Engenharia Mecânica em Casa Relógios

Engenharia Mecânica em Casa Relógios Projeto FEUP 2015/2016 -- Engenharia Mecânica: Armando Sousa Teresa Duarte Equipa 1M03_2: Supervisor: José Ferreira Duarte Monitor: Bruno Sousa Tiago Abreu Estudantes & Autores: Ana Catarina Moura Loureiro Costa up201506762@fe.up.pt Ana Oliveira Tavares up201505590@fe.up.pt Carlos André Amaro Capitão up201506426@fe.up.pt Duarte Alão Magalhães Silva Moutinho up201505777@fe.up.pt João Francisco Soares Teixeira Magalhães Barbosa up201503037@fe.up.pt

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Índice 1. Resumo... 5 2. Introdução... 6 3. O Impacto do Relógio... 7 4. Tipos de Relógio... 10 4.1. Relógio de Sol... 10 4.2. Relógio de Água... 11 4.3. Relógio de Areia... 13 4.4. Relógio Mecânico... 14 4.5. Relógio de Pêndulo... 18 4.6. Relógio de Quartzo... 20 4.7. Relógio Digital... 22 4.8. Relógio Atómico... 23 4.8.1. Cécio 133:... 24 4.8.2. Método de Aplicação (GPS):... 25 5. A Utilização do Relógio em Casa... 26 6. Conclusão... 28 Referências Bibliográficas... 29 Referências Bibliográficas das Imagens:... 31 Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 3

Lista de Figuras Figura 1: Relógio de Bolso... 8 Figura 2: Ilustração/sátira sobre o papel do relógio na sociedade... 9 Figura 3: Relógio de Sol... 10 Figura 4: Clepsidra... 11 Figura 5: Clepsidra desenvolvida por Ktesibio (mais precisa)... 12 Figura 6: Ampulheta... 13 Figura 7: Mecanismo básico de um relógio mecânico... 14 Figura 8: Principais constituintes do relógio mecânico... 15 Figura 9: Constituição da corda... 16 Figura 10: Sistema de engrenagens e escapamento... 17 Figura 11: Escapamento... 17 Figura 12: Movimento de um pêndulo... 18 Figura 13: Mecanismo básico de um relógio de pêndulo... 19 Figura 14: Principais componentes de um relógio de quartzo... 20 Figura 15: Relógios de Quartzo... 21 Figura 16: Esquema sobre o funcionamento básico de um relógio digital... 22 Figura 17: Relógio Atómico... 23 Figura 18: Relógio Atómico em Miniatura... 23 Figura 19: Campo magnético aplicado ao Cécio... 24 Figura 20: Método da trilateração... 25 Figura 21: Relógio de pêndulo com efeito decorativo... 27 Tabela 1: Principais características de relógios e a sua adequação no uso doméstico... 27 Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 4

1. Resumo O relógio é uma das invenções mais significativas do homem. A história dos relógios acompanha, efetivamente, a própria história da civilização. Desde muito cedo que o Homem teve a necessidade de contar o tempo, primeiro a sequência do dia e da noite, depois a das fases da Lua, a das marés e, mais tarde, a sequência das estações do ano. Terão decorrido 6.000 anos para o Homem começar a contabilizar a passagem das horas. Iniciada à pouco mais de um século, a industrialização dos relógios é atualmente uma das indústrias mais evoluídas do nosso planeta, sendo produzidos em todo o mundo cerca de 250 milhões de unidades anualmente. Partindo-se do Sol como referência natural em função dos dias e das noites, os relógios de Sol foram acompanhados por outros que utilizavam o escoar de materiais (relógios de água e areia) até se chegar aos dispositivos mecânicos que originaram os relógios de pêndulo. Com a eletrónica, a descoberta do efeito piezoelétrico e com a necessidade de um aumento da organização de tarefas e do tempo, os relógios a quartzo passaram a servir como padrões, evoluindo posteriormente até aos de Césio relógios atómicos. Os relógios têm, atualmente uma importância fundamental pois vivemos num mundo sincronizado onde todos os segundos contam e, uma pequena falha, pode originar um grande erro. Sem estes instrumentos, seria impossível a criação e o funcionamento de outras invenções como o GPS. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 5

2. Introdução No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP foi proposta a realização de um relatório sobre A Engenharia Mecânica em Casa. O subtema escolhido está baseado nos dispositivos que possuímos em maior número e em mais diversos formatos na nossa casa, não descorando a sua extrema importância. Os Relógios são obras da engenharia essenciais à vida e que, atualmente, conseguem estar a par da procura associada às diferentes necessidades e condições. Ninguém tem um relógio atómico em casa, mas não existe nenhuma casa sem um relógio de parede. Daí a abordagem aos principais tipos de relógios, explicando o seu mecanismo básico permitindo concluir a razão de só alguns terem lugar em lares. Toda a informação que serviu de base para a elaboração deste relatório é proveniente da internet, bases científicas, vídeos explicativos e também de livros com noções básicas acerca dos temas relatados. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 6

3. O Impacto do Relógio O tempo sempre foi um fator influenciador e controlador das atividades, Humanas, no entanto, na antiguidade, o tempo era visto como um fator de mudança natural, por isso, o Homem não se preocupava em medi-lo com exatidão: Tanto para os antigos gregos e chineses quanto para os nómadas árabes (...), o tempo era representado pelos processos cíclicos da natureza, pela sucessão dos dias e das noites, pela passagem das estações. (...) O homem do campo trabalhava em harmonia com os elementos, como um artesão, durante tanto tempo quanto julgasse necessário. (Woodcock,1972). Devido a este desinteresse pela exatidão na medição do tempo, os avanços tecnológicos em termos de relógios eram lentos e, mesmo quando estes instrumentos já existiam, apresentavam muitas falhas, não passando, assim, de uma estimativa temporal, quer por causas climatéricas (como um dia sombrio na medição de tempo através de um relógio de sol) quer por erros daqueles que os utilizavam (como no caso de ampulhetas). Foi apenas na Idade Moderna (1553-1789), com a introdução do mercantilismo e, da consequente obsessão por dinheiro e riquezas que começou a haver interesse em controlar o tempo de uma forma precisa, com o objetivo de maximizar a produtividade e os lucros. Foi, aliás, o desenvolvimento do relógio mecânico por parte da Igreja (ainda na Idade Média), que levou a que esta instituição perdesse a sua hegemonia já que deixou a sociedade mais ligada à ideia da produtividade. (COTRIM, 1999). Estes primeiros relógios mecânicos eram grandes e pesados, mas a sua utilidade criou a necessidade de os tornar transportáveis: Muitas das classes médias não tardaram a perceber que tempo é dinheiro, devendo portanto ser cuidadosamente regulado e usado com economia (WHITROW, 1993). Para atingir esse objetivo, no início do século XV, os pesos foram substituídos por molas como fonte de força motora. Foi esta evolução que levou à criação dos primeiros relógios de bolso. (Quartieri, 2013) Este avanço influenciou de uma maneira poucas vezes antes vista a sociedade e permitiu estimular a produtividade individual. No entanto, como acontece com todas as inovações tecnológicas, este era um instrumento Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 7

caro, por isso ficou, durante muito tempo, limitado ao acesso por parte dos ricos, o que impediu uma difusão imediata dos relógios por toda a população. (WHITROW, 1993). Figura 1: Relógio de Bolso O próximo grande evento histórico que deu uma nova importância ao tempo e aos relógios foi a 1ª Revolução Industrial em Inglaterra no Séc. XVIII. Foi a partir daqui que os operários passaram a ter hora de entrada e de saída estipulada. Como os trabalhadores não confiavam no relógio dos empregadores, pois receavam ser enganados a trabalhar mais, começaram a adquirir os seus próprios relógio. Este aumento de vendas, permitiu que a industrial dos relógios crescesse. Este crescimento permitiu o início da produção em série dos relógios e consequente redução dos preços. Pode-se, assim, dizer que os relógios tiveram um papel chave na revolução industrial (e em tudo o que esta revolução trouxe). (WHITROW, 1993) A popularização dos relógios acentuou a tendência à regularização cronométrica de funções vitais básicas, como a hora de dormir, de acordar, das refeições etc. (Quartieri, 2013). Esta popularidade dos relógios manteve-se até ao presente e, atualmente, o homem civilizado vive num mundo sincronizado e controlado pelo tempo. Se é verdade que o relógio permitiu ao homem ter muitos avanços, também é verdade que o homem moderno vive escravizado pelo movimento Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 8

dos seus ponteiros. São eles que controlam as suas ações e as suas rotinas. O relógio transformou o tempo, transformando-o de um processo natural em uma mercadoria que pode ser comprada, vendida e medida como um sabonete ou um punhado de passas de uvas. (Woodcock, 1972) Figura 2: Ilustração/sátira sobre o papel do relógio na sociedade Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 9

4. Tipos de Relógio 4.1. Relógio de Sol O primeiro relógio de Sol conhecido foi construído em meados de 1500 AC no Egito. Desde muito cedo o homem entendeu que a posição e o comprimento das sombras variava durante o dia, daí resultou este instrumento que delimita as partes do dia através do movimento da sombra projetada por um objeto. A base desde dispositivo baseia-se em razões trigonométricas entre os ângulos e os lados. Figura 1: 3: Relógio de Sol Para entender o seu funcionamento temos de considerar a Terra como uma superfície esférica cujo eixo passa exatamente no seu centro e que se encontra imóvel enquanto o Sol se move de Este para Oeste. Ao longo do movimento solar, a sombra do eixo de rotação da Terra projeta-se no plano do equador e move-se a 15º por hora. Ao considerar os ângulos múltiplos de 15º a partir da sombra criada pelo ponteiro no momento em que o Sol alinha com o meridiano, resulta a marca das horas do dia. Um relógio solar não é mais do que um modelo da Terra e do seu eixo. As horas marcadas num relógio solar raramente coincidem com as horas dadas por um relógio mecânico. Um dia marcado pelo Sol é o tempo que decorre entre dois meios-dias solares. Como a Terra tem movimento de rotação e de translação, o dia (rotação inteira do Planeta Azul sobre o seu eixo) é ligeiramente inferior ao marcado pela Estrela. A duração dos dias solares também é condicionada pela altura do ano, por isso é que se adianta e atrasa os relógios mecânicos em dias estratégicos. Deve então adicionar-se ou retirar-se uma hora na marcada pela invenção solar. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 10

4.2. Relógio de Água O relógio de água, também conhecido como clepsidra, é um instrumento que usa o movimento da água por gravidade para medir o tempo. O princípio de funcionamento é semelhante ao da ampulheta. O relógio solar apresentava desvantagens: durante o período nocturno e em dias nublados e chuvosos era completamente inútil. As populações não Figura 4: Clepsidra podiam depender de um instrumento com um funcionamento tão restrito. Deste modo, a necessidade de ter outro instrumento mais eficaz levou ao aparecimento do relógio de água. Não se conhece ao certo a verdadeira origem deste tipo de relógio. A clepsidra mais antiga foi descoberta em Karnak no Egipto. Atualmente, encontra-se exposta no Museu Egípcio do Cairo e remete para a data de 1400 a.c. No entanto, sabe-se com base em documentos que no ano 2679 a.c. durante o reinado do Imperador Hoang-Ti já se usava a clepsidra na China. Na Grécia Antiga foram encontrados outros exemplares deste relógio (500 a.c.). (Passareli, 2015). A clepsidra era utilizada nos tribunais de Atenas para cronometrar o discurso dos advogados (defesa, acusação). Posteriormente, em Roma, era utilizada para medir a duração dos turnos de guarda das legiões. Este relógio teve, ainda, importância noutras áreas de estudo, nomeadamente na astronomia e na medicina. Herófilo, um grande anatómico da antiguidade, foi o primeiro médico a medir a pulsação usando a clepsidra. Esta nova aplicação permitiu a fundação de escolas de medicina, o que contribuiu para o aperfeiçoamento deste instrumento, tornando-os assim em relógios de grande precisão para a época. Em 729, Y. Hang, um astrónomo chinês, construiu uma clepsidra mecânica que indicava o movimento dos astros. Mais tarde, em 1610, Galileu Galilei utilizou estes relógios em experimentos para o estudo da queda de corpos. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 11

Apesar de tudo, as clepsidras também tinham algumas desvantagens. Por exemplo, nos países que atingem baixas temperaturas, a água congelava tornando a clepsidra um simples objecto decorativo. Inicialmente, os relógios de água limitavam-se a dois recipientes situados a alturas diferentes. O funcionamento baseava-se em escoar a água do recipiente a altura superior, gota a gota, por um orifício, para o recipiente inicialmente vazio. A medição do tempo consistia em criar uma escala com base no tempo que o recipiente inicialmente cheio demoraria até ficar vazio. (Grunkraut, 2015) No entanto, a água não escoava à mesma velocidade, dependendo da altura. À medida que o caudal (volume da água) diminui no recipiente superior, a pressão também diminui e, consequentemente, a velocidade com que a água escoa diminui. De modo a resolver o problema, o egípcio Amontons construiu uma clepsidra com uma escala, marcando nos recipientes traços a diferentes distâncias consoante a altura, isto é, quanto maior a altura maior a distancia entre estes traços. Apesar de esta alternativa ter melhorado a precisão deste instrumento, este ainda não era completamente preciso. Com o desenvolvimento da ciência surgiram novas formas de resolver o mesmo problema. Recorrendo a cálculos matemáticos, verificou-se que a inclinação de 70o das paredes do recipiente permitia que a água escoasse a um ritmo uniforme e, consequentemente, que a distancia entre os traços fosse igual. [2] No entanto, nenhum destes métodos era totalmente eficaz e os relógios continuavam imprecisos. Ktesibio, mecânico de Alexandria (285 a.c. - 220 a.c.), desenvolveu um novo modelo da clepsidra. Um fluxo constante de água fluía para uma válvula reguladora flutuante com o formato de um cone e, conforme o nível de água aumentava, esse cone era empurrado para cima, para dentro do funil que deixava a água entrar e a bloqueava parcialmente. Isso diminuía o fluxo e baixava o Figura 5: Clepsidra desenvolvida por Ktesibio (mais precisa) Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 12

nível, a válvula descia e mais água entrava. Assim, a válvula encontrava uma posição que deixava entrar apenas a quantidade de água para mante-la nessa posição. Sem a válvula, o fluxo de água diminuiria, haveria menos pressão e o relógio andaria mais devagar. Os relógios sem essa regulação precisavam ser reabastecidos manualmente. (McDermott, 2014). Esta inovação viria a ser determinante na construção de relógios exclusivamente mecânicos. Apesar de todas as melhorias, estes relógios continuaram imprecisos devido a vários factores que influenciam o fluxo da água entre eles a temperatura, a presença de impurezas e a variação da pressão atmosférica. A clepsidra foi o mecanismo mais exacto e preciso até à invenção do relógio de pêndulo. 4.3. Relógio de Areia O relógio de areia, também conhecido como ampulheta, é um dos relógios mais antigos tendo sido criado no século VIII. Inicialmente, era constituída por duas ampolas de vidro unidas pelo gargalo de modo a deixar passar a areia de uma para outra num determinado intervalo de tempo através de um orifício, tendo, mais tarde começado a ser produzidas de uma só peça de vidro com um orifício para a passagem da areia. Este tipo de relógio era muito utilizado em navios e igrejas. [3] As ampulhetas medem o tempo já que a areia demora um tempo aproximadamente constante a passar de um lado, para o outro do relógio, através do Figura 6: Ampulheta orifício (passagem esta que é impulsionada pela força gravítica). Este tempo varia de relógio para relógio e é influenciado por fatores como a quantidade de areia, o tipo de areia e a largura do orifício. No entanto, os relógios de areia tinham falhas, nomeadamente, irregularidades na precisão, já que, com o uso, o orifício começava a ser Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 13

desgastado pela areia, o que causava uma diferença no tempo que a areia demorava a passar de um lado para o outro da ampulheta. 4.4. Relógio Mecânico Em 850 surgiu o primeiro relógio mecânico baseado em engrenagens e pêndulos, Apesar da existência de algumas controvérsias, há quem considere o monge francês Gebert, posteriormente Papa Silvestre II, o primeiro construtor de relógios mecânicos. Outros grandes construtores e aperfeiçoadores dos relógios mecânicos, foram, Ricardo de Walinfard e Santiago de Dondis em 1344, e o seu filho João de Dondis e Henrique de Vick em 1370 (Vicente, 2012). O relógio mecânico é constituído por 5 componentes principais: energia, rodas, escapamento, controlador, e indicador de tempo (Radeck, 2012). Estes relógios possuem uma corda que gera energia, a engrenagem das rodas que transporta a energia e o escapamento que é o órgão regulador, sendo como tal o que marca o tempo. O escapamento é a parte mais precisa do relógio sendo como tal extremamente delicado. Existem dois tipos de relógio mecânico de pulso, o relógio de corda manual, e o relógio automático. O relógio de corda manual é aquele em que é necessário dar corda para que funcione, o relógio automático não é nada mais que um relógio a corda manual mas, que se carrega com o movimento do pulso não sendo por isso necessário dar corda. A base do relógio mecânico é a platina, pois é aqui que se colocam todos os outros componentes como as pontes. Figura 7: Mecanismo básico de um relógio mecânico A platina e as pontes têm rubis sintéticos, pois para além de mais económicos, não possuem imperfeiçoes e porosidades como os verdadeiros. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 14

Os rubis são utilizados com a finalidade de reduzir o atrito e o desgaste no eixo das engrenagens. Figura 8: Principais constituintes do relógio mecânico Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 15

O relógio possui uma corda que não é mais do que uma mola em forma de espiral, que ao ser enrolada armazena energia. A corda vai tentar libertar energia para retomar a forma original devido às suas características elásticas. Num relógio manual, a corda tem limite de carga pois está presa à parte interna do tambor, num relógio automático como se carrega com o movimento, não tem limite de carga para não danificar o relógio, logo o ponto de contacto entre a corda e o tambor não é totalmente fixo (Passarelli, 2005). Figura 9: Constituição da corda O contacto entre a corda e o tambor é feito por uma brida deslizante, a brida vai deslizando de modo a que a corda não exceda o seu limite de resistência mecânica. O atrito da brida com a paredes do tambor tem que ser bem calculado, de modo a que a corda possa ser totalmente enrolada sem que a brida deslize e, ao mesmo tempo, que deslize antes da corda atingir o limite da sua resistência mecânica (Passarelli, 2005). Apesar disto, a maioria dos relógios automáticos possui um sistema auxiliar de corda e coroa, sendo importante entender que este sistema é somente auxiliar, não tendo sido idealizado a fim de ser usado diariamente. Nestes relógios, este sistema só é usado quando o relógio está completamente parado, e se dá corda total. A partir desse momento, basta colocar o relógio no pulso e usá-lo normalmente, e o movimento do pulso irá carregá-lo constantemente. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 16

O sistema de engrenagens tem como função transportar a energia da corda para o escapamento. Este é constituído por 4 rodas, sendo a quarta chamada de roda dos segundos, e tendo esta a função de impelir para diante o escapamento. Figura 10: Sistema de engrenagens e escapamento O escapamento tem como função regular a velocidade, se não fosse o seu funcionamento a corda iria ser desenrolada muito rapidamente, pois o escapamento bloqueia e liberta o desenrolamento da corda algumas vezes por segundo. O escapamento é composto por uma roda de escape, uma âncora e um balanço. A roda de escape é composta por dentes que têm como objetivo impulsionar a âncora, enquanto esta, é feita para bloquear os dentes da roda de escape. O balanço é o Figura 11: Escapamento responsável por coordenar este ciclo de bloqueio e libertação. Este ciclo resulta da força que é exercida na corda que passa desde a roda central até chegar ao balanço e impulsioná-lo. Após o impulso ser recebido, o balanço gira numa direção até que a força da sua mola o obrigue a Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 17

rodar no sentido contrário. Este movimento suscita o desbloqueio da âncora e promove a recepção de outro impulso, até que a mola resista e o balanço comece a rodar no outro sentido. Este ciclo permanece até que não haja mais energia na corda para o impulsionar. Nesse momento, o relógio pára e requer que se dê corda novamente. Concluindo, este ciclo controla a velocidade de rotação de todas as rodas de modo a que o tempo marcado seja o correto (Passarelli, 2005). 4.5. Relógio de Pêndulo O relógio de pêndulo é um caso particular do relógio mecânico e usa um peso que oscila em torno de um ponto fixo, o pêndulo. No século XVI, Galileu Galilei estudou a regularidade no movimento de um pêndulo, no entanto, a invenção do relógio de pendulo é atribuída a Christiaan Huygens. Em 1583, Galileu assistia a uma missa na Catedral de Pisa quando reparou no movimento dos candeeiros da Catedral. No entanto, só em 1602, concluiu que o período - tempo em que o pendulo oscila para frente e para trás - é independente da amplitude, introduzindo assim o conceito de isocronismo. Por esta mesma razão, verificou-se que o pêndulo pode ser utilizado como temporizador de um relógio. Mas os relógios de pendulo só podem ser utilizados estacionariamente visto que qualquer movimento ou aceleração afectará o movimento do pendulo. Além disto, Galileu descobriu que o quadrado do período é proporcional ao comprimento do fio do pendulo. [4], (Heldon, 1995) Figura 12: Movimento de um pêndulo Em 1637, Galileu teve uma ideia para a construção do relógio de pendulo que foi parcialmente construído em 1649 pelo seu filho Vincenzo. No entanto viria a falecer antes de a finalizar. Em 1656, Huygens, inspirado pelos feitos de Galileu, inventou o relógio de pendulo e patenteou-o no ano seguinte. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 18

No entanto, contratou o relojoeiro Salomon Coster para o construir. Nas suas investigações, Huygens descobriu que oscilações de grandes amplitudes tornavam o relógio impreciso devido às alterações inevitáveis de forças no movimento que fazem variar o período oscilatório e, consequentemente, atrasam ou adiantam o relógio. Deste modo, concluiu que um pendulo é isócrono apenas com oscilações de pequenas amplitudes. Esta descoberta possibilitou a invenção de mecanismos mais desenvolvidos. (Leite, 2011) A introdução do pêndulo, reduzindo as amplitudes para 4º-6º, aumentou a precisão dos relógios enormemente, de cerca de 15 minutos por dia para 15 segundos por dia. Devido ao relojoeiro William Clement e ao cientista Robert Hook, a âncora tornou-se o escapamento padrão no qual a roda dentada, puxada pelo peso, actuava sobre o pendulo. (Woodford, 2014) Desde a sua invenção até ao século XX, o relógio de pendulo foi o relógio mais usado e mais preciso. O relógio de pendulo foi apenas ultrapassado pelo relógio de quartzo e pelo relógio atómico mas continua a ser dos mais importantes devido ao seu valor artístico. O relógio de pendulo é constituído por cinco elementos principais: a face e os ponteiros do relógio para indicar o tempo; um peso que contem energia potencial e libera-a para o mecanismo do relógio, enquanto cai gradualmente; um conjunto de engrenagens que aproveita a energia da queda do peso para dirigir o mecanismo do relógio à velocidade correta; um conjunto de engrenagens de cronometragem que impulsionam correctamente os diferentes ponteiros às diferentes velocidades; o pendulo e o escape que regulam a passagem do tempo, controlando a velocidade do relógio e fornecendo a energia para que continue a girar; (Woodford, 2014) Figura 13: Mecanismo básico de um relógio de pêndulo Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 19

O mecanismo de escape é o elemento indispensável no funcionamento do relógio uma vez que regula a passagem do tempo, controlando a velocidade com que a corda do relógio é desenrolada. Este mecanismo é composto por: roda de escape (roda dentada), ancora e balanço. A roda dentada precisa de fornecer a energia necessária para que o pendulo continue a oscilar. Para tal, os dentes da roda libertam-se e o pendulo é impulsionado pela âncora na direcção correta. 4.6. Relógio de Quartzo O relógio de quartzo, desenvolvido em 1969, revolucionou a relojoaria convencional. [5] Na grande maioria dos relógios produzidos hoje, a contagem do tempo é feita através das vibrações de um minúsculo cristal de quartzo. Tudo começou em 1880 com a descoberta dos irmãos Pierre e Jacques Curie de uma propriedade singular de certos cristais como o quartzo, o topázio, a turmalina, entre outros que lhes permite gerar pulsos elétricos quando submetidos a uma pressão física e vibrar fisicamente quando atravessados por uma corrente elétrica - propriedade piezoelétrica. Deste modo, o cristal de quartzo, cortado na forma de um garfo de diapasão, é alimentado por uma carga elétrica e, posteriormente produz exatamente 32 768 vibrações por segundo. [6] Figura 14: Principais componentes de um relógio de quartzo Estes pulsos são transmitidos a um processador, um circuito eletrónico que recebe os pulsos emitidos pelo cristal e os divide em centésimos, segundos e minutos. No caso de o relógio ser digital, estes pulsos são Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 20

transmitidos ao mostrador digital. Se o relógio for analógico esses impulsos regulam um pequeno motor que move as engrenagens dos ponteiros. Em 1927, o engenheiro de telecomunicações Warren Marrison transpondo o princípio da piezoeletricidade para a prática, construiu um relógio. Surgiu então o primeiro relógio de quartzo. Embora o mecanismo por detrás dos relógios de quartzo seja extremamente preciso há algum atrito ou arrasto, o que provoca um desajuste de 1 milésimo de segundo por dia. Contudo, este fator é minimizado quando o relógio é mantido na temperatura mais desejável. Os relógios de quartzo apresentam vantagens em relação aos outros tipos de relógios, por isso é que são, atualmente, muito utilizados. Entre elas destacam-se: Alimentação por uma pilha e não por corda, o que o torna mais prático; Precisão e estabilidade (uma pequena peça de quartzo oscila a 32.768 vibrações por segundo para garantir a precisão do tempo, que explica o facto destes relógios se atrasarem, por dia, apenas cerca 10 milésimos de segundo); O facto de ter uma bateria duradoura, que necessita de ser trocada apenas ao fim de um ou dois anos. Figura 15: Relógios de Quartzo Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 21

4.7. Relógio Digital O primeiro relógio digital foi inventado em 1883 pelo engenheiro austríaco Josef Pallweber. A maioria dos relógios digitais funcionam através de meios eletrónicos, no entanto, também podem funcionar através de meios mecânicos (neste último caso, são ainda chamados digitais devido ao visor digital, no qual se vêm as horas). Para estes tipos de relógio funcionarem, é necessária uma fonte de energia (como por exemplo uma bateria, uma pilha ou corrente elétrica transmitida pela tomada), um mecanismo digital que está encarregue do funcionamento do relógio e um visor, geralmente LED (light emitting diodes) ou LCD (liquid crystal display). (HowStuffWorks, 1998-2015). O mecanismo é composto por algo que gera impulsos elétricos com uma frequência constante (estes impulsos podem ser gerados por cristais, como por exemplo um cristal piezoelétrico ou, até mesmo pela corrente elétrica). Posteriormente, no divisor de frequência, o número de impulsos é dividido pela frequência do impulso e é obtido o número de pulsos por segundo, controlando assim o tempo. A contagem dos minutos e das horas é feita através de contadores especializados para esse efeito. (Instituto Newton C Braga, 2014) Este tipo de relógio é, atualmente, muito utilizado, já que são dispositivos pequenos, baratos e precisos. Por esta razão, podem ser encontrados em todos os tipos de dispositivos eletrónicos como televisões, eletrodomésticos, telemóveis Figura 16: Esquema sobre o funcionamento básico de um relógio digital Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 22

4.8. Relógio Atómico O primeiro relógio atómico apareceu em 1949 nos Estados Unidos. Uma versão primária, baseada na transição do átomo de césio-133 foi construída por Louis Essen em 1955 no Reino Unido. Comparado ao relógio de quartzo, o relógio atómico tem a diferença de ser acertado constantemente por átomos de césio 133 (que explicação mais à frente), por isso, estes relógios praticamente não se atrasam ou adiantam. À medida que os de quartzo erram, por dia, aproximadamente 10 milésimos de segundo, os atómicos precisariam de 138 milhões de anos para falhar num segundo, e mesmo essas pequenas incorreções são eliminadas. Para que os acertos sejam feitos, os átomos de césio são estimulados por ondas magnéticas e microondas para que se passem a mover agitadamente e atravessem um tubo de alto vácuo. Primeiramente, entram num campo magnético que seleciona os átomos que absorveram as radiações com 9 192 631 770 hertz. A frequência é emitida em valores superiores e inferiores ao desejado, contudo, devido à continuidade da radiação, está assegurado o lançamento do valor pretendido. Um oscilador de quartzo que Figura 17: Relógio Atómico Figura 18: Relógio Atómico em Miniatura Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 23

serve de pendulo para marcar o tempo, absorve energia, sendo impossível perder velocidade e assim ajusta o mecanismo. Na extremidade do tubo, um íman separa os átomos que se encontram num estado excitado dos que não estão. Depois de identificada a frequência pretendida proporcional ao número de partículas de césio que ali chegaram, esse valor é dividido por ele próprio para resultar um pulso por segundo que é marcado pelo relógio com precisão. O processo é repetido sempre. Figura 19: Campo magnético aplicado ao Cécio 4.8.1. Cécio 133: Elemento químico que se localiza no grupo 1 da Tabela Periódica, metal alcalino dúctil e muito reativo. Foi descoberto por Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff em 1860 por análise espectral. Símbolo Químico: Cs Número Atómico: 55 Massa atómica: 132,905 g mol-1 Configuração eletrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 6s1 Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 24

É um metal muito usado em células fotoelétricas, catalisadores, medicina oncológica, propulsão iónica, etc Isótopos: Este elemento possui diversos isótopos. Todavia, apenas referiremos o 133Cs, com 78 neutrões cujas transições são usadas como padrão científico de tempo. 4.8.2. Método de Aplicação (GPS): O sistema GPS é o Sistema que usa ondas de rádio para nos permitir descobrir a nossa localização onde quer que estejamos. Foi desenvolvido originalmente pelo departamento de defesa para guiar aviões quando sobrevoam o mar. Atualmente qualquer indivíduo possui um recetor que o permite localizar-se. (Kevin, 2006) O Sistema de Posicionamento Global é baseado em 24 satélites que orbitam a Terra. Um recetor usa a posição de quatro, um para acertar os relógios e os outros três para definirem a sua posição. O primeiro satélite emite um sinal com a sua posição e a hora a que este foi emitido. O GPS multiplica o tempo decorrido na viagem pela velocidade da luz e descobre assim a distância percorrida. Assim traça-se uma esfera imaginária à volta do emissor que delimita onde o recetor se pode encontrar. Repetindo o processo para mais dois satélites próximos, as esferas intersetarse-ão em apenas um ponto, extraindo, assim, com alguma precisão onde o recetor se encontra Método da trilateração. Os relógios usados são atómicos pois estes são os que repercutem menor erro, que neste dispositivo implicaria quilómetros de imperfeição. Figura 20: Método da trilateração Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 25

5. A Utilização do Relógio em Casa Atualmente, devido à grande sincronização do mundo, o Homem vive, constantemente, apressado e pressionado com o tempo, logo, tem necessidade de o controlar, esteja onde estiver, incluindo em casa (precisa de saber as horas para poder, por exemplo, saber quando sair de casa para chegar a um compromisso no tempo certo). É aqui que entram os relógios, uma vez que permitem ao Homem controlar o tempo de um modo sincronizado com o resto do Mundo. No entanto, nem todos os relógios são adequados para todas as situações, já que as suas características básicas como preço, tamanho e precisão variam muito mediante o tipo de relógio. Devido à necessidade do Homem de controlar o tempo de um modo preciso, alguns tipos de relógio (principalmente os mecanismos mais antigos e menos desenvolvidos, como o relógio de sol, de água e de areia) praticamente já não são utilizados devido à falta de precisão que estes relógios têm. Este capítulo estará mais focado nos tipos de relógios que são, ou não, adequados para utilizar em casa. Para serem adequados para este uso, e não precisando de ser os melhores nestas categorias, os relógios necessitam de ser precisos, baratos e de reduzidas dimensões. No que toca à precisão, os relógios já referidos anteriormente não são adequados pois são muito pouco precisos e, por isso, não são fiáveis (no caso do relógio de sol, ainda é impossível a sua utilização devido à inexistência de luz solar direta na maioria das casas). Avaliando a precisão, seria de esperar que o relógio atómico fosse uma boa alternativa devido à sua grande precisão (é o tipo de relógio mais preciso que existe atualmente), no entanto, as suas grandes dimensões e, principalmente o seu elevado custo (já que atualmente começam a ser desenvolvidos relógios atómicos de dimensões muito mais reduzidas) inviabilizam a sua utilização nas casas. Depois de pormos de lado estes relógios, aqueles que sobram são o mecânico, o de pêndulo (caso particular do relógio mecânico), o de quartzo e o digital. Todos estes são alternativas possíveis e exemplares destes tipos de relógios estão espalhados por casas de todo o mundo, uma vez que são Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 26

bastante precisos, baratos e de tamanho muito reduzido, ou, pelo menos, razoável. Estes relógios podem estar em vários locais da casa, como por exemplo, numa parede, mas, atualmente, o tipo de relógio encontrado, de um modo mais comum nas casas é o relógio digital, uma vez que quase todos os electrodomésticos e dispositivos produzidos hoje em dia possuem um relógio digital. De referir ainda que, muitas vezes, os relógios cumprem mais funções do que simplesmente permitir marcar as horas, como é o caso de muitos relógios, nomeadamente os de pêndulo, que podem ter uma dimensão artística e decorativa. Figura 21: Relógio de pêndulo com efeito decorativo Tabela 1: Principais características de relógios e a sua adequação no uso doméstico Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 27

6. Conclusão A relojoaria sofreu grandes transformações que vieram a responder às diferentes necessidades dos povos de cada época. Cada vez possuímos relógios mais precisos e com designs mais modernos. Os relógios evoluíram, de instrumentos pouco rigorosos para mecanismos muitíssimo precisos. Hoje em dia, têm, não só a função de controlar o tempo, mas, muitas vezes, também um objetivo artístico e estilístico. Contrariamente à ideia de que os relógios, como pequenos objetos, não possuem qualquer tipo de processo complexo, estes são portadores de uma brilhante mecânica e merecem toda a nossa admiração. Certos mecanismos não são adequados a determinados espaços, ou utilizações. Mas nenhuma casa funcional se rege sem um relógio, e consequentemente, sem o trabalho da engenharia mecânica. Tão ou mais importante que a melhor compreensão do funcionamento, história e importância dos relógios, foi desenvolver técnicas de redação de relatórios, capacidades de entreajuda, autonomia, trabalho de equipa e de cumprir prazos que, certamente, serão úteis para o nosso futuro académico e profissional. Engenharia Mecânica em Casa - Relógios Pág. 28

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