Construção de uma máquina
de Wimshurst "moderna"
última
atualização 26/07/2008
Esta página apresenta os detalhes da construção de uma máquina de wimshurst moderna, utilizando materiais disponíveis nos dias de hoje (e indisponíveis na época do desenvolvimento destas máquinas). A idéia que guiou este projeto foi a de construir uma máquina robusta e pequena para minhas apresentações em classes de física para o ensino médio, facilmente transportável e confiável o suficiente. Acrílico foi amplamente utilizado por ser um material altamente isolante e permitir um bom acabamento para meu projeto. Incluí nesta página as medidas das peças pára permitir a reprodução deste projeto por eventuais interessados, mas chamo a atenção para o fato de que a construção de uma máquina destas requer um mínimo de conhecimento no uso de máquinas tais como tornos, furadeiras de coluna, etc, pois requer a fabricação de peças com medidas relativamente críticas para um bom resultado final.
Eu mesmo optei por fazer um curso de usinagem para aprender algumas das técnicas necessárias para fazer os bosses, por exemplo, e recomendo que o experimentador que se aventurar neste tipo de projeto aproveite para fazer o mesmo, pois esta é uma ótima oportunidade de aprender a manejar ferramentas "sérias" como o torno, que tem multiplas aplicações em montagens diversas.
Um vídeo com a quarta máquina de Wimshurst que construí pode ser visto aqui.
Estrutura de sustentação
Diferentemente das minhas outras máquinas optei por usar uma estrutura toda feita em acrílico nesta máquina. A idéia foi construi-la usando materiais modernos como antes comentei, e com uma aparencia "clean", além de a mesma poder ser facilmente limpa e até lavada. O suporte dos discos (torres de sustentação) foram conformados em acrílico 8 mm cortado e dobrado conforme o desenho :
Cortei também uma base do mesmo material, medindo 300 mm x 230 mm. A foto abaixo apresenta o conjunto já recortado e colado. Os cilindros transparentes são propostas de garrafas de leyden, que depois decidi construir de outra maneira, usando tubos de PVC (de esgoto).
Bosses
Os bosses (suportes aonde os discos vão fixados e que giram sobre o eixo superior) foram implementados, em minha máquina, usando tarugos de Teflon. A razão da escolha deste material se deveu ao fato de não utilizar rolamentos (como usei em minha terceira máquina de Wimshurst). o Teflon é resistente o suficiente para não apresentar folgas com o uso da máquina.Os tarugos foram usinados em meu torno com as dimensões da figura abaixo (são necessárias duas peças iguais, uma para cada disco da máquina). Fiz um furo central de 6 mm de diâmetro para a passagem do eixo de aço que sustenta o conjunto. Também fiz 4 furos menores, de 3 mm de diâmetro, para a colocação de parafusos com porca que fixam o disco na peça.
Bosses e suporte dos neutralizadores já prontos. Observar a arruela de pressão no eixo que está acima. Do outro lado deste eixo usei uma peça em latão que vai parafusada nele de forma a assegurar sua fixação nas torres de sustentação.
Nas montagens que se pode observar em livros e na internet, as barras neutralizadoras são colocadas entre os discos e as colunas de sustentação dos discos ou fora das colunas. Por questões estéticas e de simplicidade optei em colocar os neutralizadores do lado de dentro nesta máquina. É necessário implementar alguma forma de fixação móvel, que permita variar o ângulo entre os neutralizadores, e isto foi conseguido através do emprego de duas buchas ajustáveis conforme foto abaixo.
As buchas (suportes) forma construídas usando um cilindro de
latão (que é macio e fácil de usinar) e nelas
foram feitos furos conforme o desenho. Nos furos a 0ºe a 180º
serão fixadas as barras neutralizadoras (de 4 mm de
diâmetro por 130 mm de comprimento cada uma) através da rosca M4 (elas são parafusadas). No furo a 90º
será colocado um parafuso que imobilizará a peça
em relação ao eixo que passa pelo furo de 6 mm (central).
Arruela Separadora dos discos
Para assegurar que os dois discos não se toquem
durante o uso, preparei uma arruela de plástico (nylon) com as
dimensões apresentadas a seguir. A espesssura desta arruela deve
ser tal que considere a distância (altura) das
cabeças dos 4 parafusos que prendem o disco aos bosses. No meu
caso, esta espessura foi de 4 mm.
Montagem do conjunto de peças para o eixo superior
Abaixo apresento o desenho do conjunto de peças para o eixo
superior. Os discos com os setores não estão aí
inclusos, mas obviamente são fixados aos bosses
através dos 4 furos de 3 mm e separados pela arruela central.. O
Eixo central é implementado em aço (retirado de uma velha
impressoa danificada) e nele foi feito um rebaixo em um dos lados para
colocação de uma arruela de pressão, e do outro
lado foi feita rosca M5, ele atravessa todas as peças.
Também não aparecem na ilustração os
neutralizadores, que são feitos de aço de 4 mm de
diâmetro, e que são rosqueados nos suportes dos
neutralizadores nas posições 0º e 180º.
Conjunto já montado no eixo superior. As barras neutralizadoras
vão fixadas nos furos que aparecem no suporte de latão.
Porca de fixação do eixo
O eixo superior é terminado por uma arruela de
pressão de um lado, e por uma porca de
fixação do outro. Esta porca de
fixação poderia ser uma porca M5, mas optei por fazer uma
peça de latão a qual perfurei e fiz rosca M5. Note
que não atravessei a peça, de tal forma que o eixo fica
encoberto pela peça.
A peça que fixa o eixo superior. Do outro lado do eixo usei uma arruela de pressão. O parafuso na foto serviu parta testar a rosca que foi feita, e está no lugar do eixo apenas para este teste.
Discos
Os discos para esta máquina
medem 300 mm de diâmetro. Os
meus foram cortados em acrílico preto, para se parecerem aos
discos de ebonite das máquinas antigas. Tive sérios
problemas com a corrente de fuga elevada no acrílico preto.
Depois de prontos tive que fazer outros , desta vez de acrílico
vermelho escuro.
Para a obtenção dos discos perfeitamente redondos e com um furo bem centralizado, recortei os discos um pouco maiores usando uma serra tico-tico e fiz um furo de 6 mm aproximadamente em seu centro. Em seguida montei o disco em um pino de 6 mm fixado ao cabeçote móvel de meu torno, e coloquei uma lixa na placa. Girando o disco com a mão fui ajustando-o até que ficasse bem redondo. A foto abaixo ilustra o processo.
Para a obtenção dos discos perfeitamente redondos e com um furo bem centralizado, recortei os discos um pouco maiores usando uma serra tico-tico e fiz um furo de 6 mm aproximadamente em seu centro. Em seguida montei o disco em um pino de 6 mm fixado ao cabeçote móvel de meu torno, e coloquei uma lixa na placa. Girando o disco com a mão fui ajustando-o até que ficasse bem redondo. A foto abaixo ilustra o processo.
Técnica para a obtenção de um disco bem redondo
Em seguida, usando um gabarito especial que mandei fazer (é uma
ferramenta de corte usada para cortar couro) recortei setores de
alumínio com as dimensões previamente calculadas usando o
programa do professor Antônio Carlos (Wmd.exe)
para minha máquina. Meus setores são em total 18 por
disco, e foram cortados de uma fita adesiva de alumínio, e em
seguida colados aos discos. As fotos a seguir mostram o processo.
Recorte dos setores. Observe que os mesmos podem ser recortados com uma
tesoura, embora o resultado não seja tão bom.
Um dos discos já pronto.
Observe que os pequenos círculos metáklicos sobre os
setores são parte de um botão de calça jeans que
serve para melhorar o contato com as escovas dos neutralizadores (podem
ser adquiridos em lojas de artesanato). Foi feito um pequeno rebaixo no
disco, sem
atravessa-lo, sobre cada setor; o pino dos botões, cortado
à metade de seu comprimento,
foi então introduzido neste furo previamente cheio com cola
araldite.A vantagem deste processo é o fato de que estes
botões são de aço inoxidável, não
gastam nunca pelo atrito com as escovas, e facilitam o ajuste destas de
forma a garantir um bom contato e ao mesmo tempo não tocar o
acrílico (para não riscá-lo).
Escovas dos neutralizadores
São fixadas ao eixo das barras neutralisadoras por clips de folha de papel afixadas em pequenos cilindros de alumínio. Como as escovas estragam com alguma frequencia adotei esta forma para poder facilmente substituí-las.
Eixo inferior
O eixo inferior que implementei utiliza um tarugo de Teflon torneado
para obter a forma desejada. Diferentemente das outras máquinas
que construí optei por uma peça única atravessada
por um eixo com manivela de aço e que tem como apoio nos dois
lados peças de teflon ajustáveis. Este conjunto
único ficou simples de ajustar e montar, especialmente quando
tiver que trocar as correias de borracha, além de uma aparencia
adequada a este projeto.
A peça de teflon para movimentar os discos. Observar os sulcos para reter a correia de borracha.
Do lado de fora , fixada à torre de suporte, uma peça de
Teflon foi usinada e fixada por dois parafusos. Esta peça tem
furo central M6 e serve de apoio para que o eixo de manivela não
atrite com o acrílico da torre, que certamente se desgastaria
logo. O Teflon é muito resistente, por isto optei por não
usar rolamentos. O conjunto ficou extremamente leve de girar! As
correias de borracha já estão no lugar.
Vista do conjunto montado
E... Deu errado!
27/05/2008
Os primeiros testes com minha quarta
máquina simplesmente não funcionaram! Pela experiencia
anterior que tive na montagem destas máquinas, não
são necessários os coletores de carga para elas
funcionarem. Bastam os discos e os neutralizadores para já se
perceber que ela está carregando, observando o odor de
ozônio gerado e as pequenas faíscas que se obtem ao
aproximar a mão da posição aonde são
colocados os coletores de carga (equador dos discos). Depois de muitos
testes desconfiei dos discos, que por serem de acrílico me
pareciam "inocentes". Coloquei meu megohmetro entre dois setores e medi
300Mohms - um curto circuito para as pequenas quantidades de carga que
deveriam se acumular! Resumindo, o acrílico preto é um
mal isolante, não pode ser usado nas montagens de
eletrostática. Recomecei então o trabalho de fabricar
discos, agora na cor vinho, que medi previamente. Uma dica para quem
não tem o megohmetro: atrite o material do qual serão
confeccionados os discos com uma folha de papel. O mesmo deve
eletrizar-se, atraindo os pelos do braço ou pequenos objetos. Se
isto não acontecer é melhor escolher outra coisa.
Como placa interna dos capacitores usei o alumínio de uma
latinha de refrigerante. Adivinha qual...Recortei uma pequena ligueta
no mesmo, de forma a ter como conectar a placa de dentro da garrafa de
Leyden ao terminal superior que aparece abaixo. O lado externo dos
condensadores, como também são conhecidos, é
envolto por um cilindro de latão (por causa da aparência
bonita do latão, poderia ser qualquer outro metal) que fomam a
outra placa do capacitor.
Estes são os terminais de
descarga com esferas nas pontas. Estas
esferas foram compradas pela inetrnet, são as "bolas
massageadoras de mãos" chinesas, e tem um pequeno sino interno.
Em uma delas eu colei um pequeno tubo de plástico e em sua ponta
uma esferinha de inox de 5 mm de diâmetro. Nas extremidades dos
terminais coloquei cilindros de acrílico transparente que
constituem pegas ou manipuladores que permitem ajustar a
distância entre as bolas com a máquina em
funcionamento sem risco de choque elétrico no operador. Duas
tampas de acrílico transparente foram torneadas para fechar a
parte superior dos canos de PVC que formam os capacitores. A
fixação dos mesmos se dá pelo uso de
tampões para cano de PVC colados na base da máquina.
Vista traseira da máquina já com os discos com rebites
montados no lugar. Pode-se ver os tampões de PVC que fixam as
garrafas de Leyden no lugar. Pode-se ver os terminais montados sobre os capacitores e já no lugar.
Pequenas esferas metálicas foram fixadas à
cabeça dos parafusos que permitem fixar a posição
dos terminais de descarga. Esta solução foi interessante,
pois permite, girando a bolinha, travar a posição da
barra do terminal de descarga. A escolha da bolinha se deve ao fato de
que com estas não ocorre fuga de carga causada pelos "efluvios
elétricos " (descargas corona).
A máquina pronta. Pode-se
observar os manipulos de acrílico transparentes e a barra
móvel de latão que interliga os capacitores. Esta barra
pode ser removida para um teste, se desejado.
Outra foto da máquina pronta. Pode-se ver a pequena bolinha fixada ao terminal positivo da máquina.
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