Quem é o mais forte? Se o leitor acha que não existe meio eletrônico de fazer este tipo de comprovação preferindo partir diretamente para uma competição do tradicional “braço de ferro” é porque não conhece a versão eletrônica deste jogo. O que propomos neste artigo é muito simples e pode servir tanto para algumas brincadeiras interessantes como também para demonstrações em feiras de ciências.
O que propomos neste artigo é um detector de força física dotado de um comparador.
Dois competidores são “convidados" a apertar com o máximo de força dois pares de eletrodos. Baseado na mudança da resistência elétrica que ocorre em função da pressão sobre os eletrodos, o circuito pode detectar qual está submetido a maior força e com isso indicar com precisão o vencedor da competição.
O circuito é muito simples, usando componentes comuns como transistores, resistores e capacitores além de um instrumento indicador que é um VU meter de zero no centro da escala.
A alimentação do circuito vem de 4 pilhas pequenas e seu consumo de energia é muito baixo.
Colocado numa caixinha de madeira, plástico ou metal, o aparelho terá a aparência mostrada na figura 1.
Vamos lá! Se o leitor quer fazer uma montagem interessante simplesmente para se divertir, aproveite esta em que também poderá aperfeiçoar sua capacidade de montador.
COMO FUNCIONA
As explicações referentes aos princípios de funcionamento de todos os aparelhos que publicamos são sempre interessantes, pois constituem-se numa verdadeira aula.
Depois de realizar um certo número de montagens, lendo atentamente estas explicações os leitores poderão reunir uma quantidade razoável de conhecimentos a ponto de terem muito mais facilidade nas realizações e até mesmo em projetos.
O nosso Braço de Ferro constitui-se num típico amplificador diferencial, uma das configurações mais populares da eletrônica, aparecendo principalmente na entrada dos chamados amplificadores operacionais.
Na figura 2 temos a disposição básica deste circuito em que são usados dois transistores NPN comuns.
Supondo que no coletor de cada transistor tenhamos resistências de valores iguais (R2 e R5), e que o circuito indicador formando por M1 apresente uma resistência infinita, vemos que, na condição dos dois transistores terem as mesmas características, e não serem excitados, ou seja, permanecerem com as bases desligadas, inicialmente a tensão dos coletores será a mesma.
Nestas condições, não haverá diferença de potencial entre os extremos do circuito indicador M1 e a indicação será zero.
Se aplicarmos nas bases dos transistores tensões iguais, de modo que ambos os transistores sejam forçados a conduzir a corrente do mesmo modo, ainda assim o circuito permanecerá em situação idêntica.
De fato, os transistores conduzindo, e tendo o mesmo ganho, as tensões em seus coletores cairão na mesma proporção, o que significa que ainda serão as mesmas.
O indicador M1 ainda indicará zero.
Agora, se as tensões aplicadas às bases forem diferentes, um dos transistores conduzirá mais do que o outro, e a tensão em seu coletor será mais baixa.
Nestas condições a indicação do instrumento não mais será zero, porque haverá uma diferença de potencial entre os extremos de seu circuito.
Estas três situações são mostradas na figura 3.
Veja então que o circuito só dará uma indicação diferente de zero, quando as tensões de base dos dois transistores forem diferentes em valor absoluto, não importando se sejam nulas, pequenas ou mesmo grandes.
As bases dos transistores são ligadas a sensores que constituem-se em pilhas gastas, as quais devem ser seguras pelos competidores.
Uma pilha está ligada ao positivo da fonte de alimentação, enquanto a outra vai à base do transistor correspondente.
Deste modo, conforme a resistência encontrada entre as duas pilhas teremos uma corrente diferente aplicada à base do transistor e, portanto, maior ou menor será sua condução.
Se as pilhas forem apertadas fortemente, a resistência será menor do que se forem apertadas com menos força. (figura 4)
O leitor já deve ter percebido então, que se as forças exercidas sobre as pilhas forem iguais, as tensões nos coletores também o serão e ›a indicação no instrumento será zero, ou seja, equilíbrio.
Mas se um dos concorrentes apertar com mais força, seu transistor tenderá a uma condução maior e a indicação do instrumento tenderá ao seu lado.
Mas, será que a resistência entre os eletrodos só depende da força aplicada?
Realmente, neste ponto devemos fazer algumas observações que podem ser aproveitadas como uma pequena “malandragem" que o montador do projeto não deverá revelar a ninguém, pois elas podem fazê-lo um campeão mesmo que na realidade não seja mais do que um "fracote".
De fato, a resistência também depende do fator umidade da pele e grossura.
Assim, os competidores de pele grossa, apresentando maior resistência precisarão fazer muito mais força do que aqueles de pele fina para obter a mesma condução dos transistores.
Isso é interessante, pois normalmente os “fracotes" não habituados a esforço físico e portanto que possuem pele da mão naturalmente fina, levam uma certa "vantagem” logo de partida.
A resistência também depende do fato da mão estar úmida ou não. Uma mão suada ou mesmo molhada apresenta uma resistência muito mais baixa, sendo difícil neste caso ser vencida.
O leitor ao fazer a competição deve impedir que os competidores umedeçam suas mãos.
O aparelho é ainda dotado de ajustes que visam dificultar ou facilitar a competição com a indicação de máximo do instrumento em diversos pontos.
MONTAGEM
Todos os componentes usados na montagem, conforme explicamos são comuns e podem inclusive ser aproveitados da ”sucata".
A caixa já foi sugerida na introdução e pode ser feita de qualquer material.
Para a soldagem use um ferro de pequena potência e demais ferramentas comuns nestes casos.
O circuito completo do Braço de Ferro é mostrado na figura 5.
Na figura 6 temos o aspecto da montagem feita numa ponte de terminais que é a versão recomendada aos iniciantes já que o circuito não é crítico e pode ser facilmente alojado em pequenas caixas.
Apenas observamos que, se a caixa for de metal, a ponte deve ser fixada numa base de madeira e esta fixada no interior da caixa.
Damos a seguir a sequência ”didática" de montagem com os principais cuidados referentes a colocação dos componentes e sua obtenção.
a) Comece por soldar os dois transistores de uso geral que podem ser os BC548 ou equivalentes como os BC237, BC238 ou BC547. Veja que estes transistores possuem partes achatadas que na montagem ficam voltadas para cima.
b) Depois é a vez de soldar todos os resistores, marcados de R1 à R7 e que têm seus valores dados pelas faixas coloridas, segundo a lista de material. Não há polaridade para a colocação destes componentes, devendo os terminais serem cortados e dobrados antes da soldagem.
c) Agora é a vez dos dois capacitores eletrolíticos C1 e C2 de 47 uF com tensão de trabalho a partir de 6 V. Estes capacitores dão a “inércia" do aparelho, ou a velocidade que o instrumento responderá a mudanças de força. Podem ser alterados na faixa de 22 uF a 100 uF e tem polaridade certa para colocação.
d) O trimpot de 4k7 que ajusta o instrumento (P2) tem seus terminais dobrados de modo que apenas dois terminais da ponte sirvam de fixação. Veja que o botão plástico fica voltado para cima de modo a facilitar o ajuste.
e) Passamos agora às interligações na ponte que são os pedaços de fio que aparecem soldados entre diversos pontos. Use fio comum de capa plástica para esta finalidade.
f) O primeiro componente externo a ser ligado é o instrumento M1 que é do tipo com zero no centro da escala, conforme pode-se verificar bem pelo desenho. O comprimento do fio usado depende da posição que este instrumento ficará na caixa. Na verdade será conveniente que ele já esteja fixado na caixa.
g) O potenciômetro é outro componente que já deverá estar fixado na caixa com o seu eixo curto de modo a poder receber um botão plástico. Use pedaços de fio comum na ligação deste componente.
h) O suporte de pilhas e o interruptor são os próximos componentes a serem ligados. O interruptor ficará no painel da caixa e o suporte é do tipo para 4 pilhas pequenas. Sua fixação na caixa será por meio de braçadeiras. Na ligação destes componentes é preciso observar a polaridade do suporte dada pelas cores dos fios.
i) Passamos finalmente aos sensores formados por 4 pilhas gastas pequenas cuja tinta que as recobre externamente deve ser raspada para facilitar o contacto com as mãos. Veja que se a pilha for do tipo blindado em aço, em que existe um papelão entre o eletrodo e a capa externa deve ser realizada uma pequena ponte de solda, conforme mostra a figura 7.
Os fios de ligação dos sensores devem ser longos (pelo menos 2 metros) e flexíveis para facilitar seu manuseio pelos competidores.
Terminada a montagem, antes de fechar o aparelho definitivamente em sua caixa precisaremos fazer alguns testes e ajustes.
PROVA E USO
Coloque quatro pilhas pequenas em bom estado no suporte observando sua posição.
Em seguida, ligue o interruptor geral S1.
Mantenha inicia!mente o potenciômetro P1 na posição de “mínimo" ou seja, todo para a esquerda.
Pegue um par de sensores e aperte fortemente. A agulha do instrumento M1 deve deflexionar no sentido que corresponde aos eletrodos apertados. Se o fizer ao contrário, inverta as ligações do instrumento M1.
Faça o mesmo com os sensores do outro lado.
Se a deflexão for muito violenta com o ponteiro batendo no fundo de escala ajuste P2 para que isso não ocorra, reduzindo a sensibilidade.
Vá, em seguida abrindo o controle P1 de modo que cada vez fique mais difícil conseguir a deflexão total.
Para usar o aparelho proceda do seguinte modo:
a) Peça a cada competidor que, com as mão secas, segure seu par de sensores.
b) Ajuste em P1 o grau de dificuldade que desejar.
c) Ligue o interruptor geral e peça a cada competidor que aperte com mais força que puder os eletrodos.
d) Veja pela indicação do instrumento qual tem mais força. O ponteiro tenderá para o lado que tiver maior força.
LISTA DE MATERIAL
Q1, Q2 ~ BC548 ou equivalente – transistores NPN de uso gerai
M1 - miliamperímetro ou microamperímetro tipo VU de 0 no centro da escala (200 uA ou 1 mA)
P1 - 22k - potenciômetro simples
P2 - 4k7 - trimpot
C1, C2 - 47 uF - capacitores eletrolíticos
R1, R7 – 22 k x 1/8 W - resistores (vermelho, vermelho, laranja)
R2, R3, R5, R6 - 4k7x 1/8 W – resistores (amarela violeta, vermelho)
R4 - 2k2x 1/8 W - resistor (vermelho, vermelho, vermelho)
S1 - interruptor simples
B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas
P1, P2, P3 e P4 - sensores (ver texto)
Diversos: ponte de terminais, suporte para 4 pilhas pequenas, caixa para montagem, fios, pilhas velhas (4) botão para o potenciômetro, etc.
