Regulador centrífugo

O regulador centrífugo mantém uma máquina perto de uma velocidade fixada. Duas bolas pesadas em braços articulados giram com um veio movido pela máquina; quando ela anda depressa demais, afastam-se e sobem, e uma alavanca fecha a válvula, a comporta ou as velas que a alimentam. Os moleiros usavam-no nos moinhos de vento, onde Thomas Mead patenteou um em 1787, antes de Boulton e Watt o adaptarem à máquina a vapor em 1788.

O que é

O regulador centrífugo, ou regulador de bolas, controla uma velocidade. Um fuso vertical, movido pela máquina, leva duas bolas pesadas na ponta de braços articulados perto do seu topo. Quando a máquina acelera, as bolas afastam-se e sobem; quando abranda, voltam a descer. Através de bielas, de um anel deslizante e de uma alavanca, esse movimento abre ou fecha aquilo que dá energia à máquina: a válvula de vapor de um motor, a comporta de uma roda hidráulica, ou as velas de um moinho de vento, cuja área de pano pode reduzir. Nos moinhos de farinha, o regulador tinha ainda outra função, diferente. Através de um mecanismo a que os ingleses chamavam lift-tenter, acertava a distância entre as mós, e com ela a finura da farinha, quando a velocidade mudava. Esse ajuste altera a moagem, não a potência que chega ao moinho.

Funciona sem que ninguém o vigie. O regulador mede o resultado, a velocidade, e corrige sem parar a causa, a alimentação. A partir de 1788, Boulton e Watt montaram este tipo nas suas máquinas a vapor rotativas: uma correia vinda do veio do volante faz girar uma polia, duas rodas dentadas cónicas fazem girar o fuso e uma alavanca ligada ao anel move uma válvula no tubo de vapor.

Como funciona

Quanto mais depressa a bola gira, mais o braço se inclina para fora e mais alto a bola se estabiliza.

Cada bola, que gira na ponta do seu braço, comporta-se como um pêndulo que descreve um círculo. O peso puxa-a para baixo, e o braço tem de a puxar para o eixo para a manter no seu círculo. Quanto mais depressa gira, mais forte tem de ser essa tração, e o braço só a consegue dar inclinando-se mais para fora. A cada velocidade corresponde, portanto, uma altura em que as bolas se estabilizam. W. J. M. Rankine deu a regra em 1869: a uma volta por segundo, as bolas giram cerca de 24,8 cm abaixo do ponto em que o prolongamento dos braços corta o eixo, e a duas voltas por segundo a quarta parte, 6,2 cm. O peso das bolas não entra na regra. Bolas mais pesadas ficam à mesma altura e empurram as articulações com mais força contra o atrito.

No regulador de Boulton e Watt, tal como John Farey o descreveu em 1827, os dois braços passam por uma fenda do fuso e cruzam-se num único pino, como as lâminas de uma tesoura. Acima do pino, as suas curtas pontas superiores dobram para fora e ligam-se por duas bielas curtas a um anel que desliza no fuso e gira com ele. Quando as bolas se afastam, essas pontas descem e as bielas puxam o anel para baixo. Os dentes de uma alavanca de forquilha encaixam numa gola do anel e acompanham-no sem girar, e a alavanca passa o movimento, por um tirante, à válvula de borboleta. Esta válvula é um disco fino montado num eixo que atravessa o tubo de vapor: de cutelo deixa passar o vapor; virada de chapa, quase fecha o tubo. Se a carga diminui e a máquina acelera, as bolas sobem, a válvula fecha-se em parte e a máquina abranda. Se a carga aumenta, as bolas descem e a válvula abre-se.

Um regulador destes mantém a velocidade dentro de uma faixa, e não num valor exato. Para deixar a válvula mais aberta com uma carga forte, as bolas têm de girar mais baixas, o que só acontece a uma velocidade um pouco menor; Rankine dizia que estes reguladores não são verdadeiramente isócronos. Também funciona melhor a baixa velocidade: quando o fuso gira depressa, as bolas estão quase na horizontal e uma pequena variação de velocidade quase não as desloca. O regulador só consegue corrigir uma variação de velocidade depois de ela acontecer, e Farey notou que cada correção vai longe demais: depois de uma mudança brusca de carga, a velocidade oscila algumas vezes para um lado e para o outro antes de estabilizar. Se o atrito ou uma máquina lenta atrasam a resposta, as oscilações podem crescer em vez de se extinguirem. Os engenheiros ingleses chamavam a este defeito hunting.

Como fazer

Uma maqueta de manivela: quanto mais depressa a roda gira, mais as bolas sobem, e o prato com elas.

Uma maqueta de madeira mostra o princípio sem máquina. Arranje uma tábua de contraplacado com cerca de 20 por 40 cm. Abra um furo perto de uma ponta e fixe num poste, uns 15 cm mais acima, um taco de madeira com um furo igual. Precisa de uma cavilha lisa de 10 mm de espessura e 45 cm de comprimento que gire livre e na vertical nos dois furos, e de dois carrinhos de linhas vazios que deslizem facilmente nela. Corte em contraplacado fino um prato redondo com cerca de 7 cm de diâmetro, abra-lhe ao centro um furo de 12 mm e cole-o por baixo de uma ponta do primeiro carrinho, com os furos alinhados. Enfie este carrinho na cavilha, com o prato para baixo, e passe-a de cima para baixo pelo taco; depois enfie o segundo carrinho na parte que fica abaixo do taco e encaixe a ponta da cavilha no furo da tábua. Cole este carrinho de baixo na cavilha, logo acima da tábua, como polia. O carrinho de cima fica solto acima do taco. Ao lado da polia, monte um disco de contraplacado cerca de três vezes mais largo do que o carrinho, que gire deitado sobre um prego espetado no centro, com um pino de madeira perto da borda como pega. Ligue o disco e a polia com uma volta de cordel suficientemente esticada para não patinar.

Corte uma travessa de madeira com cerca de 8 cm de comprimento e 2 cm de lado e abra-lhe ao centro um furo de 10 mm. Dobre dois braços de arame de aço rígido, tirado de um cabide, cada um com um pequeno olhal numa ponta. Enfie o olhal de um braço num prego pequeno e crave-o numa face lateral da travessa, a cerca de 1 cm de uma ponta e perpendicular ao comprimento, de modo que o olhal fique preso entre a cabeça e a madeira. Faça antes um furo-guia para a madeira não rachar e deixe a cabeça saliente alguns milímetros para que o braço oscile livremente. Fixe o segundo braço da mesma maneira perto da outra ponta, na face oposta, e cole depois a travessa no topo da cavilha, encaixada no furo. Cada braço fica assim pendurado junto a uma ponta da travessa e pode afastar-se para fora, longe da cavilha. Espete cada arame numa bola de madeira de 3 a 4 cm e cole-a, de modo que o centro das bolas fique cerca de 15 cm abaixo dos pregos. As duas bolas têm de pesar o mesmo.

Ate um fio do meio de cada braço à borda de cima do carrinho solto, de modo que o carrinho fique direito, com o prato logo acima do taco, quando as bolas estão em repouso. Para a escala, corte uma tira de cartolina com cerca de 2 cm de largura e a altura do carrinho, e trace nela um risco a cada 5 mm. O taco deve ser comprido o bastante para passar um pouco além da borda do prato; cole a extremidade inferior da tira de pé contra o topo do taco, de modo que a cartolina fique a poucos milímetros da borda do prato. Quando o carrinho sobe, a borda do prato vai subindo ao longo dos riscos. A cartolina não é mais alta do que o carrinho, por isso fica abaixo dos fios e das bolas.

Rode a pega devagar e depois mais depressa. A pouca velocidade nada se mexe, porque as bolas têm de levantar, além do próprio peso, o carrinho e o seu prato. A partir de certa velocidade afastam-se, e o carrinho e o prato sobem com elas. Quanto mais depressa rodar, mais alto ficam; abrande e voltam a descer. Prenda com fita-cola duas moedas iguais por baixo do prato, uma de cada lado da cavilha: é preciso rodar mais depressa para levar a borda do prato ao mesmo risco, como num regulador com um peso no anel. Numa máquina, a altura do carrinho fixaria a abertura da válvula.

História e evolução

No moinho, o regulador move uma longa alavanca de ferro, o steelyard dos moleiros ingleses, que acerta a distância entre as mós.

Os moleiros precisavam de uma velocidade regular muito antes da máquina a vapor. Um moinho de vento acelera e abranda a cada rajada, e a distância entre as mós, que decide a finura da farinha, muda com a velocidade. Velocidade a mais pode fazer as mós roçarem, o que aquece a farinha. Os construtores de moinhos britânicos do século XVIII criaram o lift-tenter, um mecanismo que acertava a distância entre as mós conforme a velocidade. O mais antigo datado que mede essa velocidade com pesos giratórios está na patente do construtor de moinhos inglês Thomas Mead, de 1787. O historiador da técnica Otto Mayr descreve nela dois conjuntos de pesos giratórios: um comandava o lift-tenter, o outro reduzia a superfície das velas quando o moinho girava depressa demais. Algumas cronologias técnicas e obras de divulgação dizem que os moinhos usavam estes reguladores desde o século XVII e atribuem-nos a Christiaan Huygens, mas não citam nenhum desenho nem texto datado. Em moinhos mais tardios, o regulador ficava no piso por baixo das mós e movia uma longa alavanca de ferro ligada à viga que suporta o veio da mó.

Em maio de 1788, Matthew Boulton visitou em Londres a Albion Mill, a fábrica de farinha movida a vapor que ele e James Watt tinham construído, e encontrou nas mós um lift-tenter, provavelmente instalado pelo jovem construtor de moinhos John Rennie. Descreveu-o a Watt. Watt desenhou um regulador centrífugo de velocidade em novembro e, em dezembro, um regulador para a máquina Lap da manufatura do Soho, em Birmingham. Essa máquina está hoje no Science Museum de Londres, que a apresenta como a primeira equipada com regulador. Watt não reivindicou o aparelho como invenção sua, e o engenheiro John Farey escreveu em 1827 que o seu princípio já se usava nos moinhos de vento e de água. Samuel Smiles, nas suas Lives of Boulton and Watt de 1865, ainda o contava entre as invenções de Watt.

Os engenheiros cedo esbarraram nos limites do regulador simples. Em 1868, James Clerk Maxwell publicou On Governors, o primeiro estudo matemático sobre quando uma máquina regulada estabiliza e quando oscila sem parar, hoje contado entre os textos fundadores da teoria do controlo. A partir da década de 1850, reguladores com um peso sobre o anel, como o que Charles Porter patenteou em 1858, e depois reguladores de molas puderam trabalhar a velocidades mais altas. O mesmo princípio mantém a velocidade das turbinas hidráulicas que movem geradores.