Barómetro aneroide

Antecedentes

La atmósfera de la Tierra pesa alrededor de 6,5 × 10 ²¹ (5,98 × 10 ²⁴ ). Distribuida por toda la superficie terrestre, ejerce una presión de aire (barométrica) de aproximadamente 14,7 libras por pulgada cuadrada (psi) (101 kilopascales [kPa]) al nivel del mar. Si bien ese es el promedio, la presión barométrica real varía mucho de un lugar a otro y de un momento a otro. La presión barométrica en la cima del monte Everest es un tercio de la presión barométrica al nivel del mar. Los mayores extremos de presión barométrica jamás registrados a nivel del mar fueron 15,7 psi (108 kPa) durante un invierno muy frío en Siberia y 13,5 psi (87 kPa) registrados en el ojo de un tifón del Océano Pacífico. Las diferencias de presión barométrica son importantes porque son los creadores básicos del clima.

El sol es el factor principal que provoca variaciones de presión en la atmósfera. El aire caliente ecuatorial se eleva y fluye hacia el norte. A medida que se mueve, las fuerzas de Coriolis en el hemisferio norte lo doblan hacia el oeste en los trópicos y hacia el este en las zonas templadas, creando células de flujo atmosférico en sentido horario y antihorario. Las presiones atmosféricas cambiantes que vienen con estos flujos se pueden utilizar para predecir el clima. De hecho, antes de la llegada de la radio, la única herramienta que tenían los marineros para predecir el clima era el barómetro, que les decía en qué dirección estaba cambiando la presión del aire. Un aumento de la presión barométrica era una señal de que el clima estaba mejorando. Un barómetro descendente era una señal para cerrar las escotillas y esperar lo mejor.

Historial

Mucha gente no se da cuenta de que existe presión atmosférica, ya que no se puede sentir. Su existencia fue descubierta por el científico italiano Evangelista Torricelli. Torricelli hizo su descubrimiento durante un intento de ayudar a los mineros de plata, que tenían problemas para mantener secas sus minas. La única bomba disponible para los mineros eran las bombas de succión, que solo podían elevar agua a 32 pies (9,8 m). Torricelli dedujo que la razón por la que la bomba no podía levantar más agua era porque el peso de la atmósfera solo era lo suficientemente pesado como para soportar una columna de agua de 32 pies (9,8 m) de altura. La idea de Torricelli era que si se dispusiera un balancín de tal manera que la mitad estuviera bajo vacío y la otra mitad bajo presión atmosférica, se tendrían que colocar 32 pies (9,8 m) de agua en el lado del vacío del columpio. Sierra para equilibrar la presión atmosférica que actúa en el otro lado. Las bombas de los mineros eran como un balancín que intentaba equilibrar más de 32 pies (9,8 m) de agua.

Para probar su teoría, Torricelli tomó un tubo de vidrio de aproximadamente 4 pies (1.2 m) de largo, lo selló por un extremo y lo llenó con mercurio. Sosteniendo su pulgar sobre el extremo abierto, volcó el tubo en un cuenco de mercurio. Su teoría era que, dado que el mercurio es 13,5 veces más denso que el agua, la presión barométrica solo sería lo suficientemente alta para soportar una columna de mercurio de 2,4 pies (0,73 m) de altura (la altura máxima que las bombas de succión podrían extraer agua dividida por 13,5). En realidad, la atmósfera sostenía una columna de mercurio de 2,5 pies (0,76 m) de altura. La distancia adicional se debió a que el vacío en la parte superior del tubo de vidrio era casi perfecto (Torricelli también fue la primera persona en crear un vacío) y los sellos de las bombas de los mineros no. No está claro quién notó que los barómetros podrían usarse para pronosticar el clima, aunque es posible que fuera Ferdinand dei Medici, Gran Duque de Toscana.

Si bien los barómetros de mercurio, incluso hasta el día de hoy, son los barómetros más precisos, no están exentos de inconvenientes. Tratar de leer un barómetro de mercurio a bordo de un barco atrapado por un huracán no es fácil. La idea de un barómetro sin mercurio (un barómetro aneroide) se le ocurrió por primera vez a Gottfried Leibniz (coinventor del cálculo) alrededor de 1700. La metalurgia no estaba lo suficientemente avanzada en 1700 para realizar la idea de Leibniz. El inventor francés Lucien Vidie desarrolló el primer barómetro aneroide práctico en 1843. Los barómetros aneroides son los barómetros más comunes que se utilizan en la actualidad. Son instrumentos circulares, de latón, con forma de reloj con un indicador de barrido que apunta a la presión barométrica actual. Se ven comúnmente en estaciones meteorológicas y a bordo de barcos. Los barómetros aneroides funcionan midiendo la expansión y contracción de una cápsula metálica hueca.

Materias primas

Los únicos componentes de un barómetro de mercurio son el vidrio y el mercurio. Los barómetros aneroides, por otro lado, son máquinas muy complejas similares a los relojes finos. La cápsula aneroide, que es el dispositivo que se mueve con los cambios en la presión del aire, está hecha de una aleación de berilio y cobre. Los movimientos están hechos de acero inoxidable (por ejemplo, AISI 304L) con cojinetes de piedras preciosas (rubíes sintéticos o zafiros). Las joyas se utilizan en los cojinetes porque tienen una resistencia a la fricción muy baja. Las cajas de los barómetros pueden estar hechas de cualquier cosa, pero generalmente están hechas de latón (una mezcla de cobre y zinc). Hay muchos tipos de latón. Uno de los más comunes es el "latón de reloj", una mezcla de 65% de cobre y 35% de plomo. Los diales del barómetro pueden estar hechos de cualquier cosa:aluminio, acero, latón o papel.

Diseño

El diseño del producto para un barómetro aneroide implica un análisis cuidadoso de las propiedades de contracción y expansión de la cápsula aneroide, el diseño del sistema de compensación de temperatura y el diseño mecánico del vínculo entre la cápsula aneroide y el indicador de barrido.

La cápsula aneroide es muy delgada, hueca y generalmente tiene forma de fuelle. La mayor parte del aire se extrae de la cápsula de modo que la contracción y expansión de la cápsula es estrictamente una función de la elasticidad de la cápsula y cualquiera de sus resortes de soporte. Dejar aire en la cápsula induciría una falta de linealidad en la respuesta de la cápsula. A medida que la cápsula se contrae, si quedara algo de aire, la presión del aire en la cápsula aumentaría, lo que haría más difícil la compresión de la cápsula. El diseñador del barómetro calcula cuánto se expandirá o contraerá la cápsula aneroide bajo el rango esperado de presiones a las que estará sujeto el barómetro. Con base en estos movimientos, el diseñador especifica los vínculos que traducirán el movimiento de la cápsula en el movimiento de un indicador de barrido en la cara del barómetro.

El barómetro aneroide es sensible a las variaciones de temperatura porque la cápsula y sus enlaces se expandirán o contraerán a medida que cambia la temperatura y también porque las propiedades elásticas de la cápsula (cuánto se desviará la cápsula ante cambios en la presión exterior) también cambian con la temperatura. Hay varias formas de compensar los movimientos inducidos por la temperatura de los componentes del barómetro. Una de las soluciones más elegantes implica el uso de una tira bimetálica. Una banda bimetálica consta de dos piezas planas de metal, hechas de diferentes tipos de elementos o aleaciones, soldadas espalda con espalda. Debido a que los cambios de temperatura en la tira bimetálica y la cápsula son predecibles, la tira bimetálica se puede utilizar para compensar los movimientos de la cápsula. A medida que cambian las temperaturas, los dos componentes de la tira bimetálica intentan expandirse en diferentes cantidades. Esto hace que la tira bimetálica se doble hacia el componente con el coeficiente de expansión más pequeño. Este movimiento de flexión se puede utilizar para mover la mano indicadora o comprimir la cápsula aneroide para compensar el cambio de temperatura.

El vínculo entre la cápsula aneroide y el indicador de barrido es casi tan complejo como el movimiento de un fino reloj suizo. De hecho, un varillaje de barómetro de calidad incorpora muchos de los mismos componentes. El propósito del enlace es traducir el pequeño movimiento horizontal de un fuelle en expansión (unos pocos miles de pulgadas o centímetros) en el movimiento de barrido de un brazo indicador. El aumento requerido del movimiento de la cápsula se puede lograr usando palancas. Un balancín es una forma de palanca. El final del balancín se mueve a través de un arco mucho mayor que un punto cerca del pivote. Al disponer que la cápsula aneroide empuje o tire de un punto cerca del pivote de una palanca con forma de balancín, el movimiento de la cápsula se magnifica enormemente en el extremo más alejado de la palanca. Cualquier falta de linealidad del movimiento de la cápsula se puede compensar utilizando un fusible pronunciado FU-say. Un fusee, que fue inventado por Leonardo da Vinci, es una polea cortada en espiral con forma de cono. En el punto cero del barómetro, el extremo de la palanca del balancín está conectado al centro del fusible mediante una cadena. A medida que la cápsula aneroide se comprime, el fusible gira, desplazando la cadena hacia un diámetro más pequeño. Lo que esto logra es que a medida que la cápsula aneroide se endurece bajo compresión, un movimiento más pequeño de la cadena puede producir el mismo movimiento del indicador de barrido.

El
proceso de fabricación

El caso

• 1 Una fina caja de barómetro se puede fundir en latón, bronce o acero o tallar en madera. Los estuches menos costosos se pueden estampar en acero o aluminio y luego recubrirlos con un acabado decorativo. Una fundición se hace vertiendo metal fundido en un molde y permitiendo que el metal se endurezca.
• 2 Una vez que el metal se ha endurecido, se sacude el molde de la caja. El estampado implica presionar una pieza plana de metal entre dos troqueles a altas presiones.
• 3 La caja se termina eliminando cualquier exceso de metal que haya quedado del proceso de fundición, puliendo los bordes ásperos y luego puliendo la caja hasta obtener un acabado brillante.
• 4 Algunas cajas se barnizan o recubren con un plástico transparente para evitar que se empañen.

La cápsula aneroide

• 5 En las dos mitades de la cápsula aneroide se estampan láminas delgadas de metal de cobre / berilio (alrededor de 0,002 pulg. [0,05 mm] de espesor). Los troqueles de estampado están diseñados para dejar una superficie de contacto con el borde de la cuchilla donde se unirán las dos mitades.
• 6 Los componentes aneroides individuales están soldados por haz de electrones. La soldadura por haz de electrones requiere que una corriente concentrada Un barómetro aneroide. de electrones se generan y se concentran en la unión a soldar. A medida que los electrones chocan con la pieza, la energía cinética de la colisión crea calor, lo que resulta en la fusión o fusión de las dos piezas que se unirán. La soldadura por haz de electrones solo se puede realizar en vacío (porque las moléculas de aire interceptarían el haz de electrones), lo cual es muy conveniente ya que la cápsula aneroide también debe estar libre de aire. La soldadura por haz de electrones se realiza mediante máquinas de soldadura robotizadas automatizadas porque un soldador humano no podría proporcionar el grado de precisión necesario para unir las piezas sin dañarlas.

Los vínculos

• 7 Los eslabones de alta calidad que consisten en palancas, cadenas, cremalleras de sector, piñones, fusibles, etc., están mecanizados en acero para herramientas. Mecanizado significa que las barras de metal se muelen y cortan para dar forma a la pieza final. La maquinaria de fresado automatizada puede producir fácilmente piezas de varillaje con una tolerancia de 0,0025 mm (0,0001 in).

El compensador de temperatura

• 8 El compensador de temperatura, en los barómetros de calidad, suele ser una tira bimetálica. La tira bimetálica se fija soldando o remachando un extremo de la tira a la caja del barómetro. La soldadura implica fundir parcialmente tanto la carcasa como la tira bimetálica para que las dos piezas fluyan juntas y se unan.

Montaje final

• 9 El producto terminado se ensambla en banco. Debido a que las corridas de producción son generalmente muy pequeñas, hay muy poca automatización en el proceso de ensamblaje final. Un ensamblador conecta el compensador de movimiento y temperatura a la caja.
• 10 La cara del barómetro se coloca sobre el pasador central del movimiento.
• 11 A continuación, se fija el indicador del barómetro al pasador central con una chaveta o un tornillo.
• 12 Se coloca una placa de vidrio sobre la cara del barómetro y se atornilla un bisel al barómetro para mantener el vidrio en su lugar. En muchos barómetros, la placa frontal tiene un agujero en el centro para que se pueda ver el movimiento.

Control de calidad

El control de calidad requiere que el barómetro completo se pruebe en diferentes condiciones atmosféricas. Todos los barómetros aneroides vienen con un tornillo de puesta a cero para ajustar la posición inicial del indicador de barrido para que tenga la misma presión barométrica que la de un barómetro estándar muy preciso que se mantiene en la fábrica. Luego, el nuevo barómetro se somete a diferentes presiones barométricas para evaluar la precisión con la que puede registrar la presión real. Los barómetros que no pueden cumplir con las tolerancias de fábrica requeridas, que varían de un fabricante a otro, tienen sus movimientos reemplazados.

Subproductos / Residuos

Los barómetros de mercurio contienen el metal pesado altamente tóxico que les da su nombre. Sin embargo, muchas localidades y algunos estados han prohibido el uso de mercurio en termómetros, barómetros y dispositivos de registro de la presión arterial. Es solo cuestión de tiempo antes de que el barómetro de mercurio desaparezca del uso común. Los desechos generados durante la fabricación del barómetro aneroide se limitan a pequeñas cantidades de metal del mecanizado del enlace. Los desechos de fundición de las cajas del barómetro generalmente se reciclan inmediatamente en la casa de fundición.

El futuro

El futuro del barómetro es una versión digital. Al colocar placas de acero paralelas dentro de la cápsula aneroide y hacer correr una corriente a través de ellas, se puede determinar la distancia entre las dos placas, ya que es proporcional a la capacitancia de las placas (la capacitancia es una medida de la cantidad de carga eléctrica que se puede almacenar en el plato). A medida que la cápsula aneroide se contrae y se expande, la capacitancia de las dos placas cambia, lo que proporciona una medida del cambio en la presión atmosférica que impulsa el cambio en la posición de la placa. Esto evita la necesidad de cojinetes con joyas, fusibles y varillajes mecanizados, pero produce un instrumento con todo el encanto de un reloj digital. Sin embargo, con la insaciable necesidad de datos de las supercomputadoras del servicio meteorológico, el futuro traerá inevitablemente una gran cantidad de barómetros y termómetros muy económicos estacionados en todo el mundo y conectados a través de la red mundial.

Dónde obtener más información

Libros

Barry, Roger G. y Richard J. Chorley. Atmósfera, tiempo y clima. 6ª ed. Nueva York:Routledge, 1998.

Middleton, W. E. Knowles. La historia del barómetro. Baltimore:The Johns Hopkins Press, 1964.

Otro

Página web de Accuweather. 20 de septiembre de 2001. .

Jeff Raines