Efisica

Dos primeiros aos atuais relógios


Os mais antigos instrumentos construídos para marcar o tempo, que se tem conhecimento, são os chamados relógios de sol. Os mais simples se baseiam na projeção da sombra de uma estaca vertical sobre uma escala graduada. Uma evolução destes modelos mais simples é o quadrante solar que projeta a sombra de um ponteiro sobre um quadrante graduado. Estes relógios ainda são encontrados em nossos dias como ornamentos de jardins. O maior inconveniente dos relógios solares é que não podem ser usados durante a noite, e sua precisão não é boa, no sentido que dois relógios solares marcam horas não muito iguais, e também porque não servem para medir intervalos de tempo da ordem de minutos ou menores.

Os relógios de água, também conhecidos por clepsidras eram usados no Egito antigo e na Babilônia. Seu funcionamento se baseia no escoamento de um filete de água através de um pequeno orifício no fundo de um recipiente, para um outro contendo uma escala graduada. Consta que Galileu utilizou um relógio de água em experimentos básicos de mecânica. Ainda que mais raros que os relógios solares, ainda hoje são também encontrados alguns relógios de água como ornamentos.

 


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O funcionamento dos relógios de areia, também conhecidos por ampulhetas, é baseado num princípio análogo ao do relógio de água, ou seja, no escoamento de areia fina (em vez de água) de um recipiente ao outro. Até hoje há ampulhetas empregados para medir o tempo ou como peça de decoração.

Os dois últimos relógios citados podem medir minutos, mas nenhum dos até aqui citados se prestam para medir intervalos de tempo da ordem de segundos. Somente em 1581, quando Galileu descobriu o isocronismo das oscilações do pêndulo, foi possível medir fenômenos com duração de segundos. Galileu observava o candelabro da Catedral de Pisa, e comparou o intervalo de tempo para a repetição do seu movimento, que é chamado de período da oscilação do candelabro, com o tempo de sua própria pulsação, percebendo que o período das oscilações permanecia o mesmo, ainda que sua amplitude (distância máxima percorrida de um extremo ao outro da oscilação) fosse diminuindo com o tempo. Esta independência do período das oscilações com a amplitude é chamado de isocronismo das oscilações. Esta observação de Galileu foi feita na época em que ele tinha 17 anos de idade e era estudante de medicina. A partir dela, construi um pêndulo de comprimento padrão destinado a medir os batimentos dos pacientes em hospitais.


Esta descoberta permitiu que fossem construídos os primeiros relógios de pêndulo acionados por pesos ou por mola espiral, antecessores do atuais relógios.

 


 

Os relógios a pêndulo precisam de três partes para o seu funcionamento. A primeira é de algum mecanismo que produza um movimento periódico para que se defina o padrão de tempo do relógio. O pêndulo foi o candidato natural, que se torna evidente com o trabalho de Galileu. No entanto, a medida que o tempo passa, uma oscilação pendular tem seu movimento atenuado pelas perdas de energia mecânica. Torna-se então necessário um elemento capaz de suprir esta energia. Uma mola espiralada pode ser este elemento suprindo a energia necessária com a energia potencial elástica, ou um peso levantado que permite a reposição de energia pela energia potencial gravitacional ao fazer um movimento descendente. Entretanto para o relógio funcionar a contento é necessário que no processo de reposição da energia, não seja alterado o seu tempo padrão. A forma de fazer esta reposição no momento e forma apropriada foi descoberta por Huygens em 1657. Neste mesmo ano patentou o relógio de pêndulo e um ano depois publicou um livro sobre o assunto chamado "Horologium".

Algumas atividades humanas são especiamente motivadoras na evolução do conhecimento e da tecnologia, além de serem determinantes na definição do perfil sócio-economico e geo-político no Planeta. As navegações têm sido uma destas atividades diferenciadas, desde suas origens nos mares, passando pela navegação aérea até as espaciais. A navegação nos mares foi determinante na história do mundo ocidental, e do conhecimento do próprio Planeta, particularmente na Idade Média e na Renascença. Em particular, ela foi a grande responsável pelo desenvolvimento de relógios precisos.

O grande problema dos navegadores até o século XVIII era a localização do navio no oceano. Esta localização exigia o conhecimento do ponto da Superfície da Terra onde ele se encontrava, o que envolvia a determinação da sua posição geográfica, ou seja, de sua latitude (direção norte-sul) e longitude (localização leste-oeste). A determinação da latitude, foi discutida no texto II, e essencialmente envolvia a medida da altura da estrela Polar ou Polaris, que é uma estrela fixa no hemisfério Norte. Isto acontece porque ela se situa na esfera celeste, exatamente na direção do Pólo Norte geográfico, daí o seu nome. O ângulo formado entre a direção de Polaris com a vertical da superfície terrestre é chamada de colatitude. A distância grande a que se referiu no texto antes é, portanto, da ordem de grandeza da distância da Terra às estrelas.

A longitude era medida, como foi dito no texto II, pela comparação da hora local com a hora de Greenchich. Como a Terra gira em torno de seu eixo de 360o em 24 horas, uma variação de 1h da hora local corresponde a um deslocamento de 15o de longitude (360o/24), ou seja, um grau de longitude eqüivale a uma variação de 4 minutos da hora local. Porém, para determinar a longitude com precisão de 0,5o, que corresponde a aproximadamente 56km de imprecisão na superfície da Terra, numa viagem de seis semanas, seria necessário uma precisão no relógio de 3 segundos por dia, ou menor do que isto! Este número ilustra a necessidade de relógios de alta precisão.

Os relógios de pêndulo, construídos pela primeira vez por Galileu, e cuja construção recebeu grande impulso com Huygens, no início do século XVIII, não podiam ser usados em alto mar dado o movimento dos navios. Por isto era necessário desenvolver relógios precisos mas confiáveis para navios, que não podiam ser de pêndulo.

A importância deste problema pode ser ilustrada pelo fato do Parlamento inglês, em 1714 ter oferecido o maior prêmio até então oferecido, de 20.000 libras esterlinas, a quem inventasse um método prático de determinar a longitude com precisão maior que 0,5o. Curiosamente, Newton, Huygens, Leibnitz e outros ilustres cientistas não haviam conseguido resolver o problema, que foi finalmente resolvido por um carpinteiro inglês, chamado John Harrison, com a construção de seu cronômetro marítimo. O maior problema de seu cronômetro era a compensação dos efeitos de dilatação da mola devidos a variação de temperatura. Para descobrir a base do seu funcionamento o "modelo 4" do cronômetro de Harrison foi testado depois de 30 anos de trabalho, em 1761, numa viagem à Jamaica. Após mais de cinco meses de viagem o relógio tinha desviado de 1minuto e 53,3 segundos, obviamente dentro das condições estipuladas para o prêmio. Entretanto metade do prêmio foi pago apenas em 1765, e a outra metade em 1772, depois da intervenção direta do rei George III!
A precisão do cronômetro marítimo de Harrison era da ordem 1 parte em 105, comparável à precisão de um relógio elétrico atual.

Os relógios elétricos se baseiam nas vibrações de um diapasão e nas oscilações elétricas de um circuito, e são amplamente usados na atualidade. Outro relógio muito utilizado nos dias de hoje é o relógio de quartzo .O fenômeno periódico do relógios de quartzo de pulso mais comuns está nas oscilações de um cristal de quartzo quando submetido a um campo elétrico. O quartzo executa 100.000 oscilações por segundo quando acoplado a uma (fonte de energia) bateria. Este tipo de relógio surgiu em 1929 com a descoberta por W. Marrison das propriedades do quartzo. A possibilidade de manter a oscilação através do tempo, ou seja, o mecanismo de realimentação equivalente ao que Huygens descobriu para o relógio de pêndulo, é no caso do relógio de quartzo uma propriedade física deste cristal, que é um material chamado de piezoelétrico. Estes relógios têm precisão da ordem de 3 partes em 107, ou seja, de 1 segundo por mês. Modelos mais sofisticados que utilizam osciladores de quartzo, atingem uma precisão de 1 parte em 108.

Os chamados relógios atômicos têm precisão ainda maior: 1 parte em 1012, ou seja de 1 segundo em 30.000 anos! Estes relógios usam como padrão de freqüência, a radiação emitida por átomos de césio 133 (133Ce), que por sua vez controla oscilações eletromagnéticas na região de microondas e um oscilador de quartzo. Há relógios ainda mais precisos, que chegam à uma precisão de 1 parte em 1014, baseados num sistema quântico chamado maser de hidrogênio.

A definição atual de 1 segundo é baseada na radiação característica do 133Ce, empregada nos relógios atômicos: 1 segundo é o tempo de duração de 9.162.631.770 períodos desta radiação.

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