Construa Seu Espelho para Telescópio Newtoniano Autor: Severino Fidelis de Moura 1 Sumário Resumo.....................................................................................................................2 Introdução.................................................................................................................3 Objetivo.....................................................................................................................3 Metodologia..............................................................................................................4 Generalidades sobre o trabalho em vidro para espelhos de telescópios..............4-5 Materiais básicos...................................................................................................5-7 Abrasivos usados na construção artesanal de espelhos..........................................7 Desbaste ou esmerilhamento grosso..................................................................8-12 Lapidação ou Ajustagem........................................................................................13 Polimento fino....................................................................................................13-16 Procedimento para o polimento fino..................................................................17-18 Provas................................................................................................................18-23 Resultados..............................................................................................................24 Considerações Finais,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,24-25 Referências Bibliográficas......................................................................................26 Aluminização...........................................................................................................27 2 Construa seu Espelho para Telescópio Newtoniano Severino Fidelis de Moura Centro de Estudos Astronômicos de Alagoas. – CEAAL [email protected] http://br.geocities.com/fidelis_astronomia Resumo: Este trabalho trata da metodologia utilizada para a construção de espelhos para telescópio Newtoniano, demonstrando de forma interativa como construir espelhos para telescópios. Para este fim é necessário considerar alguns requisitos, como: Diâmetro do espelho, tubo para compor o telescópio, seu comprimento, espessura e a distância focal. Primeiramente deve-se adquirir os discos de vidro para preparar o espelho e a ferramenta, com esses, é possível proceder ao desbaste ou esmerilhado grosso. Para realizar esse procedimento dispõe-se o disco de vidro, que será futuramente o espelho, sobre a ferramenta e faz-se uso de esmeris (120 e 180) procedendo três movimentos principais: longitudinal, rotação sobre seu próprio eixo e rotação sobre o eixo da bancada própria para o desbaste, visando sempre à uniformização da superfície que está sendo esmerilhada. Após o desbaste segue-se à lapidação ou ajustagem da peça, que é feita a partir da realização dos movimentos supracitados, sendo que utilizando novos esmeris com granulações menores (320, 500, 800, 1500 e 2000), para sucessivamente ir ajustando a superfície do futuro espelho, e, posteriormente fazer o polimento fino. Nesta etapa, muda-se a ferramenta que agora é composta pelos materiais: breu, óleo de linhaça e cera de abelha, e, o polidor utilizado é óxido de cério ou zirconita. Após esses três procedimentos básicos deve-se comprovar a forma esférica do espelho mediante algumas provas ópticas. Neste trabalho será realizada a Prova de Foucault, que é feita através de uma fonte luminosa pontual direcionada para uma lâmina que possa interceptar os raios que retornem do espelho, quando disposto na bancada de teste. Colocada a fonte luminosa no centro de curvatura do espelho, e ao dobro da distância focal do mesmo, a imagem também pontual se formará no centro de curvatura sobre a fonte luminosa. Se a superfície do espelho é uma esfera perfeita, todos os raios luminosos se reúnem no mesmo ponto. O desenvolvimento desse trabalho desencadeou o interesse em demonstrar as diversas etapas para execução da construção de espelhos para telescópios Newtonianos. 3 INTRODUÇÃO: Neste trabalho trata-se da metodologia utilizada para a construção de espelhos para telescópio Newtoniano, demonstrando de forma interativa como construir espelhos para telescópios. Como se sabe, desde os primórdios da evolução do ser humano na terra a observação dos astros era vista como indicador para a agricultura, orientação para viagens e considerações sobre as leis da natureza. Primeiramente, os homens usando apenas o senso comun, subiram montanhas, construiram monumentos enormes, deram nomes aos astros, relacionando-os a deuses do qual tinham medo ou adimiração. O tempo passou e apareceram grandes nomes que evoluiram para o advento de instrumentos toscos, como os protótipos de Galileu, porém de uso investigativo das maravilhas do céu. Galileu viveu em meados do século XVI, nasceu em 1564 em pleno alvoroço da Igreja Católica, em contrariar as opiniões de Copérnico. Abdicou de suas teses em vista da pressão da Igreja, porém a semente ficou e renasceu no decorrer da evolução da astronomia. Hoje já vimos maravilhas da tecnologia e de ATM’s (Fabricantes Amadores de Telescópios) ainda tentando construí-los para seu uso, a fim de descobrir as maravilhas do Cosmo. Diante do exposto e motivado por tentar descobrir as maravilhas do universo, de forma menos dispendiosa, após um longo período de estudo e tentativas para construir um telescópio, segue a finalização que será demonstrada neste trabalho. Objetivo: Construir artesanalmente espelhos esféricos para telescópio Newtoniano 4 Metodologia: Para confeccionar um espelho artesanal para um telescópio newtoniano, devemos ter em mente alguns requisitos básicos: O diâmetro do espelho, o tubo que vai ser usado, seu comprimento e espessura mediante a distância focal estipulada. O tubo deve ser sempre mais largo do que o diâmetro do espelho, e cerca de 100mm maior do que a distancia focal estimada. É aconselhável um espelho de 150mm ou acima disso, sem extrapolar o diâmetro de 200mm, que é o limite para a portabilidade. O material para essa finalidade é o vidro plano, o mais comum é o "soda lime", o vidro de vidraças, feito a base de óxido de silício com a adição de óxido de sódio (soda - Na2O) e óxido de cálcio (lime - CaO). Pode ser usado satisfatoriamente para vários espelhos de telescópios. Sua vantagem principal é a disponibilidade em tamanhos grandes e é barato, mas a espessura é limitada. No Brasil é fabricado até 19 mm (3/4") mas pode ser encontrado em espessuras maiores em placas brancas ou azuladas, conhecidos no mercado como vidros belgas (importados pelos fornecedores da Bélgica). 1 - Generalidades sobre o trabalho em vidro para espelhos de telescópios e as teorias do procedimento para desbaste e polimento: “Para um principiante é sempre motivo de surpresa, saber que as superfícies mais precisas que o homem pode realizar são feitas à mão, sem ajuda das pequenas ou mesmos grandes máquinas, e mediante procedimentos aparentemente infantis. Somos vítimas do nosso “bom sentido”, pacientemente formado nos últimos séculos da tecnologia que nos leva a admirar as famosas e complicadas máquinas, onde é necessário um verdadeiro esforço para ter uma visão sensata da questão. O trabalho das superfícies de alta precisão está dominado por feitos já conhecidos ou inconscientemente aplicado desde a idade da pedra”. Ajustar por deslizamento uma superfície é esfregá-la contra outra de igual tamanho, que toma agora o nome de ferramenta, com a interposição de um abrasivo, ou seja, um pó composto por pequenos grãos cortantes ligeiramente, umedecidos com água, mais duros que o corpo a trabalhar. Antes de começar o trabalho de desbaste não esquecer de eliminar as arestas dos discos de vidro com uma pedra de afiar ou através de máquinas já disponibilizadas para esse fim. 5 Ajuste por deslizamento A combinação dos movimentos que veremos a seguir, a pressão que vamos imprimir contra as arestas dos grãos de abrasivos provocará, numa substância frágil como o vidro, uma quantidade enorme de fraturas e pequenos fragmentos principalmente nas regiões sobressalentes que tendem a desaparecer. 2 - Materiais básicos: 2 . 1 - Bancada para Desbaste Grosso e Médio; 2 . 2 - Bancada para Lapidação ou Ajustagem; 2 . 3 - Bancada para o Polimento Final; 2 . 4 - Breu, Piche, Óleo de Linhaça e Cera de Abelha; 2 . 5 - Discos de Vidro conforme o planejamento; 2.6 - Ferramentas para corte de vidros para espelhos 2 . 7 - Abrasivos 6 Deve-se ressaltar a necessidade da aquisição de dois discos de vidro de igual diâmetro, um para a ferramenta outro para o espelho, o vidro discriminado para ferramenta, poderá ser de menor espessura, e para o espelho de 150mm a espessura mínima deve ser de 19mm. O corte dos vidros para o espelho e ferramenta pode ser feito por vidraceiros, no entanto o interessado pode cortar os vidros ele mesmo, através de fresa para vidro conforme figura abaixo. Adaptado de http://observatoriophoenix.astrodatabase.net/ Fresa manual para cortar vidro, nas dimensões de 137mm, diâmetro interno. 7 Fresa para cortar vidro, uso em máquinas, 92mm 3 - Abrasivos usados na construção artesanal de espelhos: Esmeril 120 – Óxido de Alumínio Esmeril 1000 – Óxido de Alumínio* Esmeril 180 – Óxido de Alumínio* Esmeril 320 – Óxido de Alumínio Esmeril 500 – Óxido de Alumínio* Esmeril 800 – Óxido de Alumínio Esmeril 1500 – Óxido de Alumínio Esmeril 2000 – Óxido de Alumínio Polidor para Cristal – Zirconita Rouge – Óxido de Ferro Óxido de Cerium (Cério) Breu e piche (só serve o alcatrão) poderão ser encontrados em algumas casas de vendas para materiais da construção civil, ou no ramo de produtos químicos. Cera de abelha, nas casas do ramo em madeiras especializadas. No ramo de material óptico é possível adquirir materiais conforme discriminaremos abaixo para a confecção da peça desejada. *Os materiais assinalados, podem ser encontrados em Maceió, ou outra capital brasileira, nas casas direcionadas à confecção de óculos, e tanto pode ser Óxido de Alumínio como Carbureto de Silício. Costuma-se usar carbureto de silício nas granulações até o grão 180. O óxido de ferro, comumente chamado Rouge abrasivo para polimento final, muito caro, usado em lapidação nas joalharias etc. O rouge da construção civil (Xadrez), precisa de certos cuidados para uso sem risco de danificar o espelho. O óxido de Cério, é vendido nas cores rouge, rosa ou branco. Para iniciar esta atividade você pode aproveitar uma área livre, a garagem, um terraço ou uma dependência disponível da casa sem, contudo criar desconforto com os locatários da mesma, ou de onde você estiver dividindo o ambiente. 8 4- Desbaste ou esmerilhamento grosso: Para proceder ao esmerilhado grosso ou desbaste, dispõe-se o disco de vidro de espessura menor, chamado de ferramenta, apoiado em cima da bancada e resguardado através de presilhas, (Ver Bancada de Desbaste). A bancada deve está fixa, ou provida de lastro, para evitar balanço ou movimento desnecessário. Na seqüência, mistura-se com água um pouco de esmeril 120 ou 180 (conforme o que tivermos em mãos) em um dos potes e com uma colherinha de madeira ou plástico, ou com os dedos, despeja-se em cima do vidro ferramenta. Em seguida, deslizaremos o espelho em círculos sobre a ferramenta, embora Jean Texereau, ATM (Fabricante Amador de Telescópios) renomado na construção de espelhos, recomende movimentos longitudinais como se fosse um “I”, porém é a prática e o operador quem deve decidir qual movimento escolher. Bancada para Desbaste A bancada deve está fixa, ou provida de lastro, para evitar balanço ou movimento desnecessário. Na seqüência, mistura-se (suspensão) com água um pouco de esmeril 120 ou 180 (conforme o que tivermos em mãos) em um dos potes e com uma colherinha de madeira ou plástico, ou com os dedos, despeja-se em cima do vidro ferramenta. Na seqüência, o espelho será deslizado em círculos sobre a ferramenta, ou se executa movimentos conforme Texereau. No esmerilhado grosso aconselham-se os movimentos circulares, há menos riscos de erro na abertura da concavidade do espelho. Proceder nos movimentos longitudinais nos esmeris seguintes. Não devemos esquecer os movimentos alternados de deslocamentos do disco superior e a movimentação que o operador deve fazer em torno da bancada, obedecendo aos três movimentos que veremos a seguir: 9 4. 1- Primeiro movimento: O espelho deslizará em circulo sobre a ferramenta, passando pelo seu centro e aproximando-se da extremidade sem, no entanto, chegar a ela. Ou o movimento de vai e vem, conforme Jean Texereau. 4. 2 - Segundo movimento: Agora será a rotação do espelho sobre seu próprio eixo, a fim de uniformizar o desbaste. 4. 3 - Terceiro movimento: Seria o deslocamento esporádico da ferramenta também em círculo. Essa ferramenta encontra-se presa na bancada, assim o operador circulará em volta da mesma, com certa regularidade, enquanto executa as outras atividades de esmerilhamento. Efetuando estes movimentos e recolocando nova quantidade de esmeril, em alguns minutos, notaremos que o espelho vai tomando a forma côncava e a ferramenta convexa. Use uma régua e poderá conferir a concavidade. Enxágüe a face do espelho e a exponha ao sol contra uma parede, conferindo sempre a distância focal, esta é a meta ideal. Continuamos o esmerilhamento, lavando o espelho e repondo uma nova porção de esmeril, medindo a distância focal, contra a luz do Sol, sobre uma parede, até o limite necessário (ver Tabela 1) Nesta mesma Bancada, depois de lavada por duas, três ou mais vezes, passaremos a usar os abrasivos de no 320, 500 até de preferência o de número 800. Nessa etapa, devemos esmerilhar o espelho em questão, pelo menos por uma hora para cada classificação dos abrasivos. Esse procedimento é chamamos de Ajustagem. Nas páginas seguintes veremos esse desenvolvimento. Os movimentos agora de um modo diferente, em forma de um “I” onde o operador fará deslizar o espelho sobre a ferramenta, tendo o cuidado de avançar apenas alguns centímetros da borda da ferramenta, isto garantirá a distancia focal estipulada. Correções da distância focal nessa etapa, poderá ser feita através do esmeril 320, demora, mas os resultados serão positivos quanto a curva estipulada. 10 5 -Tabela 1: Diâmetros e distância focal mínima para espelhos totalmente esféricos. Onde, (f 3 ≥ 3,49 D 4), sendo: f = Distância focal em mm e D = diâmetro em mm. Ø do espelho em f Relação focal F/D Flecha em mm mm 90 612 6,8 0,83 100 704 7,0 0,89 110 799 7,3 0,95 120 898 7,5 1,00 130 999 7,7 1,06 135 1050 7,8 1,08 137 1071 7,8 1,10 140 1103 7,9 1,11 145 1155 8,0 1,14 150 1209 8,1 1,16 160 1318 8,2 1,21 165 1373 8,3 1,24 170 1428 8,4 1,26 180 1542 8,6 1,31 190 1657 8,7 1,36 200 1774 8,9 1,41 210 1893 9,0 1,46 220 2015 9,2 1,50 230 2138 9,3 1,55 240 2262 9,4 1,59 250 2389 9,6 1,64 254 2440 9,6 1,65 Adaptado de http://observatoriophoenix.astrodatabase.net/ Como vimos acima, para qualquer valor abaixo do exposto na Tabela 1, o espelho terá de ser parabolóide. A fórmula acima é empírica. Devemos medir a distância focal com certa regularidade, para não passarmos do valor desejado. Com a evolução do esmerilhamento, se passar do valor especificado, inverteremos a posição espelho / ferramenta e traremos de volta a distância focal. O procedimento de lavar o espelho e a ferramenta prossegue, assim como, o procedimento de conferir a distância focal. O ideal seria a mudança de ambiente, para cada etapa do trabalho. Como não é tão fácil mudar de ambiente, mudaremos pelo menos de bancada e teremos menos riscos de acidente para com os espelhos. 11 Ferramenta fixa na bancada (espelho por cima) Bancada Fixa para Diversas Atividades na Construção de Espelhos 12 Bancada Móvel para Diversas Atividades na Construção de Espelhos Bancada Fixa e Motorizada para Diversas Atividades na Construção de Espelhos 13 6 – Ajustagem e Lapidação: Na Ajustagem, (ver página 9) faremos usos, primeiros dos esmeris 320, 500 e 800, é um procedimento onde você aprimora a curva do espelho e elimina as irregularidades deixadas pelos abrasivos anteriores. Sempre lembrar a mesma seqüência dos movimentos já anunciados. A Lapidação é a continuação do aprimoramento da face do espelho através do uso dos materiais cada vez de granulações mais finas para o aperfeiçoamento final com os esmeris 1000, 1500 e 2000. Todos óxidos de alumínio, ou carbureto de silício. Os movimentos serão os mesmo do esmeril 350. Trabalhar pelo menos 40 minutos em cada um desses abrasivos e não esquecer a seqüência contínua dos três movimentos já descrito no esmerilhado grosso, como também a limpeza excessiva da bancada, após cada uso de determinado esmeril. Depois de lavado com sabão diversas vezes, o espelho estará pronto para o polimento final. 7 - Polimento fino Para proceder ao Polimento Fino, iremos precisar da ferramenta polidora, para isso você vai precisar de Breu, Piche, Óleo de linhaça e Cera de abelha, que serão misturados, esta mistura deverá ser aquecida e derretida numa panela rasa, em fogão com fogo baixo e muito cuidado para evitar acidente. A cera de abelha será usada em cima da ferramenta já preparada, serve para agregar os pequenos grãos de pó, do polidor. Deve-se circundar a ferramenta (vidro) com uma tira de papel e em seguida despejar a mistura. Antes é bom fazer um teste da mistura em um pedaço de papel e esperar o esfriamento para verificar a consistência da torta de breu. Faça um teste com a unha do polegar, não deve deixar a marca da unha a não ser através dum certo esforço. Aqueça novamente a mistura e despeje em cima do vidro, (este deve estar aquecido a 50o C) assim não haverá risco da quebra do mesmo. A camada de breu deve ficar com a espessura em torno de seis a oito milímetros. Antes do esfriamento total, deve-se molhar o espelho com água de sabão e moldar aquela massa que será o polidor para o nosso espelho. Em seguida devem-se abrir canais (linhas horizontais) na superfície convexa da ferramenta, deixando uma distancia de 2,5 cm de um canal para o outro e, além disso, estes canais nunca devem passar pelo centro da ferramenta. 14 O vidro ferramenta circundado por uma tira de papel Fabricação da Ferramenta para o Polimento Fino 15 Ferramenta Polidora Prensagem da ferramenta polidora 16 Bancada para Polimento Fino Estufa improvisada para aquecimento da ferramenta e dos vidros no momento da confecção e do amoldamento da torta de breu. Podemos aquecer as peças na presença do sol ou na estufa, aqui não se cogita de verão ou inverno. Estufa para aquecimento do Espelho e da Ferramenta 17 8 - Procedimento para o polimento fino: Com espelhos menores do que 30cm de diâmetro, pode-se trabalhar indiferentemente espelho acima ou abaixo. Os resultados dependem muito de fatores difíceis de prever antecipadamente (posição, tamanho das mãos no manuseio dos vidros, pressões involuntárias). Aconselhamos o começo do polimento com o espelho abaixo. O operador terá menos dificuldades com as anomalias que devem ocorrer com as bordas do espelho. Na prática o operador notará que deverá trabalhar, por exemplo, 30 minutos espelho abaixo, outros 30 minutos espelho acima. Por natureza se efetuar o polimento sempre com o espelho acima logo notará uma profundidade maior do que a natural e desejada no espelho, contornará essa anomalia sempre invertendo espelho / ferramenta. Uma outra curiosidade será calçar o espelho com almofadas, ou seja, assentá-lo sobre rodelas de feltro ou algo macio, sobre o plano onde escolher para confeccioná-lo. Observe que: se a ferramenta vai por cima será a borda do espelho a clarear primeiro, se o espelho vai por cima é o fundo do espelho a clarear primeiro e não as bordas. Agora mãos obra. Numa bisnaga, destas em uso em lanchonete, suspende-se o polidor em água, de forma que seja feita uma suspensão, ligeiramente concentrada. Despejamos em cima da ferramenta ou do espelho (conforme a opção de início do polimento, e manteremos os movimentos de ida e volta como se estivéssemos fazendo um “I”, como também os outros movimentos. O deslocamento inicial não deve ultrapassar os três cm da borda da ferramenta, para um espelho de 200mm de diâmetro. Após os primeiros 30 minutos já podemos observar uma zona central brilhante. Daí em diante, começará o uso do Teste de Foucault, só assim poderemos acompanhar nossa evolução no trato com a performance do espelho. O processo de lapidação levará de 4 a 6 horas, sem contar o tempo gasto para os retoques. 18 Bancada para polimento final 9 - Provas: Logo que começamos o processo de Polimento devemos comprovar a forma esférica do espelho mediante algumas provas ópticas. A mais comum destas provas é a prova de Foucault, ou Teste da Sombra. A prova de Foucault é feita através duma fonte luminosa pontual, e de uma navalha, faca, ou uma lâmina que possa interceptar os raios que retornem do espelho, quando disposto na bancada de teste. Colocada a fonte luminosa no centro de curvatura do espelho, e digamos, ao dobro da distância focal do mesmo, a imagem também pontual se formará no centro de curvatura sobre a fonte luminosa. Se a superfície do espelho é uma esfera perfeita, todos os raios luminosos se reúnem no mesmo ponto e a superfície do espelho ficará toda iluminada se, porém interceptarmos a luz de regresso com uma navalha, dentro ou fora do seu ponto de convergência, se observará sua sombra projetada sobre a superfície do espelho, com uma divisa reta entre a luz e a sombra. 19 Se a navalha for colocada exatamente na convergência dos raios luminosos, haverá iluminação total ou sombra total, conforme a navalha cubra a imagem pontual ou não. Esta é uma das melhores maneiras de medir o raio de curvatura com precisão. Teste de Foucault visto de frente 20 Teste de Foucault visto de perfil Concha para derreter a Cera de Abelha 21 Figura retirada do Livro: El Telescópio Del Aficionado, traduzido por: Jorge Lopéz. www.geocities.com/jorgealm22 22 Suporte para o teste de Foucault (suporte do espelho) Suporte para uso do teste de Foucault (suporte do espelho) 23 Detalhes de Construção do Aparelho de Foucault Figura retirada do Livro: El Telescópio Del Aficionado, traduzido por: Jorge Lopéz. www.geocities.com/jorgealm2 24 10 – Resultados: Espelhos Aluminizados (prontos para uso) 11 - Considerações Finais: Como vimos, as dificuldades existem, no entanto, o deslumbramento que causará a pessoa que se proponha a construir um espelho para seu uso particular ou de amigos, servirá de recompensa. Aqueles que se dedicarem à construção de um espelho para telescópio, não devem arrefecer quando encontrarem dificuldades no meio do serviço, é costume o principiante deparar-se com inconvenientes na execução da tarefa que abraçou. Naturalmente teremos que nos confrontar com os tratados da Ótica Geométrica, que não atenderão as nossas necessidades em geral, e sim partilhar com os conhecimentos da Ótica Física, esta sim, resolve e mostra o caminho para o final da tarefa. 25 Por isso, a construção de um espelho e da montagem do telescópio ficará mais viável do ponto de vista técnico, se o interessado detiver conhecimentos, pelo menos de nível médio. Com esse trabalho tivemos interesse em demonstrar as diversas etapas para execução dessa tarefa, a qual será muito proveitosa e gratificante. Imagine como ficará fascinado o autor dessa façanha quando olhar através do telescópio, cujo espelho foi construído por si próprio, e descobrir a separação de estrelas que jamais aconteceria sem ajuda ótica. 26 12 - Referências Bibliográficas: FARIA, Romildo P. Fundamentos de astronomia. 2ª. ed, Campinas: Papirus, 1985. GARCIA, Joaquim. Como construir um telescópio, Lisboa, 1986. MALACARA, Juan Manuel. Telescópios y estrellas. Fondo de Cultura Economica. Mexico 2000. MOURÃO, Ronaldo Rogério de Freitas. Manual do astrônomo: uma introdução á astronomia observacional e à construção de telescópios. 5ª ed. Rio de Janeiro, 2001. TEXEREAU, Jean. How to make a telescope, 2ª. ed, 1984. TEXEREAU, Jean. El telescopio del aficionado. Traduzido por Jorge López http://geocities.com/jorgealm22 OBSERVATÓRIO FENIX: http://observatoriophoenix.astrodatabase.net 27 13 - Aluminização Em Belo Horizonte: B. Riedel Ciência e Técnica Ltda. Rua João Carlos, 250 - Horto Belo Horizonte - MG Cep: 31030-360 TeleFax : 31-3461-9922 Câmara para espelhos de até 400 mm de diâmetro. São Paulo - SP Eikonal Instrumentos Ópticos Ind. e Com. Ltda. Av. Corifeu de Azevedo Marques, 1936 sala 9 - Butantã Telefone: 11-3721-4052 - Fax 11-3721-3580 Em São Paulo: Engefilm Roberto Verzini Telefone: 11-5073-9593 28