Acelerômetro
Um acelerômetro, ou acelerómetro em português europeu, é um dispositivo que mede a aceleração própria de um objeto. A aceleração própria é a aceleração, isto é, a taxa de variação da velocidade, do objeto em relação a um observador em queda livre, portanto em relação a um referencial inercial. Ela difere da aceleração coordenada, que é a aceleração em relação a determinado sistema de coordenadas, o qual pode estar ou não acelerando. Um acelerômetro em repouso sobre a superfície da Terra, por exemplo, mede uma aceleração da gravidade dirigida para cima de aproximadamente g ≈ 9,81 m/s². Um acelerômetro em queda livre, por sua vez, mede aceleração igual a zero.
Um acelerômetro mede a aceleração própria, isto é, a aceleração que experimenta em relação à queda livre e que é percebida por pessoas e objetos. Em qualquer ponto do espaço-tempo, o princípio da equivalência garante a existência de um referencial inercial local. O acelerômetro mede sua aceleração em relação a esse referencial. Essas acelerações costumam ser expressas como força g, em comparação com a gravidade padrão. Um acelerômetro em repouso em relação à superfície terrestre indica aproximadamente 1 g para cima porque a superfície exerce uma força normal nessa direção em relação ao referencial inercial local, que corresponde ao referencial de um objeto em queda livre próximo à superfície. Para obter a aceleração causada pelo movimento em relação à Terra, é necessário subtrair esse "deslocamento gravitacional" e corrigir os efeitos da rotação terrestre em relação ao referencial inercial.
Um acelerômetro mecânico básico tem uma massa de prova amortecida presa a uma mola. Quando o acelerômetro sofre uma aceleração, a segunda lei de Newton relaciona a força exercida sobre a massa à aceleração: Se a massa estiver presa a uma mola de constante elástica k, a lei de Hooke dá a força restauradora: em que x é o deslocamento da massa em relação à posição de equilíbrio. Igualando as duas expressões, obtém-se: Conhecidas a massa m e a constante elástica k, a medição do deslocamento x fornece a aceleração. O sistema recebe amortecimento para impedir que as oscilações da massa e da mola interfiram na medição. Esse amortecimento, junto com a rigidez da suspensão e a massa, determina parte de sua resposta em frequência. Muitos animais têm órgãos sensoriais que detectam aceleração, em especial a gravidade. Neles, a massa de prova costuma ser formada por um ou mais cristais de carbonato de cálcio chamados otólitos ou por estatocônias. Esses cristais agem sobre células ciliadas ligadas a neurônios. Os cílios cumprem a função dos elementos elásticos e os neurônios atuam como sensores. O amortecimento costuma ser fornecido por um fluido. Muitos vertebrados, entre eles os seres humanos, têm essas estruturas no ouvido interno. A maioria dos invertebrados possui órgãos semelhantes, mas separados dos órgãos auditivos. Eles são chamados estatocistos.
A escolha de um acelerômetro depende do movimento que será medido e das condições de uso. Entre os parâmetros usados nas especificações estão a faixa de medição, a sensibilidade, a largura de banda, o ruído, o deslocamento de zero, a não linearidade, o alinhamento dos eixos e a sensibilidade transversal. A faixa de medição é o intervalo de aceleração no qual a saída permanece dentro das especificações. Ela não corresponde necessariamente ao limite mecânico que danifica o sensor. A sensibilidade relaciona a mudança da aceleração de entrada à mudança do sinal de saída. Em sensores analógicos ela pode ser expressa, por exemplo, em mV/g, enquanto sensores digitais usam grandezas associadas aos códigos de saída. Em muitas aplicações existe um compromisso entre faixa e sensibilidade, pois sensores destinados a acelerações muito altas tendem a fornecer menor variação de saída por unidade de aceleração.
Acelerômetros são usados para detectar o apogeu em foguetes profissionais e amadores. Também são usados em rolos de compactação inteligente. Em sistemas de navegação inercial, acelerômetros operam ao lado de giroscópios. Um dos usos mais comuns dos acelerômetros MEMS está nos sistemas de acionamento de airbags de automóveis. Nesse caso, os sensores detectam a rápida aceleração negativa do veículo para determinar se ocorreu uma colisão e estimar sua intensidade. Outro uso automotivo comum está nos sistemas de controle eletrônico de estabilidade, que empregam um acelerômetro lateral para medir as forças durante curvas. A adoção em grande escala pela indústria automobilística reduziu bastante o custo dos acelerômetros. Outra aplicação automotiva é o monitoramento de ruído, vibração e aspereza, condições que provocam desconforto para motorista e passageiros e também podem sinalizar falhas mecânicas.
Engenharia
Acelerômetros podem medir a aceleração de veículos. Também medem vibração em automóveis, máquinas, edifícios, sistemas de controle de processos e instalações de segurança. Outras medições abrangem atividade sísmica, inclinação, vibração de máquinas, distância dinâmica e velocidade, com ou sem a ação da gravidade. Acelerômetros configurados especificamente para medir a gravidade em gravimetria são chamados gravímetros.
Biologia
O uso de acelerômetros também aumentou nas ciências biológicas. Registros de alta frequência de aceleração biaxial ou triaxial permitem distinguir padrões comportamentais quando os animais estão fora do campo de visão. Os registros de aceleração também permitem calcular a taxa de gasto energético de um animal na natureza, pela frequência dos movimentos dos membros ou por medidas como a aceleração corporal dinâmica total. Esses métodos foram adotados principalmente por pesquisadores de animais marinhos, que muitas vezes não podem acompanhar o comportamento diretamente por observação visual. Pesquisadores de animais terrestres passaram a empregar métodos semelhantes. Acelerômetros foram usados, por exemplo, para estudar o gasto energético durante o voo do gavião-asa-de-telha (Parabuteo unicinctus). Acelerômetros de smartphones também são usados para coletar dados e extrair descritores mecânico-biológicos de exercícios de resistência.
Indústria
Acelerômetros são usados no monitoramento das condições de máquinas para registrar a vibração e sua mudança com o tempo em eixos próximos aos mancais de equipamentos rotativos, como turbinas, bombas, ventiladores, rolos, compressores e mancais. Falhas não detectadas podem exigir reparos caros. Os dados de vibração permitem acompanhar a máquina e detectar defeitos antes da falha completa do equipamento rotativo.
Monitoramento de edifícios e estruturas
Acelerômetros são usados no monitoramento da integridade estrutural, conhecido pela sigla inglesa SHM, de edifícios, pontes e outras obras de engenharia civil. Eles registram a resposta dinâmica sob cargas ambientais ou aplicadas, como vento, tráfego, máquinas e terremotos. A partir desses registros de vibração, engenheiros calculam frequências naturais, razões de amortecimento e formas modais. Em estruturas em uso, isso pode ser feito por análise modal operacional, ou OMA. Os parâmetros são comparados ao longo do tempo para avaliar mudanças na resposta da estrutura e atualizar modelos. Em regiões sísmicas, conjuntos de acelerômetros instalados em edifícios e outras estruturas fornecem registros de movimentos fortes usados em avaliações feitas depois de terremotos e em estudos de desempenho de longo prazo. Nos Estados Unidos, o National Strong Motion Project, do Serviço Geológico dos Estados Unidos, opera conjuntos instrumentais em estruturas e distribui seus registros pelo Center for Engineering Strong Motion Data.
Aplicações médicas
O AED Plus, desfibrilador externo automático da Zoll, usa eletrodos CPR-D•padz que contêm um acelerômetro para medir a profundidade das compressões torácicas durante a ressuscitação cardiopulmonar. Relógios esportivos destinados a corredores também podem usar sensores presos ao pé com acelerômetros para calcular a velocidade e a distância percorrida. Na Bélgica, contadores de passos baseados em acelerômetros foram promovidos pelo governo para incentivar as pessoas a caminhar alguns milhares de passos por dia. O Herman Digital Trainer usa acelerômetros para medir a força de golpes no treinamento físico. Uma proposta para capacetes de futebol americano consiste em equipá-los com acelerômetros para medir a intensidade das colisões na cabeça. O Laboratório de Pesquisa do Exército dos Estados Unidos desenvolveu o Three-Axis Acceleration Switch, que também foi proposto para essa finalidade.
Navegação
Um sistema de navegação inercial é um auxílio à navegação que usa um computador e sensores de movimento, entre eles acelerômetros, para calcular continuamente por navegação estimada a posição, a orientação e a velocidade de um objeto sem depender de referências externas. Entre as denominações usadas para sistemas desse tipo ou para aparelhos próximos estão sistema de orientação inercial e plataforma de referência inercial. Um acelerômetro isolado não é adequado para determinar mudanças de altitude em distâncias nas quais a diminuição vertical da gravidade já não possa ser desprezada, como ocorre com aeronaves e foguetes. Na presença de um gradiente gravitacional, o processo de calibração e redução dos dados torna-se numericamente instável.
Os dados de acelerômetros podem ser acessados por aplicativos de terceiros sem a permissão do usuário em muitos aparelhos móveis. Padrões de movimento registrados dessa forma podem permitir inferências sobre o comportamento do usuário, como sua forma de dirigir, nível de intoxicação, idade, gênero, entradas feitas na tela sensível ao toque e localização geográfica. Quando isso é feito sem o conhecimento ou consentimento do usuário, recebe o nome de ataque por inferência. Milhões de smartphones também podem estar sujeitos a ataques que exploram acelerômetros por meio de ondas sonoras.
