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CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 1 Metrologia Aula 1 Prof. Roberto Pansonato CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 2 Conversa inicial O que vem a sua mente quando ouve a palavra metrologia? Talvez alguns dos primeiros significados a aparecer referem-se a metro, medir, etc. Provavelmente em uma rápida análise sejam apenas estes, mas veremos que a influência da metrologia é muito importante e impactante em nossas vidas. O objetivo dessa disciplina não é propor foco em detalhes complexos da metrologia, mas sim mostrar os principais conceitos e a sua aplicabilidade dentro das organizações. Contextualizando O Sr. Adamastor é uma pessoa para lá de metódica, para não dizer “chato”. Quando ele decidiu comprar um carro novo (zero quilômetro) foi um desafio para os consultores de venda. Ele queria um veículo que fosse o mais econômico possível em relação a consumo de combustível. Depois de muitas consultas e pesquisas, o Sr. Adamastor adquiriu um veículo que satisfizesse suas exigências, mas ele só se daria por completamente convencido quando fizesse seus próprios testes. A primeira questão que ele queria comprovar era quanto ao nível de consumo prometido pelo fabricante do veículo. Sendo uma pessoa muito metódica, ele sempre abastecia no mesmo posto de combustível e de preferência na mesma bomba. E já no primeiro levantamento de consumo, houve uma disparidade: o veículo estava gastando mais do que o prometido. O Sr. Adamastor foi direto ao revendedor e “gastou o vocabulário”. O veículo foi revisado e nada foi encontrado; no entanto, na semana seguinte, o homem estava novamente na concessionária. Os consultores até escondiam-se quando o viam. Foi sugerido que ele trocasse de posto de combustível e, a contragosto, ele o fez. Resultado: alto consumo novamente. Aí começou a entrar a tal da metrologia. As bombas do posto de combustível preferencial do Sr. Adamastor foram avaliadas quanto à calibração, CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 3 incerteza de medição, repetitividade e reprodutibilidade por um órgão acreditado. Para desespero de todos, especialmente dos consultores técnicos, os resultados apontaram que os equipamentos estavam dentro das especificações. De volta à concessionária, uma série de questionamentos foi realizada. A certa altura, alguém questionou a acurácia do hodômetro parcial do veículo, método utilizado pelo Sr. Adamastor para verificar os quilômetros rodados. Aí começou a aparecer uma luz no fim do túnel. O hodômetro é um equipamento destinado a medir a distância percorrida por um veículo, portanto, um instrumento de medição. Alguém sugeriu que se fizesse uma verificação do hodômetro parcial e, para surpresa de todos, ele apresentava um erro de medição só constatado quando comparado a um padrão de referência. Foi decidido pela troca do instrumento, o Sr. Adamastor retomou os testes de consumo, e, para sua satisfação e dos consultores técnicos também, os resultados finalmente atenderam às expectativas. Problematização Podemos então dizer que, no caso do Sr. Adamastor: I. O equipamento de medição da distância percorrida não tinha metrologia. II. Nos dados obtidos no posto de combustível, só foi possível afirmar que os instrumentos estavam corretos devido à comparação dos dados coletados com um padrão. III. O hodômetro parcial possuía um erro que só foi detectado através da utilização da metrologia. IV. O hodômetro não deve ser caracterizado como um instrumento de medição. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 4 Quais são as alternativas corretas? a. I e III. b. II e III. c. Somente a alternativa I. d. II e IV. e. Somente a alternativa IV. Confira o feedback do exercício no material on-line! Tema 1: Presença da Metrologia no cotidiano Até aqui, tivemos uma breve visão da presença da metrologia em nossas vidas: o horário do alarme do celular, a temperatura no interior de um refrigerador, a temperatura ideal para se produzir um pão com qualidade, a velocidade de deslocamento de um automóvel, a pressão dos pneus, o valor pago em um restaurante “por quilo”, as contas de energia elétrica e de água, etc. Sem contar na área industrial, onde é possível produzir uma determinada peça do outro lado do mundo e montá-la perfeitamente em alguma empresa de manufatura aqui no Brasil. Medições são efetuadas a todo o momento em praticamente todos os ramos da atividade humana. Atividades como agricultura, pecuária, comércio, indústria e setor de serviços dependem muito de medições confiáveis para manterem-se em harmonia em todas as transações que ocorrem frequentemente. A maioria das atividades do ser humano tem por finalidade transações técnicas ou comerciais. Para que isso ocorra sem contratempos, o vendedor/fornecedor e o comprador/cliente precisam ter garantia do que e de quanto está sendo transacionado. É necessário, portanto que ambos estejam fundamentados nas mesmas referências e que os processos de medição sejam confiáveis. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 5 William Thomson, conhecido também como Lord Kelvin, afirmou em 1883 que: “Quando você pode medir aquilo de que fala e expressá-lo em números, você sabe alguma coisa sobre isto, mas quando você não pode medi-lo, quando você não pode expressá-lo em números, o seu conhecimento é limitado e insatisfatório: pode ser o início do conhecimento, mas você, no seu pensamento, avançou muito pouco para o estágio da ciência. ” William Thomson foi um físico, matemático e engenheiro britânico, nascido na Irlanda. Considerado um líder nas ciências físicas do século XIX, ele fez importantes contribuições na análise matemática da eletricidade e termodinâmica, e fez muito para unificar as disciplinas emergentes da física em sua forma moderna. É conhecido por desenvolver a escala Kelvin de temperatura absoluta (onde o zero absoluto é definido como 0 K). O título de Barão Kelvin foi- lhe dado em homenagem a suas realizações. Fica claro através desta afirmação que palavras e impressões não são suficientes para descrever de forma clara um fenômeno ou um processo. É necessário expressa-lo de forma quantitativa, ou seja, é necessário medi-lo. No entanto, o que é medir? De acordo com Albertazi e Sousa (2008), medir é o processo pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física é determinado como um múltiplo e/ou fração de uma unidade, estabelecida por um padrão e reconhecida internacionalmente. Para se exprimir a medição de uma grandeza qualquer (comprimento, massa, tempo, corrente elétrica, temperatura, etc) é necessário compará-la com uma unidade (metro, quilograma, segundo, amper, kelvin, etc) e determinar o número de vezes que essa unidade está contida na grandeza avaliada. Verificaremos mais detalhes dessa abordagem nos temas dessa aula. Gostaria de, nesse momento, salientar uma palavra que apareceu algumas vezes no texto até aqui: comparação. Veja que, em todo processo de medição, é necessário comparar com algo. Isso nos remete à existência de CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 6 padrões, pois é preciso existir um padrão de comum acordo de todos os envolvidos a partir do qual todas as medições serão referenciadas. Mas como isto acontece e como chegou-se a este consenso? Vamos voltar um pouco na história para entender como a metrologia evoluiu desde então. Acesse o materialon-line para saber o que o professor Pansonato tem a dizer! Tema 2: Histórico e evolução da metrologia Desde os tempos mais antigos, o homem expressa quantidades através de medições. Era necessário determinar a quantidade de ouro, a extensão de terras, o volume de um líquido e muitas outras situações que o homem tinha necessidade de expressar em números. Naturalmente, com o passar do tempo e com o aumento das transações comerciais, a necessidade de se ter padrões confiáveis era inevitável. Diferentemente das negociações que envolviam quantidades numéricas, tais como a quantidade de produtos (pães, animais, tijolos, etc.), onde apenas a contagem numérica era suficiente, quantificar tamanho e peso, por exemplo, exigiram a criação de unidades de medição bem definidas e aceitas por todos. Em função das dificuldades técnicas daquela época, as unidades de medidas eram referenciadas em padrões um tanto quanto imprecisos. Partes do corpo humano de um rei foram utilizados como padrões para unidades de medidas de comprimentos, e também pedras e objetos metálicos variados foram usados para referência de unidades de massa empregadas como padrões em pratos de balanças. Veja os exemplos dos primeiros padrões de medição nas imagens a seguir: CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 7 Citando uma breve definição de metrologia: metro significa “medir” e logia significa “estudo”; portanto, metrologia é uma área do conhecimento que fornece conceitos, referências e técnicas para atender a essa necessidade. Existem registros de soluções de medição que datam 5.000 a.C. A pirâmide de Queóps é considerada um grande exemplo da utilização de técnicas de metrologia. Seguem alguns significados de padrões, que existem até hoje com algumas modificações: Pé: difundido e adotado a partir do Império Romano, era constituído de 12 polegadas. Polegada: definida como igual ao comprimento da segunda falange da mão de um homem. Jarda: definida no século XII como sendo a distância da ponta do nariz do Rei Henrique I, da Grã-Bretanha, até seu polegar. Posteriormente, em 1558, esse padrão foi materializado por uma barra de bronze e, em 1878, foi definido como a distância entre os terminais de ouro de uma barra de bronze fundido a 18º C. A partir da Revolução Francesa, procurou-se uma solução de padrões de comprimento que não fossem os referenciados pela estatura da família real. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 8 No final do século XVIII foi definido o metro, adotando-se como referência uma fração do meridiano da terra. O metro foi definido como a fração de 40.000.000 do comprimento do meridiano que passa por Dunquerque, na França, país responsável pelas definições e consolidação do sistema de medição de base métrica e decimal, amplamente adotado como padrão internacional de pesos e medidas. A partir deste marco, houve uma expressiva evolução no sentido de se produzir padrões com a menor incerteza possível. Exemplo de padrão com seção transversal em X, para ter maior estabilidade O quadro a seguir mostra um resumo da evolução do sistema métrico: CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 9 Nota-se então que, a partir da Revolução Francesa, o sistema métrico começou a ser utilizado e, combinado com o sistema numérico decimal inventado pelos Hindus quatro séculos a.C., é hoje quase universalmente adotado devido às grandes vantagens que proporciona. No Brasil, o sistema métrico foi implantado pela Lei Imperial nº 1.157, de 26 de junho de 1862. Observa-se então que, com a evolução da tecnologia e dos mercados, não haveria sentido em manter padrões associados a partes do corpo humano de uma família real ou de outras pessoas. No entanto, ainda hoje existe o sistema inglês de medição de comprimento que tem como base a polegada. Veja a seguir os dois sistemas para medições lineares: Sistema Internacional de Unidades (SI): de origem francesa, de maior aplicação em âmbito mundial e fundamentado no padrão metro e seus desdobramentos. Sistema Inglês: de origem inglesa e fundamentado no padrão de polegadas. Alguns exemplos de equivalências entre esses dois sistemas: 1 polegada = 2,54 cm; 1 pé = 30,48 cm; 1 jarda = 91,44 cm. Os exemplos referem-se a padrões de comprimento, no entanto, os padrões adotados para medição de tempo, volume, forma e outras grandezas evoluíram de forma semelhante ao longo dos séculos. Toda essa preocupação em estabelecer padrões da forma mais precisa possível e que fossem reconhecidos por todos tem um objetivo principal: trocar produtos com base em uma comparação única. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 10 Dessa forma, resultados de medições realizadas em diferentes partes do mundo podem ser comparados entre si, permitindo a padronização de atividades produtivas, máquinas, produtos e serviços. O tamanho de uma chave de boca, a carga máxima admissível em um veículo, o acoplamento de partes de um computador, a potência de um motor e o torque de aperto de um parafuso são alguns exemplos de padronização através de unidades de medição. Unidade (de medida) é uma grandeza específica, definida e adotada por convenção, com a qual outras grandezas de mesma natureza são comparadas para expressar suas extensões em relação àquela grandeza. Exemplos de caracterização e padronização metrológica de produtos e serviços: Vimos que as mudanças nos padrões e nos instrumentos de medição ao longo dos séculos estão associadas à evolução e às aplicações do conhecimento científico e tecnológico. Conforme é possível constatar na figura, grandezas físicas não se resumem apenas a medições de comprimento e formas mecânicas, o que faz com que a metrologia possua vários campos de atuação. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 11 Grandeza: propriedade de um fenômeno, corpo ou substância, que pode ser expressa quantitativamente sob a forma de um número e de uma referência. É objetivamente aquilo que se pretende medir, não se focando apenas em medidas de comprimento, mas também, por exemplo, em medição de força, pressão, temperatura, tempo, etc. O professor discorre mais sobre esse tópico no material on-line! Tema 3: Áreas da metrologia: científica, industrial e legal Como visto nos temas anteriores, houve um trabalho árduo durante anos, que continua até hoje, para melhorar cada vez mais os padrões de medições e proporcionar que as transações, sejam elas técnicas ou comerciais, tenham a maior precisão possível. Observe que uma área da metrologia tem que trabalhar para que isso ocorra e outra área tem que atuar no sentido de checar se as bases de comparação (padrões, sistemas de medição, etc.) estão dentro do convencionado. Para isso, existem três áreas distintas dentro da metrologia. No Brasil, o órgão executivo da política de metrologia é o Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (Inmetro), vinculado ao Ministérios da Indústria, do Comércio e do Turismo (MICT). As componentes de metrologia estão agrupadas em duas grandes diretorias: Diretoria de Metrologia Científica e Industrial e Diretoria de Metrologia Legal. Vamos ver em detalhes cada uma das áreas: Metrologia Científica: trata, fundamentalmente, dos padrões de medição internacionais e nacionais, dos instrumentos laboratoriais e das pesquisas e metodologias científicas relacionadas ao mais alto nível de qualidade metrológica. Como abordado anteriormente, a procura por meios de medição mais precisose confiáveis passa por pesquisas incessantes da ciência. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 12 Metrologia Industrial: trata da aplicação da metrologia no controle dos processos produtivos e na garantia dos produtos finais. É a parte da metrologia que assegura o adequado funcionamento dos instrumentos de medição usados na indústria, na produção e nos ensaios. Metrologia Legal: tem como objetivo principal proteger o consumidor, tratando das unidades de medida, métodos e instrumentos de medição de acordo com as exigências técnicas e legais obrigatórias. Com a supervisão do governo, o controle metrológico estabelece adequada transparência e confiança com base em ensaios imparciais. A exatidão dos instrumentos de medição garante a credibilidade nos campos da economia, saúde, segurança e meio ambiente. Por exemplo, todas as balanças, massas-padrão (e não peso padrão), bombas de gasolina e taxímetros utilizados no comércio são, compulsoriamente, submetidos a uma verificação anual. Há normas específicas que regulamentam as verificações para cada classe de sistema de medição usados no comércio. Estando em conformidade com as normas, o sistema de medição recebe um selo oficial com o dizer “VERIFICADO”, onde também consta o período de validade da verificação. Em resumo, o Inmetro tem como objetivo fortalecer as empresas nacionais, aumentando sua produtividade por meio de adoção de mecanismos destinados à melhoria da qualidade de produtos e serviços. Para saber mais, assista ao vídeo do tema com o professor Pansonato no material on-line! Tema 4: Metrologia Industrial Vamos nos concentrar agora na metrologia industrial, que propiciará subsídios para entendimento da função da metrologia dentro do sistema produtivo. Também nela existe uma classificação quanto aos campos de atuação. Dentre esses campos, podemos citar: CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 13 Metrologia Elétrica: trata da definição e manutenção das grandezas elétricas que são referência para todas as medições nessa área. Abrange todos os padrões, sistemas de medição, normas e procedimentos de medições aplicáveis na área elétrica. A Divisão de Metrologia Elétrica (Diele), vinculada ao Inmetro, dispõe dos padrões de mais alta exatidão no país em tensão, corrente, resistência, capacitância, indutância, energia e potência. Metrologia Química: inclui todas as grandezas utilizadas para a caracterização química e quantificação de materiais e substâncias, como as quantidades e os tipos de componentes de um alimento ou medicamento. Reconhecendo essa área como de fundamental importância estratégica para a competitividade dos produtos e serviços brasileiros, o Inmetro criou em junho de 2000 a Divisão de Metrologia Química, no âmbito da Diretoria de Metrologia Científica e Industrial. Metrologia Mecânica: engloba as áreas de temperatura, massa, força, pressão, etc., sendo uma área de grande importância para indústria e serviços. É a metrologia dimensional, que inclui toda a parte de medições de comprimento e ângulos e possui importância estratégia em qualquer atividade técnica na área de mecânica. Os tamanhos de peças que se compra ou fabrica precisam estar dentro de medidas com tal precisão que se possa haver montagens acuradas, evitando-se problemas em linhas de montagem ou no produto final. Vale ressaltar que também é de suma importância a possibilidade de intercâmbio entre peças que são comumente utilizadas na manutenção de máquinas e equipamentos. Também na área mecânica, como não poderia deixar de ser ressaltado, o Inmetro possui a Divisão de Metrologia Mecânica (Dimec), que é responsável por 12 grandezas da metrologia: Comprimento e Ângulo Plano; Massa; Força, Torque, Dureza e Impacto; CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 14 Pressão; Volume (até 20 L), Viscosidade Cinemática, Massa Específica e Tensão Superficial. Como já deu para perceber, o assunto metrologia é bem extenso. Dentro da área de metrologia industrial, que é a área a ser abordada em nossos estudos, vamos evidenciar a metrologia mecânica, em especial a divisão dimensional. Portanto, esse será o eixo temático de metrologia em nosso curso. Leia o capítulo 03 do livro Sistemas de Medição e Metrologia de José Carlos Toledo, disponível na Biblioteca Virtual do Sistema ÚNICO, e responda às questões 1 e 2 e à questão para reflexão. Acesse o material on-line e assista ao vídeo do professor Pansonato para aprofundar seus conhecimentos sobre o tema! Na Prática Nesta rota, será analisado um estudo de caso referente a uma empresa multinacional do setor de autopeças. Leia o estudo de caso descrito na página 25 do livro Sistemas de Medição e Metrologia, de José Carlos de Toledo, e realize as atividades a seguir: CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 15 No estudo de caso apresentado, o autor aborda uma falha no sistema de medição que causou um grande problema. Esta falha ocorreu em dois momentos distintos do processo, sendo eles: a. Nas medições de elaboração do produto e setor de “recall”. b. Nas medições do setor de “commodity” e produto acabado. c. Nas medições do processo e produto acabado. d. Nas medições de recebimento e produto acabado. e. Nas medições de processo e produção. O exemplo do estudo de caso mostra as consequências de não se possuir um sistema de medição robusto. Faça uma reflexão sobre os problemas que poderiam ocorrer na sua vida diária caso os sistemas de medição adotados nos setores industrial e comércio não fossem confiáveis. Quais custos estariam ligados a estes possíveis problemas? Síntese O objetivo dessa aula foi estabelecer os primeiros contatos com esta ciência das medições conhecida como metrologia. Como vimos, a utilização da metrologia está intimamente ligada ao nosso cotidiano, seja nas transações comerciais ou nas transações técnicas. É interessante observar, a partir desta aula, o quanto a metrologia influencia no cotidiano de nossas vidas e, principalmente, no cotidiano da vida profissional. As medições são realizadas com muita naturalidade em praticamente todos os ramos da atividade humana. Falando em atividade humana, vimos também o quanto a metrologia evoluiu, desde os padrões baseados em partes do corpo humano até os padrões mais recentes, baseados na velocidade da luz no vácuo. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 16 Foram abordados alguns termos como grandeza e unidade de medição e também os dois sistemas para medição lineares mais utilizados: o Sistema Internacional de Unidades (SI), o mais utilizado e fundamentado no sistema métrico decimal e o Sistema Inglês, fundamentado no padrão de polegadas. Embora o sistema utilizado no Brasil seja o Sistema Internacional, não é raro observar que ainda temos muita influência do Sistema Inglês: bitolas de aço, dimensional de rodas de automóveis, etc. O instituto responsável por administrar essa complexa ciência no Brasil é o Inmetro, que está dividido em grandes diretorias responsáveis pela metrologia científica, industrial e legal. Para o nosso curso, vamos nos concentrar na metrologia industrial e mais especificamente na metrologia mecânica. Nota-se, portanto, que a metrologia se trata de uma ciência complexa com várias ramificações e campos de atuação que influenciam diretamente as nossas vidas. Para as considerações finais do professor Pansonato sobre a aula, acesse o material on-line! CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico17 Referências TOLEDO, J. C. de; Sistemas de Medição e de Metrologia. Curitiba: Intersaberes, 2014. ALBERTAZZI, A.; SOUZA, A. R. Fundamentos de Metrologia Científica e Industrial. Barueri: Manole, 2008. SOUSA, A. R. de; NEVES, B. M. Apostila de Metrologia I. Instituto Federal de Santa Catarina. Telecurso Profissionalizante de Mecânica. SENAI – Fundação Roberto Marinho, 1998.