BALANÇAS

Balança Analítica

 Uma balança analítica é usada para se obter massas com alta exatidão. Balanças semi-analíticas são também usadas para medidas nas quais a necessidade de resultados confiáveis não é crítica.

1. Tipos de Balanças Analíticas.

A balança analítica tem passado por uma grande revolução nas últimas décadas. A mais antiga e tradicional tinha dois pratos ligados a um cavaleiro, a qual era suspensa pelo seu centro por um fiel. O objeto a ser pesado era colocado em um dos pratos. Pesos padrões suficientes eram colocados no outro prato de modo a restaurar a posição inicial do cavaleiro. A pesagem com este tipo de balança de braços iguais era tediosa e demorada.

A primeira balança analítica de um prato apareceu no mercado em 1946. A velocidade e conveniência de se pesar com ela era muito superior à tradicional de dois pratos. Conseqüentemente, esta nova balança passou a ser usada na maioria dos laboratórios.

2. A balança analítica mecânica de prato único.

Componentes. Embora haja muita variação em aparência e características de desempenho entre as balanças mecânicas, elas têm vários componentes em comum. O item fundamental neste instrumento é uma trava que é suportada numa superfície planar por um fiel em forma de prisma. No final do lado esquerdo da trava está fixado o prato que conterá o objeto a ser pesado e um conjunto de pesos suspensos em ganchos. Estes pesos podem ser suspensos da trava um de cada vez, por um arranjo mecânico que é controlado por um conjunto de botões no exterior da caixa da balança. Do lado direito da trava, há um contrapeso de tamanho adequado de forma a contrabalançar o prato e os pesos que estão do lado esquerdo da trava.

Um segundo fiel B localiza-se no lado esquerdo da trava e serve para suportar uma segunda superfície planar, localizada na parte interna de um estribo que liga o prato à trava. Os dois fiéis e suas superfícies planares são fabricadas com material extremamente duro (ágata ou safira sintética) e forma dois mancais que permitem movimento da trava e do prato com um mínimo de fricção. O desempenho de uma balança mecânica depende muito da perfeição destes dois mancais.

As balanças de prato único são também equipadas com travões, que são dispositivos mecânicos que elevam a trava de forma que o fiel central não toque mais sua superfície planar e simultaneamente deixe livre o estribo do contato com o fiel externo. O propósito destes travões é de evitar danos às superfícies enquanto os objetos estão sendo colocados ou retirados do prato. Quando engatados, os travões suportam a massa do prato e seu conteúdo e assim evita oscilações. Os travões são controlados por uma alavanca montada na parte externa da balança e devem estar engatados sempre que a balança não estiver em uso.

Um amortecedor a ar está montado próximo ao final do lado esquerdo da trava. Ele consiste num pistão que se move dentro de um cilindro concêntrico fixado na caixa da balança. Ar no cilindro sofre expansão e contração conforme a trava se move; a trava rapidamente chega à posição de repouso como resultado desta oposição ao movimento.

É necessário ter proteção contra correntes de ar quando deve-se discriminar pequenas diferenças de massa (< 1 mg). Uma balança analítica é então sempre envolta numa caixa equipada com portas que permitam a introdução e retirada de objetos.

A balança de prato único está atualmente sendo substituída pela balança analítica eletrônica, que não possui trave e nem fiel.

3. Construindo uma balança de precisão.

Usando materiais de fácil aquisição, que é nosso propósito ao longo de todo esse trabalho, podemos construir uma balança analítica. O material necessário é:

A construção requer alguns cuidados para que depois possamos efetivamente medir pequenas massas com fidelidade. A atenção ao manusear as ferramentas para evitar acidentes também é de suma importância.

Serre aproximadamente 40 cm (quarenta centímetros) de madeira. À partir de uma das extremidades conte cerca de 12 ou 13 cm e marque para serrar e encaixar outra peça de madeira de 4 cm transversalmente. Antes do encaixe você deve fixar na linha de centro longitudinal da pequena peça dois alfinetes e cortar as cabeças que ficaram aparentes e fazer um furo atravessando-a para fixação por um lado do palito (parte de baixo) e por outro de um parafuso com porca (virado para cima).

Usar outra peça de madeira de 4 cm para fixar na parte de cima do braço (peça de madeira maior) da balança que deve ser furada também, só que na direção longitudinal.

É importantíssimo que a linha dos alfinetes fique a, pelo menos, 10 cm do braço menor, pois o alfinete de suspensão do prato deve ser fixado nessa posição, a 10 cm da linha que une os dois alfinetes, ou seja, do ponto de suspensão da balança. A escala (fita milimetrada) deve ser colada no braço maior e o zero dela deve ficar exatamente na linha que une os alfinetes.

O prato deve ser construído à partir do papel cartão e do fio de cobre. Recorte um quadrado de 5 ou 6 cm de lado com o papel. Manipule o fio de cobre de modo a formar uma gaiola de sustentação do prato de papel e uma alça de suspensão pelo alfinete. Tome cuidado com a simetria para não ter dificuldades com o ajuste posterior da balança.

Agora que temos todas as peças montadas é só uni-las conforme mostram as figuras e passar ao ajuste.

Para ajustar (zerar) a balança é necessário colocar o segundo parafuso com porca na posição horizontal no furo da segunda peça de madeira. Pendure o prato no alfinete e enrole um pedaço de fio de cobre pelo palito. Mova as porcas dos parafusos até que o palito fique na posição vertical e, consequentemente, os braços na posição horizontal. Verifique se realmente o que foi construído é uma balança e não uma gangorra. Para ajustar movimente o fio de cobre pelo palito para cima ou para baixo. Lembre-se que quanto mais para baixo ficar o fio, menor a sensibilidade da balança.

Agora dispondo de uma caixa de massas-padrão você pode construir seus próprios padrões e sair medindo o que você quiser.

4. Precauções ao se usar uma balança analítica.
Uma balança analítica é um instrumento delicado que deve ser manipulado com extremo cuidado. Observe as seguintes regras gerais para se trabalhar com uma balança analítica, independentemente de sua marca ou modelo.

i) Centre o peso no prato da melhor forma possível.

ii) Proteja a balança contra corrosão. Objetos a serem colocados no prato devem se limitar a metais não-reativos, plásticos não-reativos e materiais vítrios.

iii) Precauções especiais devem ser tomadas ao se pesar líquidos.

iv) Consulte seu professor se a balança precisar de ajustes.

v) Mantenha a balança limpíssima. Uma escova de pelo de camelo é útil para a remoção de material derrubado ou poeira.

vi) Sempre espere que um objeto quente volte à temperatura ambiente antes de pesá-lo.

vii) Use luvas ou papéis para segurar objetos secos, não transferindo assim a eles a umidade de suas mãos.

5. Fontes de erros em pesagens.

Correção para Flutuação. Um erro de flutuação afetará os dados se a densidade do objeto sendo pesado diferir significativamente das densidades dos padrões. Este erro tem sua origem na diferença da força de flutuação exercida pelo meio (ar) sobre o objeto e sobre os pesos. A correção para a flutuação é feita por meio de uma equação. O erro é menor que 0,1% para objetos que têm densidade de pelo menos 2 g cm-3. Portanto, raramente é necessário aplicar correção de massa para sólidos. O mesmo não acontece para sólidos de baixa densidade, líquidos ou gases, para os quais os efeitos de flutuação são significativos e a correção deve ser feita. A densidade de pesos usados em balanças de prato único e na calibração de balanças eletrônicas varia de 7,8 a 8,4 g cm-3, dependendo do fabricante. O uso de 8 g cm-3 é adequado muitas vezes. Se houver necessidade de grande exatidão, as especificações da balança devem ser consultadas para obtenção dos dados de densidade.

Efeitos de temperatura. O ato de se pesar um objeto cuja temperatura seja diferente de seu ambiente provoca um erro significativo na medida. Não deixar tempo suficiente para que um objeto aquecido volte à temperatura ambiente é a principal fonte deste problema. Erros devidos a diferenças em temperatura têm duas origens. Primeiro, as correntes de convecção dentro da caixa da balança exercem efeitos de flutuação no prato e no objeto. Segundo, ar quente trapeado num frasco fechado pesa menos que o mesmo volume a temperatura mais baixa. Ambos os efeitos provocam uma menor massa aparente do objeto. Este erro pode ser de até 10 a 15 mg para um cadinho de porcelana, por exemplo. Portanto, objetos aquecidos devem sempre ser resfriados a temperatura ambiente, antes de serem pesados.

Outras fontes de erros. Um objeto de vidro ou de porcelana adquirirá ocasionalmente uma carga estática suficiente para provocar erros de pesagem. Este problema é particularmente sério quando a umidade relativa do ambiente é baixa. Freqüentemente, após um curto período, ocorre descarga espontânea. Uma fonte de eletricidade de baixa intensidade (como por exemplo, uma escova) na caixa da balança é suficiente para fornecer íons e liberar a carga estática. A exatidão da escala óptica de uma balança de prato único deve ser verificada regularmente, principalmente após condições de pesagem com capacidade máxima da balança. Um peso padrão de 100 mg é usado para isso.

Balança de Canudos 

Uma balança pode ser facilmente montada com canudos de refrigerante, para isso devemos dispor do seguinte material:

Para montar a balança é fácil, basta seguir as instruções abaixo:

  • Corte, em um dos canudos, dois trechos de 4 centímetros de comprimento.

  • Com um desses pedaços abrace um dos canudos que ainda não foi cortado, juntando suas pontas;

  • Enfie essas pontas dentro de uma das extremidades do canudo cortado fixando-as;

  • Faça o mesmo procedimento com o outro canudo, fixando as pontas do pedaço do canudo que o abraçou com o mesmo canudo cortado, fazendo com que os três canudos fiquem juntos e que os dois canudos inteiros fiquem perpendiculares entre si;

  • Enfie os alfinetes no canudo cortado de forma que estes fiquem paralelos entre si e entre um dos canudos inteiros. Estes alfinetes servirão de apoio para a sua balança, portanto deverão ter a mesma altura.

 

     Pronto, agora é só regular sua balança. Para isso, o canudo horizontal deve ficar apoiado bem no meio de forma que tenha braços iguais. O canudo vertical deve ser colocado de forma que seu maior comprimento fique abaixo do canudo horizontal, isto deve acontecer para que o centro de massa da balança fique abaixo do seu ponto de apoio deixando que a balança fique em equilíbrio. Quanto mais você subir este canudo você estará aproximando o centro de massa do ponto de apoio aumentando a sensibilidade da balança. Caso o centro de massa fique acima do ponto de apoio, sua balança, ao sair da posição de equilíbrio, não mais voltará a esta posição se tornando uma gangorra.

     A balança de canudos usa o princípio da balança de braços iguais, coloca-se a massa que se deseja medir de um dos lados, e do outro lado, a uma distância simétrica do ponto de apoio, colocam-se as massas já conhecidas até que a balança se equilibre. Aí é só igualar as massas.  

 



Balança de Roberval

     Em 1668, Roberval formulou o princípio do paralelogramo das forças, uma regra geométrica para compor forcas.

     Em 1669, Roberval inventou uma balança - a balança de Roberval - que é feita, basicamente, de quatro hastes formando um paralelogramo de ângulos variáveis. Os lados superior e inferior giram em torno de seus pontos médios ( figura abaixo ). Os outros lados, onde estão adaptados os pratos da balança, não se inclinam, ficando sempre na vertical, ou seja, os pratos ficarão sempre na horizontal. Esse fato é de grande praticidade, por exemplo, ao medir a massa de três laranjas na feira, o prato continuará horizontal e o comerciante não derrubará a mercadoria. Outro detalhe curioso desta balança é que se duas massas iguais forem colocadas em seus pratos, qualquer que seja a posição que essas massas ocupem nos pratos, a mesma ficará em equilibrio.

     Isso ocorre porque a massa colocada no prato criará um torque no lado vertical da balança. Esse torque produz uma força que atuará nos pontos de apoio superior e inferior desse lado. Porém, essa força atuará diretamente no ponto de apoio central, logo o torque produzido ao se colocar a massa no prato será anulado e, por isso, a distância em que serão colocadas as massas não irá interferir em sua medida.

Você mesmo pode montar uma balança como a que está desenhada ao lado. Utilize quatro palitos de picolé, três ripas de madeira, dois pedaços de palito para churrasco e alfinetes apoiados numa base de madeira. Lembre-se das atividades de equilíbrio para fazer os furos nos palitos. Os furos centrais dos palitos de picolé, fixados na ripa central, devem ser feitos pouco acima do centro de massa.

Após concluir a sua balança, coloque massas iguais a distâncias diferentes em cada braço e comprove que a balança ficará em equilíbrio.