abstract The focus of our study are the electrical machines of Zenobe Théophile Gramme ( ), one of the most important patrimony of the history of electricity in the nineteenth century. The study was conducted by a multidisciplinary group formed by historians and engineers who worked with the biographical information and the memory of science and technology available in manuals of that time. This study lead to the construction of a free online virtual environment, where the users can find models in virtual reality, videos, 3D 1 Professor Adjunto, Ph.D, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica, Projeto LANTEG - Laboratório de Novas Tecnologias para o Ensino de Engenharia Elétrica, Centro de Tecnologia, Bloco H, sala I-154-B, Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, CEP Caixa Postal Telefone: , 2 Historiadora, D.Sc.,Pesquisadora associada ao Projeto LANTEG, Departamento de Engenharia Elétrica DEE/UFRJ, 3 Historiadora, Ph.D., Pesquisadora associada ao Projeto LANTEG, Departamento de Engenharia Elétrica DEE/UFRJ, 4 Professor Associado, Ph.D., Universidade Federal do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica DEE/UFRJ,

2 animations, texts and images on the theme on focus. These resources are available to be used for teaching and learning History of Technology and some operating principles of the Modern Electromechanical Devices. Also, the recovery of images from the early electrical machines and the replication of some of them in virtual reality contribute to make this heritage to be freely accessible to all who need to research on the History of Electricity and on the evolution of the Electrical Machines Technology. Introdução O estudo do processo de produção das máquinas elétricas antigas permite resgatar não apenas a máquina em si, mas também o projeto de desenvolvimento das mesmas. As máquinas de Gramme são paradigmas da ciência e tecnologia da Eletricidade do final do século XIX e início do XX, além do que eram máquinas muito populares uma vez que foram exportadas da França para todo o mundo, inclusive o Brasil. Zenobe Théophile Gramme, um homem de poucos estudos, nascido na Bélgica em 1826, muito jovem imigrou para a França e teve contato com a produção de máquinas e dispositivos elétricos por sua habilidade manual. Depois de ter passado por uma das empresas pioneiras da época, aperfeiçoou seus conhecimentos e montou seu próprio negócio. Gramme desenvolveu diversos protótipos, a partir de seu conhecimento prático de mecânica e dos estudos técnicos em Física, que foram reconhecidos pela comunidade acadêmica da época. As empresas de Gramme conseguiram superar a produção artesanal e tornaram-se construtoras de máquinas padronizadas, que permitiam o seu aproveitamento em sistemas de geração e distribuição de eletricidade. As aplicações de suas máquinas foram as mais variadas, incluindo motores para a indústria, o transporte ferroviário e geradores para sistemas de iluminação. Nossa pesquisa girou em torno de diversos modelos de máquinas de Gramme que foram encontrados em manuais do século XIX, patentes, periódicos especializados em Ciência e Tecnologia da época e museus. O projeto de tais modelos encerra um patrimônio imaterial que é base da moderna tecnologia da Eletricidade. Neste sentido, resgatar esse patrimônio permite, em primeiro lugar, entender como se deu o processo de produção do conhecimento na área e, em segundo lugar, contribui para o ensino e aprendizagem da tecnologia de máquinas elétricas incluindo as modernas.

3 As redes sociais de Gramme Ao pesquisarmos nosso objeto pudemos não apenas recuperar o desenvolvimento da tecnologia em si, mas também reconstituir historicamente as redes sociais do conhecimento daquela época. Tais redes abrangiam as relações sociais, econômicas e profissionais, ou seja, as empresas, as instituições de ensino, divulgação científica e classistas, e o relacionamento pessoal entre os cientistas e fabricantes de máquinas elétricas através de encontros promovidos pelas instituições acima relacionadas, correspondências, estágios e relações de trabalho e comerciais. O primeiro contato de Zenobe Gramme com a eletricidade foi na Société L Alliance ( ), pioneira na produção de dispositivos elétricos, fundada pelo belga Floris Nollet ( ), onde trabalhou como operário levado por um conterrâneo que encontrou em Paris por acaso. Nesta empresa, Gramme manteve contato com seu engenheiro-chefe e superintendente Joseph van Malderen, um dos mais importantes empresários no ramo de dispositivos elétricos de sua época. Ao deixar a L Alliance, Gramme foi trabalhar com o inventor e construtor de máquinas elétricas alemão, radicado em Paris, Heinrich Daniel Ruhmkorff ( ). Ruhmkorff foi um dos pioneiros no desenvolvimento da bobina de indução e teve seu trabalho imortalizado nas obras de Julio Verne. Nesta mesma época, Gramme estudou Física no Conservatoire des Arts et Métiers, onde provavelmente foi aluno de Antoine Becquerel ( ), conhecido como o pai da radioatividade. Em 1864, trabalhou com o engenheiro francês Henri Émile Bazin ( ), notabilizado por seus conhecimentos em Mecânica e Hidráulica. Estudou diversos manuais de teoria da eletricidade com dedicação e, a partir de 1867, obteve diversas patentes de máquinas elétricas. Estudou com dedicação diversos manuais de teoria da eletricidade, e a partir de 1867 obteve diversas patentes de máquinas elétricas. Em 1868, trabalhou em Londres com o fotógrafo francês André Adolphe Eugène Disdéri ( ), considerado um dos grandes representantes da fotografia acadêmica, que, aliás, registrou a imagem de diversas de suas máquinas. Ao voltar de Londres para Paris se dedicou às pesquisas e aperfeiçoamento de suas invenções, que resultaram no primeiro dínamo reversível de corrente contínua. O Anel de Gramme foi uma adaptação de um anel inspirado no dispositivo do físico e inventor italiano Antonio Pacinotti ( ) adaptado a um dínamo, criando um dos primeiros modelos práticos de gerador de corrente contínua,

4 que se transformou em um dos marcos da história das máquinas elétricas. Uma máquina resultante do aperfeiçoamento de sua invenção foi apresentada pelo físico francês Jules Célestin Jamin ( ) na Academie de Sciences de Paris, em 17 de julho de 1871 e introduziu definitivamente Gramme na comunidade científica de seu tempo. Depois de uma breve volta à Bélgica por temores da Guerra Franco-Prussiana ( ), Gramme retorna a Paris e afirma-se como empresário do ramo de máquinas elétricas ao fundar a Société des Machines Magnéto-Électriques Gramme e se associar ao engenheiro francês Hippolyte Fontaine ( ) para a ampliação dos negócios. Como empresário manteve relações, por exemplo, com Alexander Ionides, diretor da Native Guano Company e com o químico e físico inglês William Crookes ( ), que comercializou várias de suas máquinas. Gramme e suas máquinas estiveram presentes nas Exposições Internacionais de Viena (1873) e da Filadélfia (1876) onde alcançaram grande notabilidade, incluindo a atenção do então jovem estudante Nikola Tesla ( ), que se tornaria um dos mais renomados inventores da Engenharia Elétrica. As máquinas de Gramme foram exportadas para diversas partes do mundo e serviram de base para a invenção e produção de diversas outras máquinas por notáveis engenheiros e grandes empresas tais como Siemens & Halske, Edison e Westinghouse. As máquinas de Gramme garantiram uma confortável aposentadoria a seu inventor, que morreu em 1901, reconhecido por franceses e belgas como um importante inovador no ramo da indústria de equipamentos elétricos. As máquinas de Gramme e o desenvolvimento tecnológico O funcionamento dos motores e geradores elétricos é regido pela Lei da Indução Eletromagnética de Faraday, elaborada em 1831, que estabelece que uma tensão é gerada em um condutor em movimento dentro de um campo magnético. A partir do domínio do conhecimento sobre esse fenômeno uma série de dispositivos eletromecânicos foi desenvolvida com a intenção de gerar energia elétrica (no caso dos geradores) ou de efetuar trabalho mecânico (no caso dos motores). A história das máquinas elétricas pode ser pontuada pelas tentativas que os construtores fizeram na busca de dispositivos eletromecânicos cada vez mais eficientes. Zénobe Gramme foi um desses construtores e seu nome passou a marcar a história das máquinas elétricas a partir da adaptação que fez de uma máquina desenvolvida

5 por outro construtor, o italiano Antonio Pacinotti. A máquina original do Pacinotti, mostrada na Figura 01, continha um anel maciço de ferro com eixo de rotação vertical ao redor do qual eram enroladas 16 bobinas elétricas regularmente espaçadas por cunhas de madeira, como no detalhe da Figura 02. As bobinas eram ligadas em série e cada conexão entre duas dessas bobinas era ligada a uma lâmina de um coletor de tensões, localizado na base do eixo vertical de giro do anel, como indicado na Figura 01. Essa estrutura circular é comumente conhecida como armadura ou anel de Pacinotti. O anel de Pacinotti girava no campo magnético produzido por dois eletroímãs verticais, indicados na Figura 01, alimentados por corrente contínua fluindo em sentidos opostos. Esse fluxo de corrente em sentidos opostos dava origem a pólos Norte e Sul, respectivamente, na parte superior dos eletroímãs. A rotação do anel de Pacinotti sobre os pólos Norte e Sul dos eletroímãs verticais induzia tensões nas bobinas que o compunham, tensões essas que eram captadas a partir dos coletores de tensões. Figura 01- A máquina original de Pacinotti de acordo com uma ilustração do século XIX.

6 Figura 02 Detalhe da máquina de Pacinotti mostrando a armadura em anel. Zénobe Gramme partiu do anel de Pacinotti para, com algumas mudanças importantes, propor a estrutura de suas primeiras máquinas elétricas. Uma das mudanças significativas introduzida por Grame foi uso um anel laminado, composto por um feixe de fios de ferro isolados entre si ao invés do núcleo sólido de ferro de Pacinotti. O uso desse anel de fios de ferro isolados teve como objetivo a redução das correntes induzidas no núcleo (conhecidas como correntes de Foucault) e, conseqüentemente, o aquecimento associado. Esse aquecimento comprometia o rendimento da máquina de Pacinotti, já que parte da energia a ser produzida era transformada em calor ao invés de eletricidade. A nova estrutura resultante dessa modificação, desenvolvida por Gramme em torno de 1869, passou a ser conhecida como Anel de Gramme e constituiu-se numa das primeiras armaduras de uso prático desenvolvidas. Ela é mostrada com detalhes na Figura 03.

7 Figura 03 Detalhe do Anel (armadura) de Gramme a partir de uma ilustração do século XIX. Outra mudança importante introduzida por Gramme foi o aumento do número de bobinas no anel, passando de 16 para 32 bobinas. Esse aumento visou reduzir a pulsação da tensão gerada na saída da máquina. Com o objetivo de fazer com que o campo magnético atuasse sobre mais bobinas (espiras), Gramme dispôs o anel verticalmente entre sapatas polares que o envolviam quase completamente, como mostrado na máquina da Figura 04. Essa nova configuração permitiu também que o espaço entre a armadura e entreferro fosse reduzido, aumentando a eficiência da máquina analisada. Gramme desenvolveu várias máquinas baseadas no uso da sua versão da armadura em anel. Dentre elas destaca-se a mostrada na Figura 04 que é uma máquina de laboratório, movimentada a manivela (há uma versão da mesma movimentada por pedal), tendo como parte rotativa a armadura em anel na posição vertical. Essa apresenta uma característica importante que é o uso de um ímã permanente laminado, uma invenção do físico francês Jules C. Jamin no começo dos anos Essa máquina, um modelo prático de um gerador de corrente contínua, foi adaptada para gerar altas tensões e nesta configuração foi apresentada pelo físico Jules C. Jamin à Academie de Sciences de Paris em Essa máquina representava uma das mais importantes contribuições de Gramme ao desenvolvimento das máquinas elétricas, que foi o uso de um comutador para permitir a obtenção de corrente

8 contínua. Esse comutador é um precursor dos comutadores usados nas modernas máquinas de corrente contínua. As máquinas de laboratório de Gramme foram usadas em decomposições eletroquímicas, para energizar eletroímãs, bobinas de indução, e em experimentos diversos envolvendo conceitos de eletrodinâmica. Figura 04 - Máquina de Gramme de laboratório de Ainda em 1871, como citado acima, Gramme fundou a Société des Machines Magnéto- Électriques Gramme e, em companhia de Hippolyte Fontaine, passou a fabricar seus dínamos. Em 1873, durante uma exibição na Exposição de Viena, Gramme percebeu acidentalmente que os dínamos de corrente contínua poderiam trabalhar em modo reverso como motores de corrente contínua. A importância de Zénobe Gramme para o desenvolvimento da tecnologia de máquinas elétricas pode ser medida pelo grande número de diferentes usos que tiveram. Elas foram empregadas na iluminação, galvanoplastia, medicina, na purificação da soda, em usinas de açúcar para separar os sais do melaço, na produção de lâmpadas de segurança para os mineiros de minas de cobre ou para interromper automaticamente o funcionamento de teares, quando a agulha entortava ou a linha se quebrava. Em relação às aplicações na medicina, vale reproduzir uma lista de aplicações apresentada por Hippolyte Fontaine: as

9 máquinas eram usadas para aplicar choques terapêuticos, na cauterização de tecidos e na decomposição de tecidos para o tratamento de tumores. As máquinas de Gramme como lugares de memória científica e o uso da multimídia As máquinas de Gramme são lugares de memória científica, tanto pelos vestígios de história da técnica que encerram, quanto pelos monumentos que sãos à ciência e seus inventores; note-se que elas frequentemente estão presentes nas estátuas em homenagem ao inventor. Gramme obteve reconhecimento em vida quando, por exemplo, recebeu o tradicional Prêmio Volta da Academie des Sciences de Paris, que lhe garantiu um posto em sua legião de honra (1888). Tal reconhecimento se perpetuou no imaginário popular, tanto assim, que em 2005, foi eleito em um programa de televisão como o 23º mais importante belga e por sua presença no You Tube (http://www.youtube.com/watch?v=3a_7wz7p8hu ou por exemplo) e diversas estátuas em Paris, como a do Musée National des Arts et Metiers (foto abaixo). Sendo assim, as máquinas elétricas de Gramme foram as chaves para desvendar o processo de produção do conhecimento científico do Século XIX no campo da eletricidade, das redes sociais da época e da relação Passado-Presente da Ciência e Tecnologia com a Sociedade. A Figura 05 apresenta reproduz uma feita por David.Monniaux a partir de uma escultura de Gramme feita pelo artista Mathurin Moreau ( ) e localizada na entrada na entrada do Musée des Arts et Métiers em Paris.

10 Figura 05 Estátua de Zenobe Gramme localizada na entrada do Musée des Arts et Métiers em Paris. Fazendo parte da composição há a reprodução de uma das máquinas elétricas desenvolvidas por Gramme para uso nos processos de galvanoplastia. As máquinas de Gramme e a multimídia As réplicas virtuais das máquinas de Gramme têm sido usadas pela equipe do Projeto LANTEG no desenvolvimento de recursos didáticos e para-didáticos. Embora as máquinas apresentadas não sejam mais utilizadas, são importantes para a compreensão do projeto consolidado de dispositivos elétricos de sua época. O conjunto das máquinas de Gramme exemplifica o desenvolvimento da tecnologia de dispositivos eletromecânicos, uma vez que retrata a busca constante de seu construtor e de seus pares por redução de custo e eficiência. Neste sentido, utilizamos a multimídia para resgatarmos a produção de Gramme com o objetivo de produzir instrumentos voltados para voltados para o ensino e a aprendizagem da tecnologia de máquinas elétricas, que permitem a comparação com as máquinas de sua época e as atuais. Além disso, tais recursos auxiliam na compreensão dos conceitos da moderna teoria dos dispositivos eletromecânicos.

11 Referências Bibliográficas 1 Andrade, Edward ; The Early History of the Permanent Magnets; Endeavour, Vol.17, N o 65, jan.1958, pp.1-9.) 2 Chavois, Louis; Histoire merveilleuse de Zénobe Gramme, inventeur de la dynamo. Paris: Librarie scientifique et technique A. Blanchard, Fontaine, Hippolite.; Electric Lighting, A Practical Treatise, Musée National Techniques. Zenobe Gramme. [online]. Disponível na Internet via 5 Projeto Lanteg- DEE/UFRJ. Museu Histórico Virtual de Máquinas Elétricas. [online]. Disponível na internet via

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