miniaturadaimagem|360px|Um dinamômetro de chassi.
Dinamômetro ou dinamómetro é um instrumento utilizado para medir forças ou determinar o torque e a potência de máquinas. Nos ensaios de máquinas rotativas, mede o torque e a velocidade rotacional de uma máquina térmica, de um motor elétrico ou de outra máquina motriz, permitindo calcular sua potência mecânica. A velocidade costuma ser expressa em rotações por minuto, de símbolo rpm, e a potência pode ser apresentada pelo próprio equipamento em quilowatts, de símbolo kW.
Além de determinar as características de torque e potência de uma máquina submetida a ensaio, os dinamômetros têm outras aplicações. Nos ciclos padronizados de ensaio de emissões, como os utilizados pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, são empregados para simular as cargas encontradas durante a circulação de um veículo, seja diretamente no motor, por meio de um dinamômetro de motor, seja no conjunto propulsor, por meio de um dinamômetro de chassi. Também integram bancos de ensaios utilizados na calibração dos sistemas de gerenciamento do motor, na investigação da combustão e em estudos de tribologia.
miniaturadaimagem|alt=Dinamômetro utilizado para medir a força da mão.|Avaliação da força de preensão manual.
Na prática clínica, os dinamômetros manuais são utilizados para avaliar a força de preensão e a força da mão, tanto no exame inicial quanto no acompanhamento de pessoas com traumatismos ou disfunções da mão. A medição também pode integrar a avaliação de pacientes com comprometimento das raízes nervosas cervicais ou dos nervos periféricos.
Na fisioterapia, na cinesiologia e na ergonomia, os dinamômetros de força permitem medir a força das costas, da preensão, dos braços ou das pernas de atletas, pacientes e trabalhadores, para avaliar a condição física, o desempenho e as exigências de uma tarefa. Quando a força é aplicada a uma alavanca ou transmitida por um cabo, o momento de força pode ser calculado multiplicando-se a força pela distância perpendicular entre sua linha de ação e o eixo de rotação da alavanca.
Medição de força miniaturadaimagem|Dinamômetros de mola com capacidades de 1 N, 2 N, 5 N e 10 N.
Instrumentos mecânicos Os dinamômetros de mola utilizam a deformação de um elemento elástico para indicar a força aplicada. Na região em que se aplica a lei de Hooke, a intensidade da força é proporcional à deformação:
em que é a constante elástica e é o módulo da deformação em relação à posição de referência. A escala pode, assim, ser graduada em newtons. Essa proporcionalidade não deve ser estendida para além da faixa de comportamento elástico linear do instrumento.
Outro instrumento mecânico é o anel dinamométrico, um anel de aço que se deforma quando recebe uma força. A variação de seu diâmetro é medida por um dispositivo instalado no interior do anel. Nos modelos desenvolvidos para a verificação de forças, esse dispositivo pode combinar um parafuso micrométrico e uma lâmina vibrante. Há anéis construídos para trabalhar em tração ou compressão.
Peso, massa e unidades O peso é uma força e não deve ser confundido com a massa. Na pesagem de um objeto suspenso em repouso, desprezando o empuxo do ar, a força indicada pelo dinamômetro corresponde ao peso , em que é a massa e é a aceleração local da gravidade. A mesma massa pode ter pesos diferentes em locais onde essa aceleração é diferente. No Sistema Internacional, a massa é expressa em quilogramas e o peso em newtons.
O quilograma-força, de símbolo kgf, é uma unidade de força distinta do quilograma. Um quilograma-força equivale exatamente a 9,80665 N. Uma leitura nessa unidade deve ser multiplicada por esse fator quando se deseja expressar a força em newtons.
Sensores elétricos Nos medidores de força com células de carga extensométricas, a força deforma um corpo elástico ao qual estão fixados extensômetros. A deformação altera a resistência elétrica desses sensores. Um circuito em ponte de Wheatstone, alimentado eletricamente, transforma essa variação de resistência em uma variação de tensão, que pode ser amplificada e convertida em uma indicação de força. A temperatura também afeta a resistência, e a disposição dos sensores e dos circuitos de compensação procura reduzir esse efeito.
Os sensores piezoelétricos utilizam cristais nos quais a aplicação de força produz uma carga elétrica. Essa carga é convertida em um sinal de medição por um amplificador de carga. Esses sistemas permitem medições dinâmicas e quase estáticas. Nas medições mais lentas, a duração útil depende da constante de tempo do circuito e da deriva do sinal, que pode decorrer de pequenas correntes de fuga no amplificador.
Calibração e ensaios de materiais A calibração estabelece a relação entre a indicação do instrumento e uma força de referência. Na comparação entre células de carga, o sensor a calibrar e o sensor padrão podem ser montados em série, recebendo a mesma força em diferentes pontos da faixa de medição. As diferenças entre as indicações permitem avaliar a resposta do instrumento.
Nas máquinas universais de ensaios, a célula de carga mede a força aplicada ao corpo de prova. Em um ensaio de tração, essa medição é acompanhada pela determinação do alongamento. A combinação dos dados permite avaliar propriedades mecânicas do material. A medição da deformação pode exigir um instrumento próprio, pois o deslocamento da travessa da máquina também pode conter deformações da estrutura e acomodações das garras.
Avaliação muscular Na avaliação da preensão manual, o protocolo determina a mão examinada, a postura do participante e o número de tentativas. Também define se o resultado utilizado será o maior valor ou uma média. Essas escolhas precisam ser consideradas ao comparar medições ou utilizar valores de referência.
Em Portugal, foram publicados em 2017 dados de preensão manual de um estudo que reuniu 1.500 pessoas com 65 anos ou mais, com medições de preensão disponíveis para 1.496 participantes. Os resultados foram separados por idade, sexo e estatura. O protocolo utilizou três tentativas, com o participante sentado e o cotovelo flexionado a 90°, tomando o maior valor da mão não dominante sempre que essa mão podia ser examinada. No Brasil, o estudo multicêntrico Fibra-BR apresentou, em 2021, valores de referência para pessoas de 65 a 90 anos, também separados por sexo, idade e estatura. Sua amostra de referência reuniu 2.999 participantes selecionados por critérios de cognição, mobilidade e independência funcional. Nesse estudo, o teste foi realizado com a mão dominante, e o resultado utilizado foi a média da segunda e da terceira tentativas.
Princípios de funcionamento dos dinamômetros de absorção miniaturadaimagem|upright=1.3|Antigo dinamômetro hidráulico, com medição de torque por pesos.
Um dinamômetro de absorção funciona como uma carga acionada pela máquina motriz submetida a ensaio, como um motor ou uma turbina Pelton. Sua faixa de operação deve abranger as velocidades e os torques exigidos pelo ensaio.
Os dinamômetros de absorção não devem ser confundidos com os dinamômetros de inércia, nos quais o torque e a potência são obtidos a partir da aceleração de um rolo ou volante com momento de inércia conhecido. Um dinamômetro puramente inercial não dispõe de um freio independente que permita ajustar a carga ou manter o motor em uma rotação constante.
O dinamômetro de absorção normalmente dispõe de meios para medir o torque e a velocidade de rotação. Sua unidade de absorção de potência recebe a potência desenvolvida pela máquina motriz. Nos sistemas dissipativos, essa energia é convertida em calor, transferido ao ar ambiente ou a um circuito de água de arrefecimento. Nos sistemas regenerativos, uma máquina elétrica funciona como gerador. A energia produzida pode ser devolvida à rede por meio de conversores apropriados. Um exemplo é o emprego de uma máquina de corrente contínua, cuja saída é convertida em corrente alternada por um inversor.
Os dinamômetros de absorção podem utilizar diferentes estratégias de controle, entre elas o controle de torque e o controle de velocidade.
Torque de frenagem constante Nesse modo, a unidade de absorção é regulada para aplicar um torque de frenagem previamente definido. A máquina motriz opera com a abertura do acelerador, a vazão de combustível ou outra variável escolhida para o ensaio. Se o torque produzido pela máquina superar o torque resistente total, o conjunto acelera ao longo da faixa de rotação desejada.
A potência absorvida é calculada a partir do produto do torque pela velocidade angular. Quando o ensaio envolve aceleração, a determinação de uma potência equivalente à obtida em regime estacionário pode exigir uma correção para a energia empregada na aceleração dos componentes rotativos.
Velocidade constante Quando o dinamômetro dispõe de controle de velocidade, manual ou computadorizado, a unidade de absorção varia o torque de frenagem para manter a máquina motriz na rotação estabelecida. Entre os sistemas utilizados estão os freios por correntes parasitas, os sistemas hidráulicos e as máquinas elétricas, que permitem modificar a carga durante o ensaio.
A potência mecânica é calculada como o produto do torque pela velocidade angular. Um dinamômetro motorizado, por sua vez, atua como motor e aciona o equipamento submetido a ensaio. Para isso, deve fornecer as velocidades e os torques exigidos pelo procedimento. Máquinas de corrente alternada ou contínua são utilizadas para essa finalidade.
Na maioria dos dinamômetros rotativos, a potência não é medida diretamente, mas calculada a partir do torque e da velocidade angular . Em movimentos de translação, utiliza-se o produto escalar da força pela velocidade :
No Sistema Internacional de Unidades, é expresso em watts, em newtons-metro, em radianos por segundo, em newtons e em metros por segundo. A expressão escalar aplica-se quando a força e a velocidade têm a mesma direção e o mesmo sentido.
Se a velocidade de rotação for expressa em rotações por minuto, a conversão para velocidade angular é:
Consequentemente, a potência em quilowatts pode ser calculada por:
O fator numérico depende das unidades utilizadas. Não representa uma característica física do dinamômetro.
Descrição detalhada miniaturadaimagem|Arranjo de um dinamômetro elétrico, mostrando o motor, o sistema de medição de torque e o tacômetro.
Um dinamômetro de absorção ou universal compreende uma unidade de absorção, ou uma unidade capaz de absorver potência e acionar a carga, geralmente acompanhada de instrumentos para medir torque e velocidade de rotação. A unidade de absorção contém um rotor instalado em uma carcaça. O rotor é acoplado ao motor ou a outro equipamento submetido a ensaio e gira na velocidade requerida. Entre o rotor e a carcaça é produzido um torque resistente, por atrito, ação hidráulica, efeitos eletromagnéticos ou outro mecanismo, conforme o tipo de unidade.
Uma forma de medir o torque consiste em montar a carcaça de modo que ela possa girar, exceto pela restrição imposta por um braço de reação. Para isso, podem ser utilizados munhões nas duas extremidades da carcaça, apoiados em mancais. O braço é ligado à carcaça, e uma balança mede a força exercida por ela ao tentar girar. O torque é o produto dessa força pela distância perpendicular entre sua linha de ação e o eixo do dinamômetro. Uma célula de carga pode substituir a balança, fornecendo um sinal elétrico proporcional à força e, portanto, ao torque.
Outra possibilidade é conectar o motor ao dinamômetro por meio de um acoplamento equipado com um sensor de torque ou transdutor de torque. Esse instrumento fornece um sinal elétrico proporcional ao torque transmitido pelo eixo.