Pêndulo Mundial

Descrição

Decolagem da Soyuz na Guiana francesa @ 5º a norte do equador.

Os foguetões são enviados para o espaço a partir de latitudes equatoriais. Isto deve-se ao facto do peso aparente ser gradualmente reduzido desde os pólos até o equador. Efectivamente sentir-nos-emos mais leves no equador do que nos pólos!

É esta ligeira diferença que permite poupar toneladas de combustível quando um foguete é lançado em órbita a partir do equador. Por exemplo, o lançamento para uma orbita geoestacionária pela Soyuz a partir da Guiana Francesa (5N) permite colocar 3 toneladas(ton) em órbita ao invés das habituais 1,7 ton quando lançada de Baikonur no Cazaquistão (46ºN).

O objetivo desta experiência consiste em determinar em vários pontos do globo a “constante da gravidade” através duma constelação de pêndulos colocados em várias latitudes e operados remotamente por qualquer pessoa através da internet. Espera-se que vários países da CPLP possam contribuir para esse esforço, aproximando estudantes, professores e cidadãos interessados no conhecimento físico do nosso planeta. Existem duas atividades a decorrer em paralelo: (i) o acesso através do e-lab a pêndulos em várias latitudes e (ii) a construção e operação local em escolas com o apoio da comunidade do FQ em Rede.

Lisboa, Ilhéus e Rio de Janeiro serão as primeiras cidades a partir de Janeiro de 2013 a receber os pêndulos, permitindo efectuar um ajuste dos dados experimentais à equação teórica que descreve a variação da gravidade com a latitude.

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Quem gosta desta iniciativa

Aparato experimental

Os pêndulos utilizados nas experiências são baseados no desenho do Dr. Jodl . Algumas alterações menores foram introduzidas ao nível do manuseamento da massa e na adaptação a materiais simples de encontrar de forma a permitir a replicação em escolas secundárias (ensino médio). Os dados seguintes foram utilizados na sua construção:

Exemplo de pêndulo utilizado para a determinação da aceleração da gravidade.

Suporte do cabo de ligação à massa que permite evitar alongamentos indesejados durante as oscilações. O cabo é fixo ou com uma agulha de seringa endovenosa ou com um parafuso M4 de latão perfurado interiormente a 1mm.

Comprimento padrão do cabo (excluindo a esfera)	2700mm +/- 0.5mm
Comprimento real CCV_Alg/FARO	2677mm +/- 0.5mm
Comprimento real UESC/ILHÉUS	2705mm +/- 0.5mm
Massa da esfera	2kg +/- 75g
Diâmetro da esfera	81.8mm +/-0.2mm
Cabo	Remanium(r) - (Nickel-chromium) - 0,4mm
Módulo de elasticidade do cabo	~200GPa
Cronómetro	Microcontrolador com cristal de 7,3728MHz - 30ppm + laser + PIN foto-díodo
Coeficiente expansão térmico do cabo (25-500ºC)	~14 x 10-6 K-1

A montagem experimental pode ser facilmente adaptada à operação humana para execução local, realizada apenas com o auxilio de um bom cronómetro. As estruturas de aço inox podem ser realizadas em latão ou bronze facilitando a sua talha.

O cabo empregue pode ser substituído por cabo de aço de pesca desportiva e a massa adquirida numa loja de desporto, tendo sido empregue neste caso uma de 2kg do treino do lançamento do peso olímpico. Deve ser utilizado uma fita-métrica calibrada para medir o comprimento do cabo depois de utilizar o sistema por alguns dias.

Parceiros locais

O pêndulo é um dos dispositivos experimentais com maior riqueza física apesar da sua simplicidade. Efetivamente só a medida do seu cabo e a sua qualidade e dos apoios são relevantes para a construção precisa do instrumento.

Seleccionando uma massa entre 1 a 4 kg, o erro relativo ao período será suficientemente pequeno para se detetar as variações requeridas na aceleração da gravidade (inferiores a 0,1%) desde que se use um cronómetro preciso.

Uma montagem local pode ser realizada facilmente com recursos a materiais simples de encontrar e comparado o valor determinado para o "g" local com os da constelação remota de pêndulos.

A colecção destes dados através duma rede social permitirá fazer uma descrição mais precisa da variabilidade de g's em torno do globo. O "pendulo mundial" poderá ser uma importante rede colaborativa para a disseminação e o envolvimento da física nas escolas.

A construção do pendulo está detalhada em Precision Pendulum.

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Física

A determinação da aceleração da gravidade em diferentes partes do globo levanta questões sobre a importância da modelização em física. Partindo do principio que a força da aceleração é constante ao nível do mar, pode-se mostrar contudo que que esta "constante" varia ligeiramente com a latitude e tem por isso de ser corrigida consoante o lugar onde nos encontramos. Este processo permite desmistificar a ciência e corrigir o "mito urbano" existente em torno de muitas constantes que só o são com muitas aproximações. Neste caso particular mostraremos como a introdução de correcções sucessivas à "constante da gravidade" levará a valores mais próximos dos estimados experimentalmente.

Modelo geofísico

O ponto de partida é a aproximação do modelo geofísico da Terra, como sendo (i)uma esfera (ii) não-rotante cuja aproximação mais conhecida atribui o valor de 9,82 m/s². É trivial notar que este modelo, devido à simetria da esfera, leva a valores uniformes em qualquer latitude da Terra. Mas assim que introduzimos a dinâmica do movimento terrestre aperceber-nos-emos que este valor passa a depender da latitude bem como se considerarmos a terra um elipsóide devido ao achatamento nos pólos. Com efeito estes dois aspetos são as principais causas do desvio da "constante da gravidade" com a latitude e superam todos os outros efeitos tais como (i) a altitude do lugar, (ii) as marés ou (iii) a constituição do sub-solo próximo ao lugar.

Para demonstrar estes aspetos mais finos, a aceleração da gravidade tem de ser determinada em várias latitudes sobre o globo e bastante afastadas entre si. Com estas medidas obtidas em rede, os alunos poderão questionar-se sobre a "constante" e interpretar melhor a força da gravidade.

Estudos experimentais

Variação com a latitude

Como se viu, o primeiro estudo possivel consiste na utilização dos pêndulos remotos e verificar qual a aceleração da gravidade aparente nesses vários locais. Através da introdução (ou desprezo) de vários ajustes tenta-se chegar graficamente a um ajuste da descrição experimental da terra usando harmónicos esféricos (equação \eqref{harmonica-esferica}).

Determinação local

Seguindo as instruções descritas nesta wiki ou usando outro tipo de construção rigorosa dum pêndulo, produz-se e instala-se um pêndulo local e contribui-se para o enriquecimento da folha de cálculo da rede do pêndulo mundial.

Estudo das marés

Com base num almanaque obtém-se as datas/horas dos dias de alinhamento da lua com o Sol (marés vivas ou lua-cheia e lua nova) e quando estamos em quarto crescente ou minguante. Traçando um gráfico ao longo de vários meses tenta-se verificar e quantificar a influência das marés e do alinhamento da Lua com o Sol no peso aparente. Desta forma pode-se tentar associar às marés (luas) e ao movimento de translação eventuais flutuações medidas na aceleração aparente da gravidade, fazendo um estudo com um período mensal e/ou anual (p.exemplo ver as diferenças no periélio de Janeiro c/ lua nova e no afélio de Julho com lua cheia).

A CPLP como "provedor de latitude"

Gráfico com a aceleração da gravidade a determinar pela rede. São Tomé e Príncipe está mesmo sobre o equador. O valor de Lisboa já foi estabelecido experimentalmente.

A língua é um fator importante da nacionalidade ("a minha pátria á a língua portuguesa", F. Pessoa) e uma maneira simples de definir os chamados "países irmãos". Na prática só quatro línguas estão disseminadas no globo, sendo uma delas o português. Naquilo que nos interessa, o português cobre latitudes de ~30ºS a ~42ºN, quase 75º de variação sobre o equador. Deste modo os países da CPLP poderão servir como "provedores de latitude" (ver figura).

Para realizar esta experiência e ajustar pontos relevantes à nossa curva experimental precisaremos de pelo menos quatro pontos espaçados em latitude. Mas devido à não-linearidade da equação mais pontos serão convenientes para obter um ajuste firme, principalmente em torno do "joelho" nas latitudes de 10º-30º. Só o Brasil por si permite obter grade parte deste conjunto de pontos (Recife 8º, Salvador – 12º, Rio de Janeiro – 23º, Porto Alegre – 30º) mas não permite suprir os pontos onde a aceleração da gravidade varia mais rapidamente, a região quase linear entre 30º e 60º onde Portugal pode contribuir com dois pontos, por exemplo 37º e 41º. Moçambique e Angola podem contribuir com pontos redundantes próximos ao equador e S. Tomé e Príncipe, Brasil e Cabo Verde com valores equatoriais.

Ajuste experimental

Existem inúmeras fontes de informação sobre o pêndulo . Se forem tidas em conta todas as influências significativas a equação harmónica na latitude que resulta pode ser expressa por: \[ g_{n}(\varphi) = 9.780 326 772\times[1 + 0.005 302 33 \cdot sin^{2}(\varphi) - 0.000 005 89 \cdot sin^{2}(2\varphi)] \label{harmonica-esferica} \]

onde \(\varphi\) é a latitude do lugar. Esta expressão é uma das que melhor ajusta os resultados experimentais de acordo com o "World Geodetic System datum surface (WSG84)", considerando a terra como um elipsóide de raio r₁=6378137m no equador e r₂=6356752m como o raio semi-menor polar.

Propõe-se que se derive pelo menos a correção devido à força centrífuga e do achatamento dos pólos.

Variabilidade do período com o tempo decorrido e consequentemente com a amplitude.(ângulo < 7,5º) demonstrando que o erro é inferior a 0,05%.

Na figura mostra-se o desvio da "constante da gravidade", ou seja o valor real em função da latitude. Estão marcadas as latitudes de alguns possíveis parceiros. Houve a preocupação de evitar que qualquer erro experimental excedesse os 0,05%, tendo em conta um desenho preciso da montagem experimental de forma a conseguir obter a precisão final mínima de 0,1% para poder comparar os dados.

Notas históricas

A importância do pêndulo como elemento base dos relógios e cronografos só foi destronada quando a Royal Society inglesa convenceuo parlamento a instituir um prémio de 10k£ a 20k£ (atualmente mais de 3,5M€) para a invenção dum cronografo que não dependesse dele. Com efeito a precisão do pêndulo na determinação do tempo só é ultrapassada por sistemas eletrónicos modernos.

Efetivamente, à data dos descobrimentos, a longitude só era determinada com um elevado erro, uma vez que os relógios e cronografos dependiam do pendulo e este era muito sensivel às oscilações dos navios, alterando a sua frequência ou até parando. A hora local do navio era utilizada para comparar com a hora solar (ou estelar) e com esta diferença estabelecia-se a longitude do lugar.

Ligações

• Versão em Inglês (English Version)