O Acelerômetro
Um dispositivo que brilha nos tabletes e celulares modernos.
Hoje em dia, os celulares ditos “inteligentes” e os “tabletes” estão na moda. Uma das características dessas maquininhas que mais chamam a atenção é o ajuste automático da disposição na tela de acordo com a orientação do aparelho. Como é que isso é feito? Como é que o celular sabe se está na horizontal ou não?
O responsável por esse curioso milagre tecnológico é um pequeno dispositivo preso ao interior do aparelho: o acelerômetro.
Como o nome já entrega, esse dispositivo “sente” e mede a aceleração. Mas, isso não diz tudo e há muito a ser aprendido em uma descrição do funcionamento de um acelerômetro. Como veremos nas páginas seguintes, para entender melhor o acelerômetro precisamos aprender um pouco sobre alguns materiais que exibem propriedades elétricas bem interessantes. E, no processo, vamos até mesmo dar uma definição de aceleração que nem todo estudante de Física reconhece.
Tipos mais comuns de acelerômetros.
Existem vários tipos de acelerômetros, mas, vamos descrever apenas os dois mais usados: o acelerômetro de material piezoelétrico e o acelerômetro de capacitância. Ambos são analógicos, isto é, fornecem uma voltagem elétrica que é proporcional à aceleração medida.
Acelerômetro de material piezoelétrico
Na página seguinte, vamos dar algum detalhe sobre o que é um material piezoelétrico. Por enquanto, basta saber que esse tipo de material tem uma propriedade bastante conveniente: quando comprimido, gera uma voltagem elétrica. Quanto maior a compressão, maior a voltagem gerada. Essa característica pode ser usada para medir uma aceleração.
A figura ao lado ilustra de forma esquemática o funcionamento desse tipo de acelerômetro. Uma caixa metálica contém uma massa, também metálica, colocada sobre uma lâmina do material piezoelétrico. Esta, por sua vez, está fixada ao fundo da caixa.
Se a caixa estiver em repouso, o material piezoelétrico suporta o peso da massa e sofre uma compressão que resulta em uma voltagem nos terminais vistos à direita (+ e -). Essa voltagem pode ser medida com um milivoltímetro.
Se a caixa for acelerada para cima, como mostra a figura, a compressão do material piezoelétrico aumenta e a voltagem de saída se eleva proporcionalmente à aceleração. Se a aceleração for para baixo, a compressão do material é aliviada e a voltagem de saída é diminuída. Desse modo, obtém-se uma voltagem nos terminais que deve ser proporcional à aceleração da caixa.
Em geral, a voltagem na saída de um acelerômetro desse tipo é pequena. Mas, com a sensibilidade da eletrônica atual, essas voltagens são suficientes para resultar em medidas confiáveis da aceleração. Basta calibrar o dispositivo com cuidado – e isso já é feito pelo fabricante do aparelho que usa o acelerômetro. Normalmente, na posição da figura A, abaixo, o acelerômetro colocado em um aparelho em repouso indica a aceleração da gravidade (1 g). Isso indica a compressão feita pelo peso da massa sobre o material. Quando o aparelho – portanto, o acelerômetro que está dentro dele – é girado de 90°, como na figura B, não há compressão e o acelerômetro indica 0 g. Na posição inversa, como visto na figura C, a massa alivia o material e o acelerômetro indica – 1 g.
A curva da voltagem de saída em função do ângulo que o acelerômetro faz com a horizontal pode ser semelhante a essa da figura abaixo. Nesse exemplo, quando o acelerômetro está a 90o com a horizontal (como em A da figura anterior), a voltagem nos terminais de saída é de +500 milivolts. Na posição inversa (como em C), ela é de -500 milivolts.
A foto ao lado mostra um acelerômetro comercial típico. Ele tem pequeno tamanho e pode ser facilmente afixado a um celular, por exemplo. O preço médio de um dispositivo como esse, atualmente, está por volta de 10 reais. Se você pretende montar uma fábrica de celulares e vai comprar milhares desses acelerômetros, o preço de cada um será bem menor que isso.
Usualmente, são montados três acelerômetros em um bloco único, cada um apontando para um eixo perpendicular aos outros. Esse é o acelerômetro de 3 eixos, ilustrado ao lado.
Acelerômetro de capacitância
Como aprendemos no colégio, um capacitor simples consiste de duas placas metálicas separadas por uma pequena distância. Entre elas está o ar ou algum material isolante adequado. Colocando cargas elétricas de sinais opostos nessas placas, como na figura abaixo (na esquerda), surge uma diferença de potencial elétrico V (voltagem) entre as placas.
Se as cargas nas placas forem mantidas constantes, a voltagem nos terminais de saída varia com a distância entre as placas. Placas mais próximas resultam em voltagens menores nos terminais.
Pronto, isso pode ser usado para fazer um acelerômetro. Basta montar um tipo de capacitor no qual a distância entre as placas dependa da aceleração do conjunto.
A figura ao lado mostra um arranjo possível de acelerômetro por capacitância. Quando o conjunto está em repouso, a mola que segura a placa superior está distendida e a voltagem vale V2. Mas, se o conjunto for acelerado para cima, a mola é comprimida e as placas do capacitor se aproximam uma da outra, resultando em uma voltagem menor V1.
De resto, esse tipo de acelerômetro equivale ao tipo anterior. Mas, em alguns casos pode ser mais conveniente para detetar vibrações rápidas.
Materiais piezoelétricos.
Como vimos na página anterior, um material piezoelétrico tem a propriedade de gerar voltagens elétricas quando é comprimido. Aliás, a palavra “piezo”, do grego, significa mais ou menos isso: comprimido. Essa propriedade de alguns materiais foi descoberta em 1880 pelos irmãos Pierre e Jacques Curie, franceses. Pierre, por sinal, foi casado com a famosa Maria Curie e trabalhou muito com ela no estudo de outro tipo de materiais, os radioativos. No caso dos materiais piezoelétricos, os irmãos Curie investigaram, entre outros, o quartzo, a turmalina e o sal de Rochelle. Descobriram que esses materiais, quando espremidos, geram uma certa voltagem elétrica. Descobriram, também, que essa propriedade “piezoelétrica” pode desaparecer se o material for aquecido e ultrapassar uma temperatura que depende do material. Essa temperatura de transição é chamada, hoje, de “temperatura de Curie”.
Por que esses materiais apresentam esse efeito? Hoje, sabemos que essa propriedade é o resultado da presença de dipolos elétricos nesses materiais. Vamos exemplificar o que se entende por dipolo elétrico usando um exemplo simples (e hipotético, isto é, imaginário) de uma molécula com seis átomos que formam um hexágono. Essa molécula pode ser pensada como a célula de um cristal. Outras moléculas semelhantes ocupam posições em todos os lados dessa mostrada, formando uma “rede cristalina”.
É fácil ver, na figura A, que essa molécula (ou “célula”) é eletricamente neutra, pois possui 3 átomos positivos e 3 negativos de mesmo valor numérico. Além disso, se a célula não está comprimida nem distendida (A), o centro das cargas positivas coincide com o centro das cargas negativas. Na figura A esse centro é indicado por um pontinho preto. Portanto, essa célula, além de neutra, não possui dipolo elétrico. Mas, se o cristal for comprimido (figura B), essa disposição é modificada. O centro das cargas positivas (pontinho azul) fica abaixo do centro das cargas negativas (pontinho amarelo). É essa separação de cargas com o mesmo valor e sinais opostos que chamamos de dipolo elétrico. Portanto, o cristal comprimido continua neutro mas passa a apresentar uma polarização elétrica, com um dipolo em cada célula. Se, ao contrário, o cristal for distendido (figura C), o dipolo que se forma em cada célula tem a orientação oposta.
Alguns materiais já possuem dipolos por natureza, isto é, são naturalmente polares, mesmo sem sofrer nenhuma compressão. Outros, porém, são capazes de apresentar “polarização induzida”, isto é, neles a compressão gera os dipolos. Esse é o caso do cristal esquemático da figura abaixo. Quando relaxado, os centros de carga (positiva e negativa) em cada célula coincidem e o cristal não é polarizado. Na figura, representamos isso mostrando cada célula na cor verde. Quando esse cristal sofre uma compressão, porém, os centros de cargas em cada célula são deslocados e cada uma delas passa a exibir um dipolo elétrico. Isso está representado como uma separação de cores em cada célula (amarelo é negativo e azul é positivo). Observe que, na superfície superior do “cristal” comprimido, surge um excesso de cargas negativas e, na superfície inferior, um excesso de cargas positivas. Portanto, essas superfícies atuam como se fossem as placas de um capacitor carregado. Colocando terminais nessas superfícies, podemos tirar uma voltagem de saída, que pode ser usada em um acelerômetro.
Podemos aproveitar para dar outra informação sobre os cristais polares ou não-polares. Um cristal só pode ser polarizado eletricamente, isto é, só pode exibir dipolos em suas células, se essas células não tiverem centro de simetria. A célula vista anteriormente (reproduzida em B, na figura abaixo), não tem centro de simetria, pois de cada lado do ponto central (e, a mesma distância dele) há cargas de sinais opostos. Já na célula da figura A abaixo, o ponto central é um centro de simetria, como é fácil de ver. Uma compressão não consegue separar as cargas elétricas nesse tipo de célula. Esse tipo de cristal não pode ser polarizado.
Usos comuns dos acelerômetros.
Atualmente, os acelerômetros são pequenos, baratos e de boa sensibilidade. Por essas razões, esses dispositivos são muito usados em sistemas onde se queira detectar, medir ou usar qualquer movimento ou vibração.
Um dos exemplos mais vistosos de uso dos acelerômetros é o sensor de orientação nos telefones celulares ditos “inteligentes” ou nos tabletes eletrônicos.
O acelerômetro “sente” o ângulo com a horizontal e informa esse valor a um programa que faz parte do sistema operacional do aparelho. Com essa informação, o programa ajusta a orientação do que é mostrado na tela. Isso é bastante conveniente em jogos nos quais, por exemplo, o telefone ou tablete é manobrado como se fosse o volante de um carro.
Câmeras digitais modernas usam os sinais do acelerômetro para evitar fotos borradas tiradas por fotógrafos amadores trêmulos. O sensor verifica se há alguma vibração antes de disparar o obturador e só “bate a foto” quando acha que a câmera está suficientemente estável.
Alguns notebooks usam o sinal do acelerômetro para proteger o disco rígido, na eventualidade de uma queda desastrada. A parte que corre mais perigo de ser danificada em uma queda é a cabeça de leitura e gravação. Ao sentir que o aparelho está caindo, o sistema operacional desliga o HD e prende a cabeça.
Os airbags de carros também usam acelerômetros para serem acionados no caso de um impacto forte e repentino. Na verdade, hoje em dia os acelerômetros são usados até em tênis para fazer o Cooper. Outros usos só dependem da imaginação e criatividade dos projetistas.
Um passeio sobre a noção de aceleração.
No colégio, a gente aprende que a aceleração é a variação da velocidade com o tempo. No sistema usual de unidades, uma aceleração é medida em metros por segundo ao quadrado (m/s²).
Por exemplo, qualquer objeto solto perto da superfície da Terra cai com uma aceleração g = 9,81 m/s², a aceleração da gravidade (g).
É natural, portanto, pensar que um acelerômetro sente e mede esse tipo de aceleração dos corpos em movimento.
Mas, não é bem assim. O acelerômetro é um dispositivo mais sofisticado e mede o que se chama de “aceleração própria”. Esse é um conceito que surgiu com os trabalhos de Albert Einstein em 1915, quando apresentou ao mundo sua Teoria da Relatividade Geral.
A aceleração própria de um sistema é medida em relação a outro sistema em queda livre. Se você leu nossa seção especial sobre a Relatividade Geral já conhece o famoso Princípio da Equivalência, enunciado por Einstein em seus artigos sobre essa teoria. Para quem não leu, ou está com preguiça de ler agora, podemos dizer ligeiramente do que se trata. Segundo esse Princípio, a ação da gravidade é indistinguível (portanto, “equivalente”) a uma aceleração na vertical, para cima.
Por exemplo, se você acordar dentro de uma caixa sem janelas e se vê “flutuando sem peso”, junto com outros objetos que também flutuam alegremente, o que vai pensar? Bem, diz você, talvez eu tenha sido transportado por alienígenas para essa caixa no meio do espaço sideral, longe de qualquer planeta ou estrela, onde não nenhuma força gravitacional. Certo, mas há outra possibilidade mais preocupante.
Talvez você esteja na Terra, dentro de um elevador todo fechado que cai livremente, com a aceleração da gravidade.
Os dois casos são equivalentes. Não há como distinguir entre eles, pelo menos enquanto o elevador não atingir o solo. Aliás, em vez de um elevador caindo, você poderia estar em uma caixa que está em órbita em redor da Terra. O efeito seria o mesmo.
Essa caixa, caindo livremente na Terra ou passeando no espaço sideral, é o que se pode chamar de um “sistema inercial local”. Pois bem, um acelerômetro mede a aceleração em relação a um sistema inercial local. Portanto, um acelerômetro em repouso sobre uma mesa, na superfície da Terra, indica uma aceleração g para cima, já que qualquer ponto fixo no espaço perto da superfície da Terra está acelerando com g para cima em relação ao referencial inercial local.
O acelerômetro de um tablete colocado sobre uma mesa indica um valor g para cima. E, se o tablete for girado de 90°, o acelerômetro indica um valor nulo.
O acelerômetro também indica um valor nulo se estiver em queda livre na Terra. Mas, há um porém. Na Terra, temos uma atmosfera que exerce uma força de atrito sobre corpos em queda. Se o tablete caiu de um avião é possível que venha a atingir o que se chama de “velocidade terminal”, quando seu peso for compensado exatamente pelo atrito do ar. Nessa circunstância, ele estaria caindo com velocidade constante. Qual seria, então, a indicação do acelerômetro? Se você entendeu a explicação acima, sabe que, em velocidade terminal constante o acelerômetro caindo paralelo à superfície da Terra vai indicar 1 g.
Alguns paraquedistas de acrobacias aéreas ficam longo tempo caindo antes de abrir o paraquedas. Eventualmente, eles atingem a velocidade terminal. Se você perguntar a um deles o que sente nesses momentos ele lhe dirá que sente como se estivesse em casa, deitado sobre um colchão macio. Pois, estará sentindo um efeito equivalente ao que sente quando se deita sobre uma superfície horizontal e macia na superfície da Terra.
E aqui encerramos nosso relato sobre os acelerômetros. A internet tem muito mais a informar sobre esses aparelhinhos, se você quer mais detalhes. E, mesmo com o que aprendeu, não deixe seu celular ou tablete cair no chão. A tecnologia ajuda mas tem seus limites.
