Como funciona uma ventosa

A Ventosa Ideal

Como já foi a muito demonstrado por Pascal e Von Guericke, entre outros, a força que uma ventosa pode gerar não é decorrente do vácuo, mas sim da pressão atmosférica, ou melhor, da diferença entre a pressão atmosférica e o vácuo no seu interior.

Para determinarmos a força teórica de uma ventosa devemos recorrer a própria definição de pressão, que é força por unidade de área:

P = F / A (N/m²)

Logo:

F = P . A (N)

Onde a P é a diferença entre a pressão atmosférica e a pressão interna da ventosa e A é a área da projeção da ventosa sobre a superfície onde é pressionada.

A ventosa ideal para determinarmos a força é plana, indeformável e com uma vedação a mais próxima possível da sua borda. Na Figura a seguir vemos um desenho esquemático que representa esta ventosa ideal, em corte de vista lateral.

Esquemático da ventosa ideal

Na figura temos o corte lateral de uma ventosa ideal simplificada, que é constituída de 2 placas metálicas separadas apenas por um anel de vedação de secção circular. O Diâmetro D representa os pontos de contato do anel com as placas, pode ser considerado como o diâmetro médio da ventosa ou câmara de vácuo formada por este arranjo. Quando no seu interior se diminui a pressão para um valor menor que a pressão atmosférica esta pressiona o conjunto e o mantém coeso. A força é aplicada em todas as superfícies e de todas as direções, mas as componentes preponderantes e que mais interessam neste estudo são as perpendiculares as superfícies das placas metálicas, iguais em módulo, opostas em direção e identificadas como F.

Já nesta figura seguinte aprece a mesma ventosa ideal quando no seu interior se diminui a pressão para um valor mais próximo possível de zero ou vácuo absoluto. A compressão da força atmosférica pode aumentar consideravelmente, provocando inclusive deformação do anel de vedação que separa as placas. Se o seu diâmetro D não diminuir então a área da ventosa também não diminuirá. Nesta situação se obterá a maior força possível nesta ventosa ideal.

Esquemático da ventosa ideal com vácuo absoluto

A força máxima que uma ventosa ideal pode gerar, tendo como referência a pressão atmosférica padrão e uma área de 1 m² é :

F = 101,325 kPa . 1 m²
F = 101.325 N/m² . 1 m²
F = 101.325 N

Como a função de uma ventosa para este trabalho é prender e suspender cargas, e supondo que a placa superior fosse usada neste caso para suspender a placa inferior, então poderíamos calcular a carga útil desta ventosa ideal de 1 m² com vácuo absoluto. Então da própria definição da força:

F = m . a (N.m/s²)
m = F / a (kg)

Usando a aceleração da gravidade padrão de 9,81 m/s² :

m = 101.325 / 9,81 (kg.m/s² / m/s²)
m = 10.328,75 kg

Como ventosas de centímetros quadrados são mais usuais que de metros quadrados, pode-se colocar esta força em uma escala mais usual usando a relação:

1 m² = 10.000 cm²

Então esta carga máxima útil será de 1,032875 kg para cada cm² de ventosa.

A Ventosa Real

No entanto, na prática, não se consegue esta carga ideal para ventosas reais, por dois motivos.

O primeiro motivo é a dificuldade prática e a inviabilidade econômica de se usar ventosas com vácuo absoluto. Mesmo que fosse atingido o vácuo absoluto, não se pode garantir que a pressão atmosférica padrão esteja disponível, na verdade é pouco provável, pois a maioria das atividades em que se poderia usar uma ventosa são realizadas do nível do mar para cima. Portanto a pressão atmosférica disponível será via de regra menor que a pressão atmosférica padrão. Assim a ventosa terá uma carga útil diminuída que, pelo menos em função das pressões, seria sempre proporcional a diferença de pressão em seu interior e a pressão atmosférica real no seu local de utilização.

Mas há outro motivo que diminui e também torna não proporcional em relação a pressão a carga possível de uma ventosa. É o fato de que em uma ventosa real há uma variação de sua geometria e diminuição de sua área a medida que o vácuo aumenta. Uma ventosa real não pode ser totalmente indeformável como a do exemplo ideal, pois deve poder ser aplicada em superfícies também não ideias. A flexibilidade de uma ventosa aumenta muito sua capacidade adaptação a estas superfícies.

Pode-se então definir um fator de correção que diminui a carga de uma ventosa em relação a sua carga teórica máxima calculada a partir de sua área real.