Carro com Propulsão a Jato de Ar
Autor: Thi, o Mestre | Publicado: 2015-06-01T17:53:00-03:00

Bem, amigos do Globazine, vamos chegando para mais um post espetacular e, dessa vez, vamos fazer uma coisa diferente.

No quarto post do blog, depois de sua volta, vamos mostrar o resultado de um projeto: Um Carrinho a Jato.
É incrível como podemos fazer grandes coisas com objetos comuns do dia-a-dia. Neste caso, temos um carrinho movido a propulsão de jato de ar comprimido. Vamos a descrição do projeto:


UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP

CAMPUS MARQUÊS

CURSO DE ENGENHARIA



ADIEL DAMA

ANDRÉ FERREIRA

CAIO MIRANDA

FERNANDO DOS SANTOS

GUILHERME MENEZES

HÉLIO DA SILVA

LUCAS DA SILVA

THIAGO DIAS

VICTOR SILVA





1. OBJETIVO

Projetar um carro com propulsão a jato de ar que seja capaz de transportar uma massa padrão de 4 kg, por uma distância entre 5 e 15 metros, em linha reta, em uma pista de 2 metros de largura.

2. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

2.1. Propulsão a jato

A Propulsão a Jato é o nome da reação obtida ao expelir um jato rápido de algum fluido, através de um motor, para gerar força de impulso. Essa reação está diretamente ligada a Terceira Lei de Newton e só foi possível graças a esta descoberta. O conceito é muito antigo, tendo registros desde o primeiro século depois de Cristo. O conceito só foi reconhecido como algo importante séculos depois, sendo utilizado para diversos fins.
De acordo com a Terceira Lei de Newton (ou Princípio da Ação e Reação):

“Lex III: Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sine corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi.”
Tal lei pode ser enunciada da seguinte forma:

“Se um corpo A aplicar uma força sobre um corpo B, receberá deste uma força de mesma intensidade, mesma direção e de sentido contrário.”


Figura 1: Ação e Reação


Fonte: Google Imagens, 2015

Assim, |FA-B| = |FB-A|.

Sendo assim, na Propulsão a Jato, o jato rápido do fluido, expelido através de um motor, gera uma força de impulso. A reação acaba levando o objeto para o sentido oposto ao jato, obtendo o movimento.
O conceito de Propulsão a Jato surgiu na Alexandria. Heron de Alexandria inventou o eolípila, que usava vapor expelido através de dois tubos curvados, ligados a uma esfera oca em pontos opostos, fazendo com que esta se movimentasse em torno do seu próprio eixo. O invento nunca foi aproveitado, sendo utilizado apenas a título de curiosidade.


Figura 2: Eolípila


Fonte: Google Imagens, 2015

Apenas um milênio depois, mais especificamente no século XI, na China, a Propulsão a Jato foi utilizada na invenção do foguete. Ainda sim, estes eram usados apenas para fogos de artifício. Só tempos depois que a tecnologia foi utilizada para lançar armamentos de efeito moral, ficando estagnada por séculos, sendo retomada apenas no século XX, quando foi utilizada para a propulsão de aviões e de foguetes espaciais. Os fluidos utilizados para esse fim são variados, indo do ar ao fogo.

2.2. Vazão

A Vazão é o nome dado ao processo em que o volume ou massa de um fluido escoa, por um conduto livre ou forçado, em determinado tempo. Conduto livre apresenta escoamento pela ação da pressão atmosférica, tendo, em geral, superfície livre. Já o conduto forçado escoa com pressão diferente da atmosférica.
A Vazão é uma grandeza vetorial, tendo módulo, direção e sentido. Deve ser medida usando uma unidade de volume ou massa e uma de tempo, sendo esta última comumente representada pela unidade segundos. Um exemplo de unidade de medida de vazão é a de metros cúbicos por segundo, ou simplesmente m³/s.
Assim, pode se escrever a vazão como:

Q=v.a


Onde Q é a vazão, v é a velocidade de escoamento e a é a área.

2.3. Pressão

A Pressão é o nome dado a relação que há entre uma força exercida e sua área de distribuição. Pode ser definida também como uma grandeza escalar utilizada para medir a ação de uma ou mais forças sobre uma determinada área, podendo esta ser sólida, líquida ou gasosa.
A Pressão é uma grandeza escalar. Sua unidade de medida, de acordo com o Sistema Internacional (SI), é a conhecida como pascal (Pa), ou Newtons por metro quadrado, ou, ainda, simplesmente, N/m². Outras comumente utilizadas são:

Bária: equivalente a 1 dyn, que é a força necessária para provocar uma aceleração de um centímetro por segundo quadrado em um corpo de massa igual a um grama;
Bar: que equivale a 106 bárias;
PSI: pound per square inch ou libra por polegada quadrada, equivalente a 0,07 bar;
Atm: atmosfera é a pressão correspondente a 760mm de Mercúrio, com densidade de 13,5951 g/cm³ a uma aceleração gravitacional de 9,80665 m/s².

Para efetuar a medição da pressão, são utilizados instrumentos como o Manômetro, o Piezômetro e o Barômetro.


Figura 3: Barômetro feito com uma coluna de mercúrio.


Fonte: Google Imagens, 2015

2.4. Volume

O volume é a quantidade de espaço ocupada por um corpo. Expressa a extensão de um corpo em três dimensões, sendo estas, em um paralelepípedo retangular, o comprimento T, a largura L e a altura A. Por esse motivo, usam-se unidades de medida de tamanhos cúbicos. Pode-se calcular o volume de um paralelepípedo retangular obtendo o produto destas três medidas, sendo:


V=T.L.A

A unidade de medida utilizada pelo Sistema Internacional (SI) é o metro cúbico, ou simplesmente m3. Ainda sim, a forma mais utilizada para se referir ao volume é o litro, que equivale a 0,1 m³.
Para outras formas geométricas tridimensionais existem outras fórmulas para calcular o volume, entre elas está a:

Do cilindro: o produto de pi pelo produto do quadrado do raio pela altura;
Da esfera: o produto do quarto terço de pi pelo cubo do raio;
Da pirâmide: o produto da terça parte da área da base pela altura;


3. ETAPAS DE CONSTRUÇÃO

3.1. Chassi e Rodas

O Projeto foi iniciado com a confecção do chassi do carro. Nele foi utilizada madeira, parafusos e cola. Esse processo foi feito em uma marcenaria, utilizando as dimensões indicadas, de 70cm de comprimento, 50cm de largura e 25cm de altura.
O próximo passo foi incluir as rodas. Foram utilizadas rodas de patins de 82A de gel, para que o carro deslizasse mais facilmente, tendo menos atrito com o solo. Essa inclusão também foi feita na marcenaria, para que se tivesse a melhor precisão no eixo das rodas, que também foi feito em madeira.


Figura 4: Rodas ainda nos patins


Fonte: FERREIRA, André R.; 2015


Figura 5: Chassi com as rodas instaladas


Fonte: SILVA, Hélio R.; 2015

3.2. Válvula

Após a montagem do chassi, foi imbutida a válvula de bloqueio com engate rápido (pneumático) de 6 mm. Para tanto, foi feita uma abertura no centro da traseira do carro e encaixada a válvula, sendo utilizada uma abraçadeira tipo U para cano ½’’, que foi parafusada junto ao chassi.


Figura 6: Válvula instalada




Fonte: MIRANDA, Caio S M; 2015

3.3. Reservatório de Ar Comprimido

Em seguida, foi montada a estrutura do reservatório, sendo esta composta por garrafas PET de Coca-Cola. Foram utilizadas quatro garrafas de 2,5 litros na camada inferior e três garrafas retornáveis de 2 litros na camada superior. Foram utilizados 2,5 metros de mangueira Pu de 6 mm para fazer a conexão entre a válvula e as garrafas. Na conexão com as garrafas, foi feita a abertura de uma fenda de 6 mm, utilizando uma chave de fenda aquecida. Para evitar a vazão do ar comprimido, foi acrescida cola epox nas partes exterior e interior das tampas das garrafas. Já a conexão com a válvula foi feita utilizando um coletor de seis saídas. Foi utilizado, ainda, um bifurcador para derivar a mangueira para mais uma garrafa. As garrafas foram fixadas a estrutura com cola de silicone.


Figura 7: Garrafas secando após aplicação de cola epox.


Fonte: MIRANDA, Caio S M; 2015


Figura 8: Carro com as garrafas instaladas, dexafixadas e com carenagem incompleta.


Fonte: DIAS, Thiago F N; 2015

3.4. Carenagem

A carenagem foi composta de madeira e papelão.


Figura 9: Carro finalizado


Fonte: FERREIRA, André R; 2015

O processo todo durou 2 semanas.

4. CÁLCULOS UTILIZADOS

4.1. Área ocupada pelo protótipo:

Comprimento T = 70 cm
Largura L = 50 cm
A=T.L
A=70x50
A=3500 cm² → 0,35 m²

4.2. Área ocupada pelas garrafas inferiores

Altura hgarrafa = 35,1 cm
Largura Lgarrafa = 11,1 cm
Agarrafa=hgarrafa.Lgarrafa
Agarrafa=35,1x11,1
Agarrafa=389,61 cm² →&nbsp;0,039 m²

Atotal=hgarrafaxLgarrafax4
Atotal=35,1x(11,1x4)
Atotal=35,1x44,4
Atotal=1558,44 cm² → 0,156 m²

5. RESULTADOS DOS TESTES PRELIMINARES

O primeiro protótipo do carro foi finalizado em duas semanas. Quando posto em teste, foi constatado vazamento do ar comprimido através das 3 garrafas retornáveis de 2 litros, devido a pouca vedação de cola epox, que neste protótipo foi colocada apenas na parte superior da tampa. Ainda sim, com vazamento nessas 3 garrafas e com 4 garrafas de 2,5 litros bem vedadas, utilizando 40 PSI, o carro andou aproximadamente 5 metros com massa de 4 kg, em uma superfície com ângulo aproximado de 20 graus, seguindo a direção de subida na mesma.
No segundo protótipo, foi corrigida a vazão nas garrafas retornáveis, fazendo com que o carro percorresse mais de 15 metros em superfície plana, com massa de 4 kg, e sem vazão nas 7 garrafas.

6. PLANILHA DE CUSTOS DO PROJETO





Descrição
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;

Custo



Montagem do chassi e eixos do carro, e madeira utilizada

R$

150,00


Válvulas, braçadeira, registro e espigão

R$

61,00


Mangueiras, coletores, bifurcador e engate

R$

31,00


Tintas e cola epox

R$

35,00


Total

R$

277,00




7. CONCLUSÃO

Conclui-se que a propulsão a jato é uma ótima maneira de mover qualquer objeto. Tendo-se um reservatório, preenchido por algum flúido, com certa pressão para que haja uma certa taxa de vazão, é possível mover um objeto por um espaço físico durante um espaço de tempo.
A propulsão a jato é uma forma de mover um objeto utilizando-se algum flúido pressurizado. É uma forma relativamente antiga e vem sendo muito usada principalmente nas tecnologias espaciais e aeroespaciais.
A vazão é o nome dado ao processo em que um volume escoa por certo período de tempo através de um conduto. Essa forma de medida é utilizada na propulsão a jato e também em outras áreas, como a hidráulica.
A pressão é a relação entre uma força exercida e sua área de distribuição. Está presente em toda a parte, podendo ser citado como exemplo a pressão exercida pela atmosfera sobre qualquer corpo que esteja na terra.
O volume é a medida de espaço que um corpo ocupa. Toda a matéria ocupa um espaço, portanto, toda matéria possui volume.
Enfim, na propulsão a jato, utiliza-se a vazão para determinar o tempo em que haverá impulso sobre o objeto; a pressão, para determinar qual será a taxa de vazão; e o volume, para que haja pressão no reservatório e vazão pelo conduto.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BATISTA, Diego. Jornal Livre – Seu artigo na web. O que é volume na física? Postado em 13 Ago. 2008. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Conceito.de. Conceito de Volume. Acessado em: 03 Mai. 2015.


COSTA, Raimundo N Távora. Universidade Federal do Ceará. Departamento de Engenharia Agrícola. Hidráulica Aplicada – AD - 0195. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Dicionário inFormal. Vazão. Acessado em: 03 Mai. 2015.


MACIEL, Marcelo. Marcelo Maciel. Carro a Jato: A Competição.&nbsp;Acessado em: 04 Mai. 2015.


Significados: descubra o que significa,conceitos e definições. Pressão. Acessado em:
03 Mai. 2015.


SILVA, Marco Aurélio da. Brasil Escola. Terceira Lei de Newton. Acessado
em: 03 Mai. 2015.


VIGNON, Luana. Site de Curiosidade. Propulsão a Jato. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Wikipédia, a enciclopédia livre. Atmosfera (unidade). Acessado em: 03 Mai. 2015.


Wikipédia, a enciclopédia livre. Dina. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Wikipédia, a enciclopédia livre. Leis de Newton – Terceira Lei de Newton. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Wikipédia, a enciclopédia livre. Motor a Reação. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Wikipédia, a enciclopédia livre. Pressão. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Wikipédia, a enciclopédia livre. Vazão. Acessado em: 03 Mai. 2015.


Wikipédia, a enciclopédia livre. Volume. Acessado em: 03 Mai. 2015.