Underwriters Laboratories fez pesquisa básica no campo da segurança e publicou os resultados dessa pesquisa em uma série de “Bulletins of Research”. Foram publicados pelo menos 58 boletins relacionados a incêndio, explosão e choque elétrico. Um desses boletins, “Choque Elétrico como Pertencente à Cerca Elétrica”, é um documento clássico no campo da segurança de produtos. A pesquisa foi realizada entre 1936 e 1939 pelo Barão Whitaker, Engenheiro Elétrico Assistente da UL. A Whitaker acabou ascendendo à presidência da UL.
Whitaker, a pesquisa continua até hoje. Embora pesquisas similares tenham sido feitas em apoio às publicações IEC modernas, tais pesquisas geralmente são publicadas apenas em artigos do comitê IEC e geralmente são altamente focadas no padrão específico ou relatório que o IEC está tentando escrever.
Este Boletim de Pesquisa da UL sobre o cercado elétrico contém muitas informações que se aplicam a muito mais do que apenas o cercado elétrico. É por isso que é um trabalho clássico.
INTRODUÇÃO
Whitaker introduz a sua pesquisa descrevendo o cercado eléctrico: “Uma das mais recentes e inovadoras aplicações da electricidade nas zonas rurais de hoje é o cercado eléctrico. Fisicamente, o cercado elétrico difere do tipo convencional de cerca de arame farpado ou de arame trançado por ser de construção mais simples (geralmente tendo um arame) e não requer a resistência mecânica ou estabilidade dos tipos mais antigos. Funcionalmente, é diferente na medida em que controla os animais por meio do medo e não pela força ou pela dor. O cercado eléctrico é composto por duas partes distintas, nomeadamente, o fio do cercado, e o controlador eléctrico que fornece a energia eléctrica ao fio do cercado”
POSIÇÃO E CONDIÇÕES
Whitaker estudou relatos de acidentes com cercados eléctricos envolvendo tanto choques eléctricos como morte provocada por choque eléctrico. Com base em seu estudo, ele limitou sua pesquisa afirmando que o cercado elétrico deveria ser seguro para uma criança de dois anos de idade, “…descalço, em pé numa piscina de água ou lama, e caindo ou agarrando o arame com duas mãos molhadas ou suadas, sendo o arame, até onde a criança sabe, um arame comum de cercado não eletrificado”
(Anecdotally, um colega, cuja casa é uma fazenda e usa cercados elétricos, relatou que estas foram as condições sob as quais sua esposa resgatou sua filha!)
A partir destas condições, Whitaker quis determinar o valor máximo de corrente, tanto para ac como para dc, a frequência, e a duração que “pode ser considerada como não sendo perigosa para a vida humana”.”
O Whitaker comprometeu-se a determinar os valores para:
- Resistência eléctrica do corpo
- Tensão de circuito aberto
- Efeitos de dc, dc interrompido, ac, e frequência de ac
- A corrente máxima e duração que não causará lesões corporais
- O tempo mínimo de descanso
A NATUREZA DO CHOCK ELÉCTRICO
Whitaker pesquisou as várias causas de morte por energia eléctrica. Ele encontrou cinco causas diferentes:
- Parálise dos músculos respiratórios, produzindo morte por asfixia
- Hemorragia, produzida pelo aumento da pressão sanguínea durante a passagem da corrente eléctrica
- Insuficiência cardíaca, produzida por fibrilação ventricular
- Insuficiência respiratória, produzidas por inibições nervosas ou danos reais ao sistema nervoso
- Queimaduras da pele e da carne, com complicações resultantes
A pesquisa do Whitaker foi orientada para a prevenção de uma ou mais destas lesões. Ele não tratava da prevenção da sensação ou prevenção da ação reflexiva, como fazemos nos produtos de hoje. Além disso, os fabricantes de vedações elétricas afirmaram que uma vedação eficaz deveria fornecer corrente suficiente para causar contração muscular, e que o período “off” deveria ser o mais curto possível.
Resistência elétrica corporal
Whitaker inicia sua consideração da resistência corporal com a afirmação, “Necessário para o estabelecimento das características de operação segura dos controladores de cerca elétrica é uma consideração do corpo humano como condutor de eletricidade”
Whitaker inicia uma série de testes na UL para medir a resistência corporal. A Whitaker afirma que “a pele externa… oferece a maior resistência…” e que a alta voltagem de um controlador de cerca quebra a resistência da pele. Mas, o Whitaker não podia aplicar alta voltagem, com corrente ilimitada, aos seus sujeitos para “quebrar” a resistência da pele. Portanto, as experiências de Whitaker incluíram molhar as mãos e pés de seus sujeitos com 20% de solução de cloreto de sódio.
Com área constante, pressão constante e mãos molhadas, Whitaker descobriu que a resistência corporal era independente da corrente, quando a corrente estava na faixa de 1 a 15 miliamperes.
A configuração do teste de Whitaker era composta de uma fonte de 12 volts dc (células secas), um potenciômetro, um voltímetro e um amperímetro. Os eletrodos manuais eram fios AWG nº 10. O eletrodo de pé era uma placa de cobre quadrada de 14 polegadas. O potenciômetro foi ajustado para 5 miliamperes para adultos e 1 miliamperes para crianças. A voltagem através do sujeito foi medida e a resistência calculada.
Whitaker mediu 40 adultos e 47 crianças (3 a 15 anos de idade). Ele descobriu que, para adultos, “não há tendências ou relações entre a resistência corporal dos indivíduos e seu sexo, idade, altura ou peso”. Eu forneci histogramas das várias medidas de Whitaker nas Figuras 1 e 2.
Figure 1
Figure 2
Destes dados, ele concluiu que “a menor resistência corporal que poderia ser considerada em conexão com a aplicação da cerca elétrica não seria inferior a 500 ohms”.”
(Em um Boletim de Pesquisa posterior, esses mesmos dados são usados por Karl Geiges para desenvolver o infame medidor de corrente de fuga. Vou rever o trabalho de Geiges em um número futuro.)
VOLTAGE
Whitaker necessário para determinar dois fatores com relação à tensão:
- Se a corrente de saída é limitada, a tensão de circuito aberto precisa ser controlada?
- Se a corrente de saída não é limitada, qual é a tensão máxima de circuito aberto?
Whitaker determinou que a tensão máxima segura (de uma fonte de tensão onde a corrente de saída não é limitada) seria aquela tensão que não causou lesões corporais e permitiu que o indivíduo se libertasse da cerca.
Whitaker relata uma série de testes, realizados na equipe da UL durante 1930, que, por acaso, registrou a tensão que um indivíduo poderia suportar e ainda ter o controle voluntário de seus músculos. A partir destes dados, a voltagem mínima foi de 20 volts rms.
Whitaker também relata testes da International Harvester Co. onde a voltagem foi conectada a um balde cheio de água e a um eletrodo de mão segurado pelo sujeito. O sujeito foi então solicitado a recuperar um objeto imerso no balde. A International Harvester descobriu que a tensão máxima para recuperar o objeto era de 12 a 20 volts.
Whitaker concluiu que “a tensão de circuito aberto não precisa ser limitada desde que o dispositivo incorpore características inerentes de limitação de corrente”.
No entanto, “onde nenhuma característica inerente de limitação de corrente é incorporada no dispositivo, a tensão máxima segura… não deve exceder 12. Isto baseia-se na teoria de que um potencial de 12 volts ou menos raramente, ou nunca, causará uma quebra da resistência da pele suficiente para permitir um fluxo de corrente através do corpo de tal intensidade que cause falta de controlo muscular ou lesões físicas à pessoa.”
FREQUÊNCIA
Whitaker relata que “a principal diferença no efeito físico da corrente direta, ao contrário da corrente alternada, é que a corrente direta não causa contração dos músculos na medida associada à corrente alternada”
Whitaker também observa que Kouwenhoven e d’Arsonval constataram que à medida que a freqüência aumenta, a corrente também deve aumentar para ter o mesmo efeito fisiológico.
>
Não obstante, Whitaker conclui que “não há nenhuma justificativa presente para permitir maiores valores de corrente… independentemente da frequência empregada”.”
CURRENTE
Dos mesmos dados onde Whitaker determinou a tensão máxima e de outros dados, Whitaker determinou que os valores mínimo e máximo nos quais os indivíduos retêm o controle voluntário da musculatura foram cerca de 6 miliamperes e 20 miliamperes, respectivamente.
Whitaker também estudou os resultados dos testes de corrente fibrilante em cães e ovelhas, pois os corações destes animais foram considerados como tendo a mesma resposta ao estímulo que os humanos. A partir dos testes em ovelhas e porque as ovelhas têm pesos de corpo e coração semelhantes aos humanos, Whitaker determinou que a corrente fibrilante mínima é diretamente proporcional ao peso corporal e ao peso cardíaco.
Outros estudos de dados de testes em ovelhas mostraram que a fibrilação foi uma função da fase do ciclo cardíaco no momento em que o choque ocorreu, e uma função da duração do choque. Whitaker descobriu que a fibrilação para um choque de 0,1 segundo de duração, requeria 10 vezes a corrente como para um choque de 3 segundos de duração.
Whitaker então traçou correntes de fibrilação de 3 segundos para diferentes animais adultos em função do peso corporal e do peso cardíaco. O Whitaker então assumiu que o valor mínimo de tal curva representava o homem. Whitaker também assumiu que a corrente fibriladora mínima para diferentes pesos do corpo e do coração é uma razão constante, desde que a duração do choque seja a mesma porcentagem do ciclo cardíaco, e o choque seja iniciado no mesmo ponto do ciclo cardíaco.
Usando essas suposições e dados, Whitaker determinou que a corrente fibriladora mínima de 3 segundos para o peso corporal de 125 libras é de 126 miliamperes, e para o peso corporal de 20 libras é de 31 miliamperes. (Vinte libras é tomado como o peso médio de uma criança de dois anos)
Usando esses números, Whitaker determinou a razão 31:126 para correntes fibrilantes mínimas para pesos de 20 e 125 libras.
Usando essa razão, e contabilizando a porcentagem do tempo para um batimento cardíaco completo, para peso corporal e para peso cardíaco, Whitaker foi capaz de construir uma “Curva Derivada do Tempo de Contato versus Corrente Fibrilante Mínima para uma Criança de Dois Anos”. Esta curva aproximou-se de uma hiperbola rectangular. Veja o “Gráfico 3” de Whitaker na Figura 3.
Figure 3
Nexterior, Whitaker fixou arbitrariamente a corrente máxima em 65 miliamperes, a saída máxima em 4 miliamperes-segundos e o período máximo “on” em 0,2 segundos. Esta curva “Tempo de Contato versus Corrente Permitida” foi um fator de 6 a menos do que a curva de corrente mínima fibrilante. Veja o “Gráfico 4” de Whitaker na Figura 4.
Figure 4
Whitaker concluiu que:
- a corrente máxima contínua segura é de 5 miliamperes, e
- a duração máxima de qualquer corrente não deve exceder a curva de 4 miliamperes-segundo.
PERÍODO DE DESLIGAÇÃO
Na época da pesquisa da Whitaker, os controladores de cerca forneceram choques sucessivos a intervalos de cerca de 1 segundo. A Whitaker precisava determinar o período mínimo “off” que permitiria que um indivíduo se libertasse da cerca.
UL conduziu testes onde uma tensão foi subitamente impressa em um indivíduo, e o tempo de liberação foi registrado. Este teste foi considerado uma reação “involuntária”. Whitaker observou que o tempo para perceber a sensação é inversamente proporcional à intensidade do estímulo.
Whitaker também estudou outros testes de tempo de reação. A maioria desses outros testes foi para reação “voluntária” a estímulos como o tato, visual ou auditivo. Whitaker também observou que a contração muscular associada ao dc tendia a jogar a vítima do condutor, enquanto que a contração muscular associada ao ac tendia a ser impossível de deixar ir.
Por isso, Whitaker concluiu que o período “off” para os controladores de ac deveria ser 0.90 segundos, e para os controladores dc deveria ser 0,75 segundo.
FRIGHT
Whitaker também investigou se o susto gerado pelo contato inadvertido com uma cerca “segura” poderia afetar adversamente o coração ou desencadear a fibrilação. As autoridades médicas que ele consultou não foram capazes de prever tal evento. Uma autoridade chegou ao ponto de dizer que um choque tão fraco não foi capaz de causar nem medo nem surpresa.
Eu sugiro que há algumas lições a serem aprendidas com o trabalho de Whitaker. Primeiro, a Whitaker concentrou-se nos vários ferimentos causados pelo choque eléctrico em vez de se concentrar no cumprimento das normas. É claro que não havia normas naquela época. Hoje, quando analisamos uma nova situação de segurança, parece que o fazemos com referência a uma norma e não à lesão.
Segundo, a Whitaker fez muitas medições, mas usou apenas os valores mínimos, no pior dos casos, encontrados. Este tipo de pessimismo é verdadeiramente necessário no campo da segurança. Eu acho que com muita freqüência nós tendemos a usar distribuições de probabilidade e normais ao invés de valores de pior caso.
Terceiro, Whitaker faz muitas suposições e decisões arbitrárias, especialmente em relação a animais representando humanos. Sugiro que devemos ter em mente que os valores apresentados pela Whitaker não são precisos. Muitos outros dos valores que usamos no campo da segurança são igualmente imprecisos, mas tratamo-los como se fossem precisos.
Finalmente, acho que já não fazemos essa pesquisa. Um colega, J. F. Kalbach, cunhou um termo, BOGSAT, que significa “Bunch Of Guys Sitting Around Talking” para descrever como uma determinada curva foi outrora desenvolvida. Não havia engenharia ou base física para a curva. Pura e arbitrariamente. Sugiro que as nossas normas de segurança contenham demasiados requisitos do processo BOGSAT.
ACKNOWLEDGMENTS
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, deixou cair uma cópia deste Boletim UL na minha mesa, perguntando se eu o tinha lido. Eu tinha visto e lido o Boletim há muitos anos atrás, então a cópia ficou na minha mesa por muitos meses. Eventualmente, peguei nele e comecei a lê-lo. Fiquei impressionado com o trabalho, e pensei em revê-lo para si.
Eu também quero agradecer ao Henry Jones, um consultor de segurança de produtos, pelos seus comentários sobre cercas elétricas. Obrigado também a Tim Kramer da Hewlett-Packard Company por preparar os histogramas de resistência corporal.
Richard Nute é um consultor de segurança de produto engajado no projeto de segurança, fabricação de segurança, certificação de segurança, normas de segurança e investigações forenses.
Foto de Tomás Fano 