Balança de Torção

Balança de Torção – O que é

Antigamente, nas primeiras atividades experimentais sobre eletricidade, os cientistas não possuíam ferramentas para auxiliá-los. Na década de 1780, dispositivos para gerar, armazenar e detectar eletricidade estática foram construídos, mas não havia maneira fácil de medir quantidades de cargas elétricas estáticas.

Um engenheiro francês com interesse em eletricidade e magnetismo, Charles-Augustin de Coulomb, desenvolveu um dos primeiros instrumentos capazes dessa medir isso: a balança de torção.

A balança de torção de Coulomb consiste em várias partes pequenas. Dentro de uma caixa de vidro, que evita que a brisa ou outros fatores ambientais afetem os resultados, uma agulha pendurada em um fio, tipicamente de seda. Um tubo de vidro estreito se estende através da parte superior da caixa de vidro. No topo do tubo é uma esfera metálica, a partir da qual a agulha trava pelo fio.

Uma pequena esfera metálica está em uma extremidade da agulha, que pode balançar livremente devido ao seu estado suspenso. É importante dizer sobre a parte superior da caixa de vidro também é uma haste de metal com esferas metálicas em ambas as extremidades (uma dentro da caixa, uma fora).

Para usar a balança de torção, Coulomb seguraria um objeto perto da esfera metálica na extremidade superior da haste de metal. Qualquer carga realizada pelo objeto em estudo seria transferida para a esfera metálica e, em seguida, viaja ao longo da haste para a esfera na outra extremidade.

Balança de Torção

A carga pode afetar a agulha suspensa no caso, que em seu estado de repouso tocou a esfera inferior da haste. Então, qualquer carga nessa esfera passou para a esfera da agulha. Uma vez que a esfera da haste e a esfera da agulha se tornaram carregadas de forma semelhante, elas se afastaram.

A repulsão fez com que a agulha se movesse e o fio segurando-o para torcer. Essa ação é chamada de torção, daí o nome do instrumento. Para determinar a quantidade de torção ocorrida, Coulomb consultou uma pequena escala marcada em graus perto da extremidade superior do tubo de vidro estreito.

Uma segunda escala que circundava o próprio estojo de vidro permitiu que ele determinasse até que ponto a agulha se movia. Como Coulomb percebeu, quanto maior a carga, maior a torção e o deslocamento observado.

Um cientista anterior, John Michell, usou um instrumento semelhante para estudar a gravidade, mas o dispositivo não ganhou muita fama até que Coulomb o reinventou e o usou de maneira diferente.

Coulomb realizou estudos detalhados de forças eletrostáticas com a balança de torção que lhe permitiu oferecer a prova mundial da lei do quadrado inverso que hoje tem seu nome. De acordo com a lei de Coulomb, a força elétrica entre objetos é inversamente proporcional à distância entre os objetos.

Existe uma lei do inverso quadrado similar para a gravidade, mas a gravitação é influenciada pelas massas de objetos e não por suas cargas.

Depois que Coulomb publicou os resultados de suas investigações e uma descrição do equilíbrio de torção, cientistas de todo o mundo queriam a ferramenta.

Na verdade, a balança de torção tornou-se um dos instrumentos científicos mais populares para a graça dos laboratórios no final do século 18 e ao longo do século seguinte.

Balança de Torção – Descrição

Uma balança de torção é um instrumento sensível que mede forças fracas, como forças eletrostáticas ou pequenas variações na gravidade, detectando a torção ou torção em um fio ou filamento fino.

Consiste em uma viga horizontal com massas em cada extremidade, suspensa por esse fio fino, frequentemente envolta em uma caixa protetora para evitar perturbações causadas pela temperatura ou pelo vento.

Quando uma força é aplicada, o fio se torce, fazendo com que um sistema óptico, como um espelho e uma balança, indique o ângulo de deflexão, que pode então ser usado para calcular o torque (força de torção) e, portanto, a magnitude da força original.

Balança de Torção – Instrumento de Medição

A Balança de Torção, dispositivo usado para medir a aceleração gravitacional na superfície da Terra. Outros dispositivos semelhantes, que utilizam métodos diferentes para obter o mesmo resultado, são pêndulos e gravímetros.

A balança de torção consiste essencialmente em duas pequenas massas em diferentes elevações, apoiadas em extremidades opostas de uma viga. Esta última é suspensa por um fio que sofre torção porque as massas são afetadas de forma diferente pela força da gravidade. Quando o fio é torcido, um sistema óptico indica a deflexão angular (θ), e o torque (T), ou força de torção, envolvido pode ser calculado a partir da expressão simples T = kθ, na qual k é uma constante que depende das propriedades do instrumento. A quantidade de torque, por sua vez, está correlacionada com a força gravitacional no ponto de observação.

A balança de torção foi idealizada por Lóránt von Eötvös, um físico húngaro, em 1902; muitos cientistas contribuíram com modificações para o instrumento básico.

O termo balança de torção também se refere a um dispositivo usado em pesagens, uma balança de braços iguais que utiliza faixas de aço horizontais em vez de pivôs e mancais.

Balança de Torção – Componentes

Uma balança de torção normalmente inclui:

Uma Viga: Uma haste horizontal leve com uma ou mais massas pequenas em cada extremidade.
Um Fio de Torção: Um fio muito fino e fino (geralmente feito de platina ou seda) que suspende a viga.
Um Espelho e Escala: Um pequeno espelho montado na viga que reflete um feixe de luz em uma escala graduada.
Uma Caixa Protetora: Um invólucro de vidro que protege o instrumento de influências ambientais externas, como vento ou mudanças de temperatura.

Balança de Torção – Como Funciona

1. Aplicação de Força: Uma força externa, como uma atração gravitacional ou uma carga elétrica, atua sobre uma das massas da viga.
2. Torção do Fio: Essa força cria um torque, que faz com que o fio de torção se torça.
3. Deflexão: A torção do fio resulta em uma deflexão angular da viga e do espelho acoplado.
4. Medição: A luz refletida pelo espelho se move ao longo da escala graduada, permitindo a medição da deflexão angular.
5. Cálculo: O torque é calculado usando a fórmula T = kθ (onde T é o torque, k é uma constante dependente do fio e θ é o ângulo de deflexão). Esse torque é então usado para determinar a magnitude da força original.

Balança de Torção – Usos

Balanças de torção são utilizadas para diversas aplicações, incluindo:

Medição de forças naturais fracas: como a gravidade, que pode ser usada em prospecção geofísica para localizar depósitos minerais.
Determinação da constante gravitacional (G): uma constante fundamental na física.
Demonstração da lei de Coulomb: medindo forças eletrostáticas entre objetos carregados.

Fonte: Portal São Francisco