O que é a Dissipação?

Falando sobre a instrumentação baseada em QCM, muitas vezes se encontra os conceitos de ‘dissipação’ ou ‘amortecimento’. O que significam estes conceitos, e porque são relevantes?

Dissipação, amortecimento e perda de energia

‘Dissipação’, ou “dissipação de energia”, para ser mais preciso, referem-se à energia que é perdida do sistema em estudo. O QCM é um oscilador harmônico e como todos os osciladores do mundo real, ele é amortecido.

Um oscilador que não é forçado a oscilar por uma força externa, ele irá gradualmente oscilar com amplitude cada vez menor e, eventualmente, a oscilação irá extinguir-se. Este amortecimento da amplitude de oscilação que estamos considerando aqui vem de perdas por fricção, que podem ser fricção interna no próprio oscilador ou no meio ambiente (ar, água, etc). O atrito faz com que a energia oscilatória seja dissipada como calor, daí o nome Dissipação.

Dissipação contém informação sobre o material em estudo

No caso do QCM, as perdas de energia induzidas terão origem principalmente em materiais em contacto com a superfície oscilante do sensor. Todo o material em contato com a superfície induzirá perdas de energia. O fenômeno é particularmente pronunciado na presença de líquidos a granel ou na deposição de filmes moles. Durante a oscilação, líquidos e filmes macios em contato com a superfície serão deformados, o que resulta na perda de energia do sistema. Quando a superfície do sensor está em contato com o ar ou vácuo, as perdas de energia induzidas são comparativamente pequenas. O mesmo vale para as perdas induzidas pela deposição de camadas finas e rígidas. As camadas finas e rígidas não se deformam durante a oscilação e as perdas são, portanto, menores do que as perdas induzidas por camadas macias e/ou espessas. Consequentemente, uma alta dissipação indica que temos material macio ou viscoso em contato com a superfície, enquanto uma baixa dissipação indica que o material na superfície é rígido e segue a oscilação.

A definição e a relação entre a dissipação e o fator Q

Um parâmetro importante descrevendo as características de um oscilador é o fator de qualidade, ou fator Q. Este é um parâmetro sem dimensões que descreve o amortecimento da oscilação em ressonância, relacionando a quantidade de energia armazenada com a quantidade de energia perdida. A dissipação, D, que é o inverso do fator Q, é a soma de todas as perdas de energia no sistema por ciclo de oscilação. Também pode ser definida como a energia dissipada por oscilação, dividida pela energia total armazenada no sistema.

Q = 2π ⋅ (energia armazenada)/(energia perdida por ciclo) = 1/D (1)

Como se pode concluir a partir de Eq. 1, um alto fator Q indica que a perda de energia é pequena e que a oscilação persistirá por um longo tempo, e vice-versa, Figura 1. Quanto maior o Q menor o amortecimento e mais longa a oscilação continuará.

Figure 1. No caso de um diapasão (esquerda), a dissipação é baixa, e a oscilação persistirá por muito tempo. No caso da gelatina, a dissipação de energia é maior, e a oscilação desaparecerá mais rapidamente.

Download the overview to learn more about the dissipation