Trabalho de Instalações eletricas 1 AV1

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ESTÁCIO FIB
ENGENHARIA ELÉTRICA
AS LÂMPADAS
Seus Tipos e Características
SALVADOR
2014
HAMILTON BISPO DOS SANTOS
RENAN LIMA RIBEIRO
SAMUEL MATOS CORREIA
TAIS VILARINO FERREIRA
AS LÂMPADAS
Seus Tipos e Características
Trabalho apresentado ao professor Jose Luis Raposo da disciplina Instalações Elétricas Industrial referente a avaliação do trabalho da AV1.
SALVADOR
2014
Sumário
1.	Introdução	4
1.1.	A Lâmpada e sua Historia	4
2.	Tipos de Lâmpadas	5
2.1.	Incandescente	5
2.2.	Lâmpada de Halógenas	6
2.3.	Lâmpada de Descarga	8
2.3.1.	Tipos de Lâmpadas de Descarga	8
Multivapores Metálicos:	8
Vapor de Sódio:	9
Vapor Mercúrio:	9
Lâmpadas Mistas:	10
2.4.	Lampadas Fluorescentes	10
2.4.1.	Tipos de Lâmpadas Fluorescentes	11
Fluorescente Compacta:	11
Fluorescentes Tubulares:	12
3.	Características das Lâmpadas	13
4.1.	Eficiência	13
4.2.	Vida Útil	13
4.3.	Reprodução de cor	13
4.4.	Fluxo Luminoso	14
4.5.	Depreciação	14
4.6.	Fator de Potencia	15
4.7.	Efeito Estroboscópico	18
Introdução
A Lâmpada e sua Historia
A lâmpada é um dispositivo elétrico que transforma energia elétrica em energia luminosa e/ou energia térmica.
Foi o inventor Thomas Edison que em 1879 construiu a primeira lâmpada incandescente utilizando uma haste de carvão (carbono) muito fina que, aquecida até próximo ao ponto de fusão, passa a emitir luz. A haste era inserida numa ampola de vidro onde continha vácuo. Como o filamento de  carvão tinha pouca durabilidade, Edison começou a fazer experiências com ligas metálicas, pois a durabilidade das lâmpadas de carvão não passava de algumas horas de uso.
A lâmpada de filamento de bambu carbonizado foi a que teve melhor rendimento e durabilidade, sendo em seguida substituída pela de celulose, e finalmente a conhecida até hoje com filamento de tungsténio cuja temperatura de trabalho chega a 3000°C.
Em 1891 Gerard Philips iniciou a produção de lâmpadas de filamento de carvão em Eindhoven, Holanda, começando uma tentativa para o que eventualmente se tornou a maior companhia de iluminação do mundo, a Philips. Na virada do século já era um dos maiores produtores da Europa.
Tipos de Lâmpadas
Incandescente
Se uma corrente elétrica suficientemente intensa passa por um filamento condutor, as moléculas do filamento vibram, ele se aquece e, num dado instante, chega a brilhar. Esse é o princípio da lâmpada incandescente comum.
A lâmpada elétrica incandescente foi inventada por volta de 1870 e envolveu o trabalho muitos pesquisadores e inventores. Entre estes destaca-se Thomas Edison. Ele e seus assistentes experimentaram mais de 1.600 tipos de materiais, buscando um filamento eficiente e econômico. A sua melhor lâmpada utilizava filamentos de bambu carbonizados.
As lâmpadas incandescentes atuais utilizam um fio de tungstênio encerrado num bulbo de vidro. Esse fio tem diâmetro inferior a 0,1 mm e é enrolado segundo uma hélice cilíndrica. Passando corrente elétrica no filamento, ele se aquece a uma temperatura da ordem de 3.000º C. O filamento torna-se, então, incandescente e começa a emitir luz. No interior da lâmpada não pode haver ar, pois dos contrário o filamento se oxida e incendeia-se. Antigamente fazia-se vácuo no interior do bulbo, porém isso facilitava a sublimação do filamento (passagem do estado sólido para o estado de vapor). Passaram, então, a injetar um gás inerte, em geral o argônio ou criptônio.
É importante observar que a luz emitida por uma lâmpada incandescente não é efeito direto da corrente elétrica e sim conseqüência do aquecimento no filamento produzido pela passagem da corrente.
A lâmpada incandescente é uma lâmpada de baixo rendimento, gera muito mais calor do que luz. Apenas 5% da energia, aproximadamente, é transformada em luz.
Para obter diferentes luminosidades, o fabricante altera, geralmente, a espessura do filamento: quanto maior a espessura maior a corrente elétrica e, portanto, maior a luminosidade.
Lâmpada de Halógenas
São lâmpadas incandescentes com filamento de tungstênio contido em um gás inerte e uma pequena quantidade de um halogêneo como iodo ou bromo.
Realiza-se no interior do bulbo o chamado "ciclo do iodo", ou "ciclo do bromo". O tungstênio evaporado combina-se, em temperaturas abaixo de 1 400 °C (1 673 K), com o halogênio adicionado ao gás presente no bulbo. O composto formado (iodeto de tungstênio), fica circulando dentro do bulbo, devido às correntes de convecção aí presentes, até se aproximar novamente do filamento. A alta temperatura aí reinante decompõe o iodeto, e parte do tungstênio se deposita novamente no filamento regenerando-o . O halogêneo liberado começa o ciclo. Temos assim, uma reação cíclica que reconduz o tungstênio evaporado para o filamento. Com isso, o filamento pode trabalhar em temperaturas mais elevadas, aproximadamente 2 927°C (3200 K) a 3 127°C (3400 K), obtendo-se maior eficiência luminosa, fluxo luminoso de maior temperatura de cor, ausência de depreciação do fluxo luminoso por enegrecimento do bulbo e dimensões reduzidas. As lâmpadas halógenas possuem luz brilhante, que possibilita realçar as cores e objetos com eficiência energética maior do que a das lâmpadas incandescentes comuns. Por serem compactas, as lâmpadas halógenas são utilizadas nas mais diversas luminárias, desde pequenos spots até wallwashers, oferecendo liberdade para a criação de diversos ambientes. Em termos de economia, as lâmpadas halógenas oferecem mais luz com potência menor ou igual a das incandescentes comuns, além de possuírem vida útil mais longa, variando entre 2.000 e 4.000 horas.
Uma lâmpada de halogêneo no seu encaixe sem vidro proteção
 
Uma lâmpada de halogêno atrás de um filtro de UV redondo. Algumas luminárias incluem uma lente separada para filtrar a luz UV
 
Lâmpada Xênon (105 W) para substituição com base E27
 
Ampliação de um filamento de tungstênio de uma lâmpada de um farol de automóvel após algumas centenas de horas de uso
Lâmpada de Descarga
As lâmpadas de descarga em alta pressão possuem dimensões compactas, são econômicas e produzem uma luz extremamente brilhante. São encontradas em diferentes formas e potências, com diferentes qualidades de reprodução de cores, para luminárias abertas ou fechadas e necessitam de reatores para sua ignição e funcionamento. Levam de 2 a 15 minutos para seu acendimento completo.
Tipos de Lâmpadas de Descarga
Multivapores Metálicos: 
É uma lâmpada de vapor de mercúrio aperfeiçoada. São lâmpadas de altíssima eficiência energética, excelente reprodução de cores (melhor do que as de sódio e de mercúrio), longa durabilidade e baixa emissão de calor (valorizam o brilho dos metais, por isso são ótimas para concessionárias e lojas de jóias). Emite uma luz muito branca e brilhante (geralmente possuem vidro claro e transparente), possibilitando direcionar seu foco - são lâmpadas de luz puntiforme. São utilizadas em lojas (em especial vitrines), em áreas externas (como fachadas e praças), como iluminação de destaque e até mesmo em residências de alto padrão. Diferem das lâmpadas fluorescentes por emitir a luz a partir de um ponto bem concentrado - as fluorescentes emitem sua luz a partir de toda a superfície da lâmpada de maneira suave e difusa.
  
São divididas em quatro grupos:
Tubulares: podem ter diferentes potências, de acordo com o uso; há modelos paraluminárias compactas com foco concentrado/dirigido ou para luminárias grandes com luz difusa. Só podem ser instaladas em luminárias fechadas devido a sua alta potência;
Elipsoidais: possuem um bulbo com forma ovóide. De acorco com a sua potência podem ser instaladas em luminárias abertas (até 150W) ou fechadas (acima de 150W).
Refletoras: dispensam o uso de luminárias, já que são modelos prontos para direcionar a luz.
Coloridas: criam efeitos interessantes em jardins, monumentos e fachadas.
 
Exemplos de lâmpadas de vapor metálico da Philips.
 
Vapor de Sódio: 
São lâmpadasideais para iluminação pública (possuem grande durabilidade) e demais áreas externas que necessitam de uma iluminação funcional - avenidas, viadutos, estacionamentos, portos, ferrovias, ... Emitem luz branco-dourada brilhante. São projetadas para funcionar nos mesmos reatores utilizados pelas lâmpadas de mercúrio e por isso são uma opção para quem quer substituir o sistema antigo. Ela consome menos energia que a de mercúrio (cerca de 10%) e possui maior fluxo luminoso (cerca de 65% a mais). Como seu IRC é baixo, é indicada para lugares que não necessitam de uma boa reprodução de cores. São divididas em dois grupos: tubulares e elipsoidais.
 
Exemplos de lâmpadas de vapor de sódio da Philips.
 
Vapor Mercúrio: 
Possui aparência branca azulada, baixa eficiência energética e são usadas em vias públicas e indústrias.
Exemplo de lâmpada de vapor de mercúrio da Philips (é o mesmo formato da lâmpada mista).
 
Lâmpadas Mistas: 
É a combinação de uma lâmpada de vapor de mercúrio com uma lâmpada incandescente, resultando em uma luz branca agradável. Elas substituem as lâmpadas incandescentes de 220V, não necessitando de equipamentos auxiliares como reatores, starters ou ignitores. É uma solução para a substituição de lâmpadas incandescentes por ter maior eficiência e vida média cerca de 8 vezes maior.
 
Lampadas Fluorescentes
É um tipo de lâmpada criada por Nikola Tesla, introduzida no mercado consumidor em 1938. Ao contrário das lâmpadas de filamento, possui grande eficiência por emitir mais energia eletromagnética em forma de luz do que calor.
As lâmpadas fluorescentes funcionam de modo semelhante aos tubos de descarga de gás néon, possuem um par de elétrodos em cada extremo. O tubo de vidro é coberto com um material à base de fósforo. Este, quando excitado com radiação ultravioleta gerada pela ionização dos gases, produz luz visível. Internamente são carregadas com gases inertes a baixa pressão, as mais comuns utilizam o árgon. Além da cobertura de fósforo, existem elétrodos em forma de filamentos nas suas extremidades. Sua função é pré-aquecer seu interior para reduzir a tensão elétrica necessária à ionização, dando a partida no processo de bombardeamento por íons positivos dos gases no interior do tubo.
Quando a composição interna for à base de vapor de mercúrio, portanto não condutiva, deve ser aplicado umgradiente de tensão de algumas centenas de volts ao mesmo tempo que as extremidades são aquecidas. Acontecendo a descarga iónica, portanto a emissão de luz U.V. e esta excitando o fósforo da parede do tubo de vidro, não há mais necessidade de alta tensão entre os extremos do tubo, sendo reduzida para menos de 100 V, no caso de lâmpadas de baixa potência e no máximo 175 V em caso de lâmpadas de alta potência.
A intensidade de corrente elétrica que passa através dos gases de baixa pressão emite grande quantidade de radiação U.V. no comprimento de onda de emissão do vapor de mercúrio. Esta é convertida em luz visível pela camada de fósforo que, dependendo da mistura aplicada, dará a tonalidade da coloração emitida.
Uma lâmpada fluorescente, para funcionar, precisa de dois acessórios extra: O Arrancador (português europeu) ou Starter (português brasileiro) (que não é mais do que um relé térmico biestável) e o balastro (que é uma bobina para gerar a alta tensão necessária ao arranque e controlar a corrente consumida pela lâmpada).
O arrancador só funciona no ato da ignição da lâmpada, ficando todo o resto do tempo desligado. Até pode ser retirado do circuito, que a lâmpada permanece acesa.
Tipos de Lâmpadas Fluorescentes
Fluorescente Compacta: 
Sua criação foi com a principal função de substituir as lâmpadas incandescentes. São de alta tecnologia, funcional e econômica. Elas têm aplicações comerciais, industriais e residências, e disponíveis em vários formatos e potências, com design moderno e compacto. A vida útil é em média de 6.000h a 15.000 horas e a temperatura de cor é em média de 2.700K a 6.000K.
Exemplo: uma lâmpada de econômica de 20W é equivalente a uma incandescente de 100W, ou seja, consome bem menos energia e produz maior quantidade de luz.
Imagem com várias lâmpadas fluorescentes compactas com encaxe de rosca E27. Imagem disponível no site da OSRAM.
Imagem com várias lâmpadas fluorescentes compactas com pinode encaixe, estas precisam de reator. Imagem disponível no site da OSRAM.
Fluorescentes Tubulares: 
São uma ótima solução de economia de energia. Tem alta eficiência, longa durabilidade e usos diversos como indústrias, comércios e residências. Com o passar do tempo tem recebido mais tecnologias de tamanhos e melhor fluxo luminoso. A temperatura de cor varia entre 2.700k a 6.500k. O principio de funcionamento é de descarga de vapor de mercúrio em baixa pressão.
Quando se ouve falar em T12, T10, T8, T5 e etc, é uma relação com o diâmetro da lâmpada.
Para uso residencial e comercial, uma das lâmpadas fluorescentes mais eficiente é a T5, com diâmetro de 16 mm, representando até 40% de economia em relação a T12 e T10.
A vida útil das lâmpadas fluorescentes é em média de 7.500h a 20.000horas.
Exemplo de iluminação na fachada com fluorescente T5.
Para áreas de difícil acesso na hora da troca de lâmpadas, como mezaninos, pés-direitos duplos, alas de produção ou túneis, tem a lumilux XXT T8, com vida útil de 58.000 a 75.000 horas dependendo do tipo de reator que for utilizado.
Características das Lâmpadas
Eficiência
Um fator imporante na escolha de lâmpadas, a Eficiência luminosa é a relação entre o fluxo luminoso e a potência consumida. Unidade de Medida: lúmen/Watt – lm/W.
Lâmpada incandescente 100W = 1.600 lm, logo 1600 / 100 = 16 lm/W.
Lâmpada fluorescente compacta 15W = 920 lm, logo 920 / 15 = 61,3 lm/W.
Observe que para analisar a eficiência das lâmpadas, não basta comparar as respectivas potências e concluir que a mais eficiente é aquela que tem maior potência, na realidade, o ideal é buscar os produtos com maior eficiência luminosa.
Com base neste cálculo é feita a comparação de equivalência entre lâmpadas fluorescentes compactas e incandescentes.
Além da maior eficiência luminosa, outros fatores influenciam para que a lâmpada fluorescente seja um produto altamente recomendado, dentre elas o baixo aquecimento e a longa vida útil.
Vida Útil
É definida como o tempo em horas, no qual cerca de 25% do fluxo luminoso das lâmpadas testadas foi reduzido.
Reprodução de cor
Um dos pontos mais importantes na decoração de um ambiente é a harmonia e combinação das cores, porém isto pode ser prejudicado se você não escolher as lâmpadas adequadas.
A reprodução de cores de uma lâmpada é medida por uma escala chamada IRC (Índice de Reprodução de Cores ). Quanto mais próximo este índice for ao IRC100 (dado à luz solar), mais fielmente as cores serão vistas na decoração. Isto ocorre porque, na verdade, o que enxergamos é o reflexo da luz que ilumina os objetos, já que no escuro não vemos as cores.
A luz é composta pelas sete cores do arco-íris e os pigmentos contidos nos objetos têm a capacidade de absorver determinadas cores e refletir outras. Portanto, a qualidade de reprodução das cores da lâmpada utilizada vai influir diretamente nas cores da decoração, alterando ou mantendo as cores escolhidas.
Um exemplo claro disto é quando compramos um objeto exposto a uma determinada iluminação em uma loja. Ao colocarmos esse mesmo objeto em outro ambiente com iluminação diferente, poderemos ter a sensação de alterações de côres.
A capacidade das lâmpadas reproduzirem bem as cores (IRC) independe de sua temperatura de cor (ºK). Existem tipos de lâmpadas com três temperaturas de cor diferentes e o mesmo IRC.
Em uma residência devemos utilizar lâmpadas com boa reprodução de cores (IRC acima de 80), pois a cor é fundamental para o conforto e beleza do ambiente.
Fluxo Luminoso
É chamado fluxo luminoso a radiação total emitida em todas as direções por uma fonte luminosa ou fonte de luz que pode produzir estímulo visual. Estescomprimentos de onda estão compreendidos entre 380 a 780 nm. Sua unidade é o lúmen (lm).
O fluxo luminoso é também muito utilizado em astronomia, já que é uma importante informação sobre as estrelas. Usando esse conceito, pode-se descobrir a temperatura da estrela, seu raio, sua distância à Terra, entre outras características.
Para aferir quantos lumens são emitidos por uma fonte luminosa, é preciso medir nas direções onde se deseja esta informação, já que a fonte luminosa quase nunca irradia luz uniformemente em todas as direções. Para isso se utiliza um instrumento chamado esfera integradora que consiste em uma câmara esférica com um revestimento interior super reflexivo dentro da qual é fixada uma fonte luminosa. Esse revestimento serve de difusor e tem como objetivo espalhar os raios de luz de maneira homogênea na cavidade.
Depreciação
Ao longo da vida útil da lâmpada, é comum ocorrer uma diminuição do fluxo luminoso que sai da luminária, por motivo da própria depreciação normal do fluxo da lâmpada e devido ao acumular de poeira sobre as superfícies da lâmpada e do reflector. Este factor deve ser considerado no cálculo do projecto de iluminação, a fim de preservar a iluminância média (lux) projectada sobre o ambiente ao longo da
 vida útil da lâmpada.
Fator de Potencia
Em circuitos de corrente alternada (CA) puramente resistivos, as ondas de tensão e de corrente elétrica estão em fase, ou seja, mudando a sua polaridade no mesmo instante em cada ciclo. Quando cargas reativas estão presentes, tais como capacitores ou condensadores e indutores, o armazenamento de energia nessas cargas resulta em uma diferença de fase entre as ondas de tensão e corrente. Uma vez que essa energia armazenada retorna para a fonte e não produz trabalho útil, um circuito com baixo fator de potência terá correntes elétricas maiores para realizar o mesmo trabalho do que um circuito com alto fator de potência.
A potência ativa é a capacidade do circuito de produzir trabalho em um determinado período de tempo. Devido aos elementos reativos da carga, apotência aparente, que é o produto da tensão pela corrente do circuito, será igual ou menor do que a potência ativa.
A potência reativa é a medida da energia armazenada que é devolvida para a fonte durante cada ciclo de corrente alternada. É a energia que é utilizada para produzir os campos elétrico e magnético necessários para o funcionamento de certos tipos de cargas como, por exemplo, retificadores industriais e motores elétricos.1
O fluxo de potência em circuitos de corrente alternada tem três componentes: potência ativa (P), medida em watts (W); potência aparente (S ou N), medida em volt-ampères (VA); e potência reativa (Q), medida em var,(var), este grafado sempre em letras minúsculas. O fator de potência pode ser expresso como:
No caso de formas de onda perfeitamente senoidais, P, Q e S podem ser representados por vetores que formam um triângulo retângulo, também conhecido como triângulo de potências, sendo que:
Triângulo retângulo que representa a relação entre as potências aparente (S), ativa (P) e reativa (Q).
Se φ é o ângulo de fase entre as de ondas de corrente e tensão, e sabendo que a potência activa não pode ser negativa (elementos resistivos não fornecem energia), então o cos φ ≥ 0, consequentemente: -π/2 ≤ φ ≤ π/2, então o fator de potência é igual a , e:
Por definição, o fator de potência é um número adimensional entre 0 e 1. Quando o fator de potência é igual a zero (0), o fluxo de energia é inteiramente reativo, e a energia armazenada é devolvida totalmente à fonte em cada ciclo. Quando o fator de potência é 1, toda a energia fornecida pela fonte é consumida pela carga. Normalmente o fator de potência é assinalado como atrasado ou adiantado para identificar o sinal do ângulo de fase entre as ondas de corrente e tensão elétricas que são geradas.
O fator de potência é determinado pelo tipo de carga ligada ao sistema elétrico, que pode ser:
Resistiva
Indutiva
Capacitiva
Onda de corrente (I) atrasada em relação à onda de tensão (V). A carga possui característica indutiva. FP<1 (atrasado).
Onda de corrente (I) adiantada em relação à onda de tensão (V). A carga possui característica capacitiva. FP<1 (adiantado).
Se uma carga puramente resistiva é conectada ao sistema, a corrente e a tensão mudarão de polaridade em fase, nesse caso o fator de potência será unitário (1), e a energia elétrica flui numa mesma direção através do sistema em cada ciclo. Cargas indutivas tais como motores etransformadores (equipamentos com bobinas) produzem potência reativa com a onda de corrente atrasada em relação à tensão. Cargas capacitivas tais como bancos de capacitores ou cabos elétricos enterrados produzem potência reativa com corrente adiantada em relação à tensão. Ambos os tipos de carga absorverão energia durante parte do ciclo de corrente alternada, apenas para devolver essa energia novamente para a fonte durante o resto do ciclo.
Por exemplo, para se obter 1 kW de potência ativa quando o fator de potência é unitário (igual a 1), 1 kVA de potência aparente será necessariamente transferida (1 kVA = 1 kW ÷ 1). Sob baixos valores de fator de potência, será necessária a transferência de uma maior quantidade de potência aparente para se obter a mesma potência ativa. Para se obter 1 kW de potência ativa com fator de potência 0,2 será necessário transferir 5 kVA de potência aparente (1 kW = 5 kVA × 0,2).
Frequentemente é possível corrigir o fator de potência para um valor próximo ao unitário. Essa prática é conhecida como correção do fator de potência e é conseguida mediante o acoplamento de bancos de indutores ou capacitores, com uma potência reativa Q contrário ao da carga, tentando ao máximo anular essa componente. Por exemplo, o efeito indutivo de motores pode ser anulado com a conexão em paralelo de um capacitor (ou banco) junto ao equipamento.
As perdas de energia aumentam com o aumento da corrente elétrica transmitida. Quando a carga tem fator de potência menor do que 1, mais corrente é requerida para suprir a mesma quantidade de potência útil. As concessionárias de energia estabelecem que os consumidores, especialmente os que possuem cargas maiores, mantenham os fatores de potência de suas instalações elétricas dentro de um limite mínimo,hoje 0,92 estuda-se aumentar para 0,96 caso contrário serão penalizados com cobranças adicionais. Engenheiros freqüentemente analisam o fator de potência de uma carga como um dos indicadores que afetam a eficiência da transmissão e geração de energia elétrica.
Efeito Estroboscópico
Efeito que ocorre quando uma fonte de luz pulsante ilumina um objeto em movimento.
Imagine um ambiente completamente escuro em que existe uma lâmpada comum que pisque numa determinada freqüência. Se você pedir para uma pessoa caminhar neste ambiente, você só vai conseguir vê-la nos breves instantes em que a lâmpada estiver acesa. Isso significa que você não vai ver a pessoa caminhando-a mas vai vê-la como se ela tivesse sido "fotografada" em locais que mudam sucessivamente à medida que ela se desloca no ambiente, conforme mostra a figura 1.
 
O movimento da pessoa será então visto "aos soquinhos" e não de uma forma contínua. É exatamente isso que ocorre nos bailes quando somos iluminados por uma luz que pisca rapidamente.
Vamos agora mudar o movimento da pessoa, pedindo que ela dê um passo para frente e um para trás, repetindo continuamente este movimento. Se a pessoa fizer isso lentamente, veremos novamente a pessoa se movimentar aos soquinhos, indo e voltando conforme mostra a figura 2.
 
 
Se pedirmos que a pessoa acelere este movimento, vai chegar o instante em que a lâmpada pisca justamente quando ela estiver na posição A e depois na posição B, conforme mostra a figura 3.
 
 
Como só podemos ver a pessoa nos instantes em que a lâmpada está acesa, a imagem que nossos olhos terão será interessante: veremos duas pessoas, uma em A e outra em B.
Indo além se a pessoa for suficientemente rápida,ela conseguirá alcançar a freqüência das piscadas da lâmpada de tal forma, que a lâmpada sempre piscará quando ela estiver na posição A.
Teremos então a imagem da pessoa paralisada em A, pois não veremos mais quando ela vai até B e volta (pois isso ocorre no intervalo em que a lâmpada está apagada).
Em outras palavras, nestas condições conseguiremos "paralisar" ou "congelar" o movimento da pessoa, mesmo que ela continue se movimento!