Foguete garrafa pet

Prévia do material em texto

FACULDADE PITÁGORAS
CURSO ENGENHARIA CIVIL
MYRLEN ALESSANDRA LIMA VIANA
FOGUETE DE GARRAFA PET
SERRINHA BA
2021
MYRLEN ALESSANDRA LIMA VIANA
FOGUETE DE GARRAFA PET
Trabalho apresentado ao Curso Engenharia Civil da Faculdade Pitágoras para obtenção de nota.
Prof. Daiany Ramos, Jenai Cazetta, Eduardo Moreira, Helenara Figueiredo, Adriane Loper.
Orientador Bruno Nolepa
	
SERRINHA BA
2021
SUMÁRIO
1	INTRODUÇÃO	4
2	DESENVOLVIMENTO	5
 2.1 Aspectos teóricos	5
2.2 Desenvolvimento do protótipo	6
2.3 Resultados	7
2.4 Cálculo do volume	9
2.5 Materiais para construção do foguete(polímeros)	10
2.6 Materiais e métodos	13
3	CONCLUSÃO	18
REFERÊNCIAS	19
INTRODUÇÃO
Esse portfolio tem por finalidade consolidar assuntos teóricos das matérias estudadas no terceiro semestre do curso de engenharia civil. Para criação e realização da atividade fez-se necessário a utilização de cinco matérias vistas no decorrer do semestre, sendo elas: Calculo diferencial e integral II, Física geral e experimental: mecânica, Ciência dos materiais, Geometria analítica e álgebra vetorial, Algoritmo e lógica de programação.
O estudo relaciona todas as matérias citadas acima e foi aplicado na construção e lançamento de um foguete utilizando garrafas pet de refrigerante de 2 litros, bem como na organização de um propulsor que produziu energia suficiente para decolagem do projétil possibilitando a extração de dados para comprovar as teorias estudadas. O sistema de propulsão escolhido funciona a base de água e ar comprimido.
As teorias físicas aparecem através do propulsor, aplicamos as teorias, em sistema ideal, do movimento de um fluido perfeito, através do uso da equação de Bernoullie pela equação de continuidade e expansão adiabática de um gás ideal. Além disso, o estudo de outros fatores que auxiliam na estabilidade e direção do foguete durante o seu voo como: pressão, centro de massa e outros assuntos envolvendo a terceira lei de newton, momento linear e a velocidade relativa.
Durante o processo de realização dos experimentos foram coletados dados como energias envolvidas, distância percorrida, velocidade inicial e altura máxima.
DESENVOLVIMENTO
2.1 Aspectos teóricos 
O experimento pode ser explicado pelo mesmo mecanismo de uma garrafa de champagne, pois ao agitar a garrafa, um gás é liberado aumentando a pressão até o momento em que a rolha é retirada e a bebida sai. No caso do foguete de garrafa pet, utilizamos a liberação da pressão interna da câmara de propulsão gerada a partir da compressão do ar e da água.
Primeiramente, para garantir que o foguete não perca o controle durante o seu voo, foi preciso pensar sobre o designe do mesmo, dependendo de dois pontos extremamente importantes: o centro de pressão e o centro de massa.
O centro de pressão (CP) consiste em um ponto onde ocorre a atuação da resultante das forças aerodinâmicas, as quais o foguete está sujeito. 
Já o centro de massa (CM) é um ponto que todo corpo possui e pode ser encontrado através de alguns cálculos(equação1) ou tentando equilibrar o projetil sob uma régua 
Equação 1- cálculo de centro de massa
Na equação 1, yi simboliza a distância de um ponto até a base do foguete, mi é a massa desse ponto e é a massa total do foguete.
O foguete manterá a sua estabilidade se o Centro de pressão estiver abaixo do centro de massa em até 1,5 cm para que possa existir correção por parte do CP caso a garrafa venha a sair do eixo, se o CP estiver acima do CM e o foguete sair do eixo o centro de pressão irá aumentar o desvio e o projetil não subirá bem. O centro de massa deve estar próximo a ponta do foguete para que, mesmo o foguete em turbulência que gerem forças laterais, a trajetória estará estabilizada.
As aletas também são muito importantes, pois elas auxiliam o foguete a manter o controle e a estabilidade, fazendo com que o projetil siga sua rota projetada em linha reta ou girando.
Dessa forma conseguiremos manter a estabilidade do corpo durante todo o seu voo, logo em seguida precisamos compreender como funciona a propulsão do foguete que é dada através das leis de Newton e pelo empuxo.
O funcionamento desse foguete se baseia na Terceira Lei de Newton que diz “para cada ação, há uma reação de intensidade igual e de oposto sentido”. Isso significa que quanto mais água for expelida e quanto mais rápido isso acontecer, maior será a reação do projetil. Utilizamos o empuxo para fazer o foguete subir, pois o ar comprimido empurra a água para fora, causando uma reação no sentido oposto. O empuxo vai depender, então, da velocidade com que a água é expelida e da abertura do bocal de saída. 
Pela Primeira Lei de Newton, a lei da inercia, diz que um corpo continuará parado ou em movimento até que uma força externa atue sobre ele. Ou seja, uma garrara mais cheia possui mais resistência pois, possui mais massa, dando mais trabalho para o vento mudar o seu curso, já uma garrafa menos cheia, possui menos massa, logo, possui menos resistência e o vento com pouco trabalho consegue mudar seu curso. 
E pela Segunda Lei de Newton, explica que a força corresponde a massa vezes a aceleração, ou seja, quanto maior a massa desse projetil menor será a sua aceleração.
2.2 Desenvolvimento do protótipo 
O foguete construído para realizar os testes contava com materiais recicláveis e possíveis de encontrar facilmente, como a garrafa pet usada para construção do foguete. Para a propulsão de um foguete de garrafa pet é necessário três dispositivos: uma bomba de ar, o disparador e o foguete de garrafa.
Com esses dispositivos acoplados na base de PVC basta colocar aproximadamente 1/3 do volume da garrafa de água. A seguir, com a bomba, adiciona ar dentro do projetil. Em seguida aciona o disparo. A água é expelida impulsionando o foguete em direção oposta com grande velocidade.
2.3 Resultados
Para os experimentos realizados e descritos considerou-se a massa do foguete: 410g e os ângulos de lançamento: 30◦, 45◦ e 90◦
Não foi possível aferir a pressão pois não possuía o instrumento de medição. 
Dados coletados
Tabela 1:Lançamento obliquo do foguete
	 (Ângulo de lançamento)
	Volume inicial do foguete(ml)
	Variação de tempo (s)
	Pressão media 
	Alcance (x)(m)
	30◦
	500
	1,0
	Não mensurada
	4,5
	30◦
	750
	1,5
	Não mensurada
	13,5
	45◦
	500
	5,0
	Não mensurada
	24
	45◦
	750
	6,0
	Não mensurada
	30
	90◦
	500
	3,6
	Não mensurada
	5,7
	90◦
	750
	4,0
	Não mensurada
	7,5
Resolução dos Cálculos de velocidade inicial:
45◦- 500 ml
0= .0,707 – 9,81.5
=49,05/0,707
=69,37m/s
45◦ - 750ml
0=.0,707 – 9,81 .6
=83,2m/s
30◦ – 500 ml
0=.0,5 -9,81 .1
=19,6m/s
30◦- 750ml
0= .0,5 – 9,81.1,5
=29,4m/s
90◦ -500ml
0=.1 – 9,81.3,6
=35,32 m/s
90◦- 750 ml
0=.1 – 9,81.4
=39,24 m/s
Altura máxima
45◦-500ml
Y=
Y= 2405,37/19,62
Y=122,59m
45◦- 750ml
Y=176,35m
30◦-500ml
Y= 4,89m
30◦-750ml
Y= 11,02m
90◦-500m
Y= 63,58
90◦- 750ml
Y=78,48m
Tabela 2: as alturas máximas 
	Ângulo de lançamento
	Volume inicial do foguete(ml)
	Altura máxima (y)(m)
	30
	500
	4,89
	30
	750
	11,02
	45
	500
	122,59
	45
	750
	176,35
	90
	500
	63,58
	90
	750
	78,48
 Após análise dos dados, podemos dizer que o melhor ângulo de lançamento de um foguete é o ângulo de 45◦ e o ângulo de 90◦ é o ângulo que possui o maior alcance vertical.
2.4 Cálculo do volume
Inserindo o conjunto de eixos de forma que a origem do sistema se encontre no centro da base do cilindro e o eixo x seja perpendicular a base do cilindro, temos que a secção obtida é um círculo, paralelo a base, cujo a área é .
Logo, o volume do cilindro é dado pela fórmula:
 
Baseando-se nisso podemos calcular o volume do corpo do nosso foguete:
V= (3,14∙10)
V= (3,24∙25∙10)
V= (3,14 ∙250)
V= 785
Dados retirados de uma garrafa de Coca-Cola.
Para a ponta do foguete, colocamos o sistema de eixos de forma que a origem do sistema esteja no vértice do cone e o eixo x seja perpendicular a base do cone, temos que para cada corte feito de forma transversal a altura h, teremos que a secção obtida é um círculo paralelo a base cujaárea é .
Ao examinar o corte longitudinal por semelhança de triângulos, podemos dizer que:
E a partir disso y=,ou seja:
A(x)=π
O volume da ponta desse foguete é dado por
V= 
V= 
V= 261,66.
1.5 Materiais para construção do foguete(polímeros)
Um monômero é uma molécula que forma a unidade básica dos polímeros, que são blocos de construção das proteínas. 
Os monômeros se ligam uns aos outros monômeros para formar moléculas de cadeias repetidas através de um processo conhecido como polimerização.
O monômero é uma estrutura ou uma unidade repetitiva dentro de um tipo de molécula grande conhecida como polímeros 
Os polímeros são macromoléculas geradas através da união de monômeros que podem ser iguais ou diferentes. Eles estão presentes na maior parte dos produtos utilizados pelo ser humano e podem ser naturais (como carboidratos e proteínas) ou pode ser sintético (como as garrafas pet, o pvc e o teflon).
O politereftalo de etileno, também conhecido como PET é um tipo de plástico que é formado a partir da união de dois monômeros diferentes a partir da eliminação de uma molécula de água e sua principal característica é ser um tipo de polímero sintético capaz de ser modificado por meio de um aquecimento prosseguido de um resfriamento, condição conhecida como termoplástico.
Os materiais plásticos são modificados por meio de um processo de moldagem quente ou por extrusão. A extrusão em maior parte dos casos fornece produtos intermediários para serem processados futuramente.
Os materiais plásticos podem ser modelados em diferentes processos de transformação, sendo os principais detalhados abaixo. Processos mecânicos de modelagem, onde inúmeras resinas poliméricas em formato de grânulos, matéria-prima, depois que elas são aquecidas podem ser transformadas pelos métodos de: 
Extrusão: há o amolecimento da matéria-prima e sua saída será forçada por uma matriz instalada no equipamento denominada de rosca extrusora, fazendo um produto que conservará a sua forma após o resfriamento. Esse método é utilizado na fabricação de produtos flexíveis com embalagens, sacolas e bobinas 
Sopro: amolecimento da matéria-prima por meio do calor no canhão da extrusão graças a uma matriz e, ou uma fieira, criando uma mangueira. Quando esse molde fecha sobre esta mangueira é colocado uma agulha por onde o ar será soprado, obrigando o material a ocupar as paredes do molde formando a peça. Assim que ocorre o resfriamento da peça pode ser extraída.
Injeção: A matéria prima é amolecida através do calor existente dentro do cilindro de injeção sob pressão é injetada através de canais de injeção do modelo para o interior das cavidades e essas por sua vez reproduzem o material a ser fabricado.
Laminação: este processo é feito com superposição de materiais como metais, papelão e papel, devidamente tratados com resinas termoplástica, formando um “sanduiche” que será prensado e aquecido, proporcionando aderência das camadas resultando em um produto muito resistente.
Fundição: quase sempre utilizado para a fabricação de protótipos. Consiste no despejamento de resina liquida acrescida de outras substancia que tem a função de promover o endurecimento dentro de um molde.
Compressão: moldar os produtos partindo do aquecimento de pré-formas ou diretamente do pó. Usada para modelagem de materiais termofixos.
O comportamento mecânico de um dado material é caracterizado pela reação que este apresenta quando é submetido a tensão ou deformação. Os polímeros se caracterizam por apresentar um comportamento intermediário entre o liquido viscoso e o solido elástico, a depender da temperatura e da escala de tempo do experimento. As propriedades mecânicas podem se caracterizar por inúmeros tipos de ensaio. Testes destrutivos, estáticos, dinâmicos, não-destrutivos, de curta duração e de longa duração. Uma curva de tensão vs deformação é uma forma de representar alguns desses ensaios. Para analisar os ensaios mecânicos em geral, alguns parâmetros são muito importantes como o modulo de Young, tensão e deformação no escoamento, tensão máxima, tensão e deformação na ruptura e tenacidade.
Como estamos trabalhando com o PET, foram feitos estudos através de ensaios de tração, de flexão e de impacto comparando o politereftalo de etileno com o PEN e com blendas poliméricas PET e PEN. Esses ensaios foram realizados por meio de corpo-de-prova em temperatura ambiente.
Nos dias atuais, há um interesse maior das comunidades cientificas pelo desenvolvimento cientifico e tecnológico de materiais poliméricos com destino a alimentação e a área de embalagens. Na maioria das vezes que são realizados trabalhos com PET não é mencionado se o polímero utilizado é um homopolímero ou um copolímero. Nesse segmento de mercado, o politereftalo de etileno especificado industrialmente como “PET grau garrafa”, geralmente possui viscosidade intrínseca 0,78 (para garrafas descartáveis) e 0,84 dL/g (para garrafas retornáveis).
2.6 Materiais e métodos
 
Primeiramente foram pré-selecionados para o estudo os seguintes polímeros: PET Eastman, código 9921W:copoliéster fabricado pela Eastman Chemical Company, viscosidade intrínseca igual a 0,80dL/g (valor nominal). PEN Eastman, código P14991: homopolímero, fabricado pela Eastman Chemical Company, viscosidade intrínseca igual a 0,75dL/g (valor informado pelo fabricante), na literatura é citada que a viscosidade inerente é 0,53dL/g. Além disso foram preparadas blendas poliméricas em duas composições como mostra a tabela.
Tabela 3: Proporções do PET e PEN para as respectivas composições das blendas poliméricas
	PET (%)
	PEN(%)
	85
	15
	70
	30
Ensaio de Tração
Os ensaios de tração foram realizados em uma Máquina Universal Instron 5500R, a uma velocidade de 50mm/min, seguindo-se a norma ASTM-D638. A tabela apresenta todos os resultados dos ensaios de tração obtidos neste trabalho.
Tabela 4: Resultados obtidos através dos ensaios de tração para o PET, para o PEN e para as blendas poliméricas PET /PEN 70 /30 e 85/15.
	Material
	Carga Máxima(kgf)
	Modulo secante a 1% (Mpa)
	Deformação na ruptura (%)
	Resistencia a tração (Mpa)
	PET lote 1
	272,8 ±0,9
	1802,3±68,0
	36,1±9,3
	62,4±0,2
	PET lote 2
	273,7±2,0
	1804,2±34,4
	27,7±14,8
	62,6±0,5
	PEN
	325,9±25,7
	1852,8±82,2
	13,6±8,3
	74,5±5,9
	Blenda PET / PEN 70 /30 injetada
	264,4±10,3
	1755,7±48,6
	304,9±143,3
	60,4±2,4
	Blenda PET / PEN 70 /30 extrusora e injetada
	231,5± 18,0
	1736,1±32,3
	3,8±0,4
	52,9±4,1
	Blenda PET / PEN 85 /15 injetada
	262,4±1,7
	1736,7±46,8
	306,4±64,0
	60,0±0,4
	Blenda PET / PEN 85/15 extrusora e injetada
	267,0 ± 16,5
	1766,8±26,3
	14,0±14,0
	61,0±3,8
Através dos resultados apresentados na Tabela 4, podemos observar que o PEN foi o que apresentou uma resistência maior a tração quando comparado as Blendas PET / PEN e ao PET. Porém, este mesmo polímero apresentou a menor deformação na ruptura. Já as Blendas PET /PEN 70 /30 e 85/15, extrudadas e injetadas possuíram valores extremamente pequenos, menores até mesmo que os polímeros puros. É importante ressaltar que no momento dos ensaios de tração, houve um processo de delaminação superficial das Blendas, ou seja, elas mostraram um processo de escorregamento das camadas, e a elongação das mesmas foi muito grande. Aconteceu também um aquecimento na área onde houve a criação do pescoço.
Ensaio de Flexão
Os ensaios de flexão em três pontos (Tabela)foram realizados em uma Máquina Universal Instron 5500, seguindo-se a norma ASTM-D 790.
Tabela 5: Resultados obtidos através dos ensaios de flexão para o PET, para o PEN e para as blendas poliméricas PET /PEN 70 /30 e 85/15
	Materiais
	Carga Máxima (Kgf)
	Tensão Máxima (Mpa)
	Largura
(mm)
	Espessura
(mm)
	Distância entre dois apoios (mm)
	PET lote 2
	22,48 ± 0,33
	101,63 ± 5,17
	13,00 ± 0,05
	3,40 ± 0,05
	54,60 ± 0,05
	PEN
	22,48 ± 0,33
	122,54 ± 1,79
	12,70 ± 0,05
	3,40 ± 0,05
	54,40 ± 0,05
	Blenda PET / PEN 70 /30 injetada
	21,09 ± 1,20
	106,05 ± 6,04
	13,00 ± 0,05
	3,60 ± 0,05
	57,60 ± 0,05
	Blenda PET / PEN 70 /30 extrusora e injetada
	17,04 ± 2,72
	90,73 ± 14,50
	13,00± 0,05
	3,40 ± 0,05
	54,40 ± 0,05
	Blenda PET / PEN 85 /15 injetada
	18,27 ± 0,23
	99,60 ± 1,24
	12,70 ± 0,05
	3,40 ± 0,05
	54,40 ± 0,05
	Blenda PET / PEN 85/15 extrusora e injetada
	18,25 ± 0,31
	97,16± 1,65
	13,00 ± 0,05
	3,40 ± 0,05
	54,40 ± 0,05
A partir da Tabela 5 podemos observar que o PEN foi o polímero que suportou maior tensão máxima, porém é necessário observar também que os resultados obtidos para as blendas não foram muito agradáveis, já que estas mostraram valores de carga e de tensão máxima menores que os polímeros puros. Esses ensaios foram realizados por um método de comparação de acordo com as normas, visto que os corpos-de-prova não estavam nas dimensões especificadas pela respectiva norma.
 Ensaios de Impacto
Os ensaios de impacto (Tabela 6) foram feitos através de uma Máquina de Impacto Ceast, usando um martelo de 2,75J, em temperatura ambiente, conforme as normas ASTM D256 para o cálculo da Resistencia ao Impacto IZOD com entalhes frontais.
Tabela 6: Resultados obtidos para o PET, para o PEN e para as Blendas poliméricas PET / PEN através dos ensaios de impacto.
	Material
	Espessura do corpo de prova (mm)
	Valor médio da energia perdida no impacto (J)
	Valor médio da Resistencia ao impacto IZOD com entalhe (J/m)
	PET lote 1
	3,425 ± 0,005
	0,109
	31,6
	PET lote 2
	3,425 ± 0,005
	0,102
	29,8
	PEN
	3,450 ± 0,005
	0,087
	24,5
	Blenda PET / PEN 70 /30 injetada
	3,475 ± 0,005
	0,108
	31,0
	Blenda PET / PEN 70 / 30 extrusada e injetada
	3,450 ± 0,005
	0,052
	14,9
	Blenda PET /PEN 85/15 injetada
	3,400 ± 0,005
	0,106
	31,3
	Blenda PET/PEN 85/15 extrusada e injetada
	3,500 ± 0,005
	0,084
	23,4
Portanto, podemos observar que as blendas poliméricas PET/PEN injetadas apresentaram melhores comportamentos comparada aos polímeros puros, podemos verificar isso pelos ensaios mecânicos de impacto e de tração.
As Blendas extrusadas/injetadas apresentaram comportamentos inferiores aos das Blendas injetadas, fato este que pode estar ligado ao perfil da rosca da extrusora ser muito cisalhante ou também devido ao tempo de residência no processo ser muito elevado para os respectivos polímeros, tendo provavelmente passado do nível ótimo de transesterificação para as Blendas poliméricas PET /PEN.
CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou a construção e lançamento de um foguete utilizando garrafas pet descartáveis de 2 litros e a montagem de um sistema de propulsão que funciona por meio de água e ar comprimido, usamos os fundamentos físicos e matemáticos aprendidos em sala de aula na prática. A partir dos experimentos constatou-se que o melhor ângulo de lançamento de um foguete foi o ângulo de 45◦, e o de maior alcance vertical o de 90◦.
Por fim, foi trabalhado a importância dos polímeros e suas transformações.
Dessa forma, pode-se dizer que a pesquisa alcançou os resultados esperados, mostrando que os conteúdos de várias disciplinas podem estar interligados e podem ser trabalhados de forma interdisciplinar.
	
REFERÊNCIAS
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física. Rio de Janeiro: 
Editora LTC, v. 1., 6. ed., 2006.
TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para Cientistas e Engenheiros. Rio de Janeiro: Editora 
LTC, v. 1. 6. ed. 2008.
SOUZA, James Alves de. Um foguete de garrafa PET. Física na Escola, São Paulo, v. 8, n. 
2, p.4-11, out. 2007. Disponível em: <www.sbfisica.org.br/fne/Vol8/Num2/v08n02a02.pdf>. 
Movimento oblíquo- Foguetes 
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/Cinematica/movobl.php 
Portal do professor. 
http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=28293 
Como é o lançamento de um foguete? 
http://mundoestranho.abril.com.br/tecnologia/como-e-o-lancamento-de-um-foguete/ 
Transformações de polímeros 
http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/reologia_processo.asp 
Operações de lançamento. 
https://educacaoespacial.wordpress.com/recursos-2/materiais-de-
estudo/conteudos/astronautica/operacoes-de-lancamen to/ 
Polímero PET 
http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/polimero - pet.htm
Acesso em: 25/05/2021.
Vídeo do lançamento do foguete:
https://youtu.be/HL0fMpKUjLQ