Barco a Vapor

Prévia do material em texto

Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de Lorena
COTEL-EEL-USP
BARCO A VAPOR POP-POP
Profª. Dra Rebeca Bacani
Alunos:
Ana Beatriz dos Santos Silva
Júlia Elen Conceição
Maria Clara de Oliveira Lourenço
Maria Júlia Veronese
Mariana Rebelo
Vitor Cândido Goulart de Moraes
Trabalho de Conclusão de bimestre de Física
Lorena-SP
2022
1
Sumário
1. Objetivos……………………………………………………………………………...2
2. Introdução…………………………………………………………………………….2
2.1 Contextualização…………………………………………………………………2
2.2 Termodinâmica…………………………………………………………………...3
2.3 Influência sociais…………………………………………….…………………...4
3. Materiais……………………………………………………………………………..5
3.1 Materiais Experimento 1………………………………………………………..5
3.2 Materiais Experimento 2……………………………………………………….10
4. Métodos…………………………………………………………………………..….10
4.1 Experimento 1…………………………………………………………………...10
4.2 Experimento 2………………………………………………………………...…11
5. Resultados…………………………………………………………………………12
5.1 Experimento 1…………………………………………………………………12
5.2 Experimento 2…………………………………………………………………12
6. Referências…………………………………………………………………………..15
2
1. Objetivo
Este trabalho tem como intuito criar um barco a vapor com materiais reutilizáveis e de fácil
acesso utilizando os métodos da Termodinâmica. Tal experimento pode ser utilizado para o
entretenimento de crianças e adolescentes, como também para a observação do estudo da
Termodinâmica. (Souza et al., 2017)
2. Introdução
O barco a vapor é movido de acordo com conceitos físicos e eles são a Cinemática,
Hidrostática e Termodinâmica. Devido a sua imersão na água, esta estrutura sofre uma ação
que a impede de afundar, tal força é chamada de empuxo e possui direção vertical do sentido
de baixo para cima, em que representa a força de sustentação de um fluido aos corpos
imersos. O empuxo acontece devido às diferentes forças que não se anulam sobre o corpo que
está parcialmente imerso. Sabendo que o empuxo equilibra o peso do barco imerso no
líquido, Arquimedes conclui que “todo corpo mergulhado em um fluido recebe um empuxo
vertical, dirigindo para cima equivalente ao peso do fluido deslocado”. Portanto, pode-se
elaborar uma expressão para o cálculo do empuxo.(Souza et al., 2017)
Equação 1:
Empuxo em função do Peso
P=E=m.g
Fonte: Souza et al., 2017
E = Empuxo;
P = Força Peso;
m = Massa do Corpo Imerso;
g = Aceleração da Gravidade.
2.1 Contextualização
3
A navegação com barcos a vapor surgiu devido à criação das máquinas a vapor, criadas por
James Watt no século XVIII que deu início a Revolução Industrial. Esses maquinários
funcionam por meio da transformação de energia térmica em mecânica, já que ocorre a
expansão do vapor de água. Porém no século I a.C o matemático e engenheiro greco-egípcio
Hierão de Alexandria havia criado a primeira máquina a vapor, chamada de eolípila ou “bola
de vento”. Já no final do século XVII, Papin e Savery desenvolveram os primeiros motores a
vapor, que obteve interesse industrial. A primeira utilização da máquina de vapor foi na
produção de tecidos e com isso a fabricação das mercadorias subiu em grande escala, o que
gerou mais lucros aos donos de fábricas. Contudo, o grande aumento de indústrias
influenciou o modo de vivência da população inglesa e gerou a chamada Revolução
Industrial.
Além disso, no início do século XIX a máquina a vapor passou a ser utilizada como meio de
transporte, já que o barco a vapor surgiu desta. O seu custo era mais baixo e aumentava a
exportação, já que devido a alta demanda, intensificou-se a produção de mercadorias, no qual
aumentou a industrialização. Porém, os navios ,que eram movidos a vapor, necessitavam da
direção e força dos ventos e isso fez com que as viagens demorassem meses ou até mesmo,
anos. O seu funcionamento era com a queima de carvão e a fumaça liberada gerava energia
para o motor, este gás liberado saía das chaminés presentes nos navios.
2.2 Termodinâmica
A termodinâmica é a transformação de energia térmica em energia mecânica, ou seja, calor
em movimento. O calor é a energia térmica em movimento entre dois corpos, em que o corpo
mais quente libera energia para o corpo mais frio. Esta propagação pode ocorrer de três
maneiras: condução, convecção e irradiação. A condução térmica ocorre através de um meio
material, é chamada de “propagação de calor”, foi estudada pelo cientista Fourier, o qual
criou a Lei de Fourier. Já a convecção consiste na movimentação de partes do fluido dentro
deste fluido, exemplos de convecção são o vento, a brisa, inversão térmica, o ar
condicionado, geladeira e aquecedor. Por fim, a irradiação ou radiação térmica não precisa de
meio material para ser propagada e a energia é transmitida através de ondas eletromagnéticas.
(Bacani, 2022.)
Com isso, a transferência de calor ocorrida no barco é por condução, demonstrada na figura
1, em que as setas representam a transferência de energia térmica:
Figura 1: Esquema de Transferência de Calor
Fogo — Lata — Canudo — Água
Fonte: Souza et al., 2017
1º caso: aumento da temperatura no corpo
Fórmula 2: Quantidade de calor
Q=mc∆Θ
4
Onde:
Q= calor envolvido;
m= massa do barco;
c= calor específico da água;
= variação da temperaturaθ
2° caso: mudança de estado
Fórmula 3: Calor Latente
Q=mL
Onde:
Q= calor envolvido;
m= massa do barco;
L= calor latente de fusão da água
No experimento o calor e o aumento da temperatura da água nos canudinhos causa a
evaporação e o vapor da água que por ocupar um volume maior, é expelido para fora do
canudo, o que causa a propulsão do barco. (Souza et al., 2017)
2.3 Influências sociais
Comentando além das informações já citadas sobre a Revolução Industrial - período
primordial para a modificação das relações de trabalho e condições de vida - a máquina a
vapor, trouxe inovação, também em relação ao carvão como principal combustível utilizado
pelas máquinas industriais, geralmente constituída sobretudo, pelo ferro. Além disso, ocorreu
uma severa mudança nos modos de trabalho, com a substituição da mão de obra artesã pela
mecanização dos meios de produção, surgindo assim, o trabalho assalariado.
Devido às precárias e desumanas condições que os trabalhadores eram submetidos, já que não
eram assistidos por nenhum direito trabalhista no início, foram criados muitos movimentos de
resistência contra a desumanização, entre eles, torna-se relevante comentar sobre o
movimento Ludista, que se caracterizou pela destruição em grande escala de máquinas, pois
os ludistas não estavam satisfeitos com a situação de aumento das desigualdades e a
precarização dos empregos, logo protestavam contra a substituição da mão de obra humana
pelas máquinas a vapor, culpando seu surgimento pelas problemáticas do período, no entanto,
o movimento teve seu grande impacto e feitos durante os anos 1811 e 1812, pois logo, os
revoltosos foram repreendidos pelo estado.
5
3. Materiais
3.1 Materiais Experimento 1
Para a montagem do nosso Barco a Vapor | Barquinho pop pop foram utilizados os materiais
abaixo:
1. Lata de Refrigerante (lata de alumínio):
Figura 2:
Fonte:https://br.freepik.com/vetores-premium/modelo-de-lata-refrigerante-ou-cerveja-de-alu
minio-brilhante-em-branco_8206396.htm
2. Dois canudos sanfonados:
Figura 3:
6
Fonte:
https://www.tikifestas.com.br/descartaveis-e-embalagens/canudos/canudo-de-papel-sanfonad
o-branco-20cm-cromus-c20
3. Bandeja de isopor:
Figura 4:
Fonte: https://www.americanas.com.br/produto/1445277310
4. Elásticos:
Figura 5:
https://www.tikifestas.com.br/descartaveis-e-embalagens/canudos/canudo-de-papel-sanfonado-branco-20cm-cromus-c20
https://www.tikifestas.com.br/descartaveis-e-embalagens/canudos/canudo-de-papel-sanfonado-branco-20cm-cromus-c20
https://www.tikifestas.com.br/descartaveis-e-embalagens/canudos/canudo-de-papel-sanfonado-branco-20cm-cromus-c20
https://www.americanas.com.br/produto/1445277310
7
Fonte:
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-873919864-elastico-de-borracha-500g-amarelo-pa
cote-500-gramas-_JM
5. Velas (tamanho pequeno):
Figura 6:
Fonte: http://www.brilhofesta.com.br/velas_aniversario.php6. Pistola de cola quente e refil de cola quente:
Figura 7:
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-873919864-elastico-de-borracha-500g-amarelo-pacote-500-gramas-_JM
https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-873919864-elastico-de-borracha-500g-amarelo-pacote-500-gramas-_JM
http://www.brilhofesta.com.br/velas_aniversario.php
8
Fonte:http://artesanato.culturamix.com/curiosidades/como-usar-a-pistolapara-cola-quente-cor
retamente
7. Cola de isopor:
Figura 8:
Fonte: https://www.palaciodaarte.com.br/cola_para_eva_e_isopor_acrilex_90g/p
8. Estilete:
Figura 9:
Fonte: http://m.lojadomecanico.com.br/subcategorias/31/281
https://www.palaciodaarte.com.br/cola_para_eva_e_isopor_acrilex_90g/p
http://m.lojadomecanico.com.br/subcategorias/31/281
9
9. Tesoura:
Figura 10:
Fonte:http://www.grampline.com.br/site/genialtech/products/tesoura-grande-g9908-21cm/
10. Fita crepe
Figura 11:
Fonte:http://lojavirtualeletrosol.com.br/3m-fita-crepe-25-x50-mts-cl-373
11. Palito de Fósforo:
Figura 12:
http://www.grampline.com.br/site/genialtech/products/tesoura-grande-g9908-21cm/
http://lojavirtualeletrosol.com.br/3m-fita-crepe-25-x50-mts-cl-373
10
Fonte: https://www.americanas.com.br/produto/1286911790
A marca dos materiais fica a critério dos produtores.
3.2 Materiais Experimento 2
● Alumínio
● Canudo de plástico
● Tesoura
● Estilete
● Cola
● Cola quente
● Fita crepe
● Caixa de leite
● Fósforo
● Vela
● Elástico
4. Métodos
4.1 Experimento 1
O processo de fabricação do barquinho pode ser dividido em x partes:
1. Antes de iniciar é necessário cortar as pontas da lata de alumínio, com um estilete ou
tesoura de ponta, depois ela deve ser dobrada ao meio e amassada, para perder o
aspecto arredondado.
2. O molde deve ser colocado sobre o alumínio para que ele possa ser cortado de acordo,
e os pedaços que sobrarem não podem ser descartados, após isso, na linha pontilhada
do molde o alumínio precisa ser dobrado, de forma que ele mantenha um de seus
lados aberto, para a intromissão dos canudos e, por fim as dobras do alumínio devem
ser seladas com cola, a fim de não permitir nenhuma passagem de ar.
3. Sobre a bandeja de isopor, o outro molde deve ser colocado e ajustado com fita e cola
em caso de necessidade, para que o corte, que é feito com estilete, tenha precisão.
https://www.americanas.com.br/produto/1286911790
11
4. Os canudos devem ser cortados, 10 centímetros, descontando a parte que está dentro
do alumínio, depois este deve ser preso com o elástico sobre a pequena plataforma
feita com o isopor.
5. O restante do alumínio deve ser utilizado para fazer o apoio da vela, um pequeno
pedaço deve ser dobrado na ponta e as laterais dessa dobra devem ser cortadas de
forma que o meio continue intacto e deve ser feita uma dobra de acordo com a
circunferência da vela.
6. Além disso, os canudos devem ser enchidos de água antes de serem colocados em
uma bacia repleta com água e o suporte da vela precisa ser preso no isopor com os
elásticos, por fim a vela deve ser acesa a fim de gerar calor e fazer o barquinho se
locomover.
4.1 Experimento 2
O barquinho a vapor foi feito a partir dos seguintes passos:
1. Um pedaço da lata de alumínio, após cortada, foi dobrado até atingir 10 centímetros
de comprimento;
2. As laterais foram dobradas e moldadas até estarem retas;
3. Dois canudinhos pretos foram inseridos na parte aberta do alumínio;
4. Todas as partes do alumínio foram coladas para que não houvesse passagem de ar;
5. Os canudinhos foram colados dentro do alumínio;
6. Após a colagem dos canudos, todo o sistema foi vedado.
7. Dois pedaços da caixa de leite foram cortados de forma livre e unidos por cola,
formando a base do barco;
8. Um corte quadrado foi aberto no meio desta base, sendo o canudo ali introduzido e
alcançando a parte de baixo desta base;
9. Foi colada uma vela na parte de trás da base;
10. Os canudos foram preenchidos com água até que a parte de alumínio ficasse cheia.
Essa água será aquecida pelo fogo da vela, e funcionará de combustível para o barco
deslocar-se;
11. Finalmente após a construção, o barquinho foi colocado na água e o fogo da vela foi
aceso;
12. O barquinho deslocou-se e entrou em movimento.
12
5. Resultados
5.1 Experimento 1
De acordo com a montagem, e posteriormente a testagem do Barco a Vapor, é possível tirar
algumas conclusões. Primeiramente, foi seguido todos os passos descritos nos Materiais e
Métodos, e percebemos que o barco realmente navega pela água, com isso é possível
averiguar a Teoria Do Empuxo acontecendo na prática, visto que o barco não afunda
enquanto navega.
Ademais, também é notável como a Termodinâmica está envolvida com o Barco a vapor, pois
este funcionou conforme o aumento da temperatura. Isto ocorre pois, inicialmente há a água
no estado líquido dentro dos canudos, então as velas são acesas e começam a esquentar o
motor (placa de alumínio); conforme esta placa recebe calor, ela passa a também transmitir o
calor para o canudo e ,consequentemente, para a água; com isso, após um determinado tempo
a água terá recebido a quantidade de calor suficiente para que ocorra sua mudança de fase
para o estado gasoso(vapor). Como o estado gasoso da água ocupa mais espaço que o estado
líquido da água, o vapor dentro do canudo “empurra”a água que está dentro/próximo do
canudo, logo, ocorrerá uma propulsão e o barco se moverá para frente. Isto ocorre
ciclicamente, visto que após o impelir do canudo para com a água, o vapor de água retornará
para o estado líquido, para dentro do canudo. Por fim, a estrutura consegue se locomover com
o aumento da temperatura, pois passa a possuir uma determinada velocidade, logo é possível
notar que este experimento também possui fatores que envolvem a cinemática.(Souza et al.,
2017)
5.2 Experimento 2
Assim como apresentado no primeiro experimento, observa-se no segundo que a Teoria do Empuxo
fez-se presente, mesmo com materiais diferentes o segundo barquinho boiou e navegou sobre as
águas. O combustível utilizado são gotículas de água aquecidas em um compartimento de alumínio (o
calor liberado pela vela) que se transformam em vapor e “expulsam” a água do canudo, criando uma
espécie de “jato”. Quando o vapor está prestes a sair, ele entra em contato com a água gelada, que
esfria e se transforma em líquido novamente. À medida que a temperatura diminui, também diminui a
pressão dentro do compartimento de alumínio, fazendo com que a água retorne de onde veio. Assim, a
água é aquecida novamente e todo o ciclo é repetido.
13
Imagens: Experimento 2
Fonte: Autores
14
Imagens: Experimento 2
Fonte: Autores
15
Referências
“Como fazer um barquinho pop-pop”, 2012. Disponível em:
https://www.youtube.com/watch?v=QHcXqpYGJ8M&ab_channel=ManualdoMundo. Acesso
em: 16 de junho de 2022.
SOUZA, G et al. Engenharia Ambiental. Gabboat. Sorocaba,2017.
“A influência da máquina a vapor na Primeira Revolução Industrial”, 2016. Disponível
em:
https://blog.enem.com.br/a-influencia-da-maquina-a-vapor-na-primeira-revolucao-industrial.
Acesso em 16 de junho de 2022.
“A navegação a vapor”, 2015. Disponível em:
https://portogente.com.br/colunistas/silvio-dos-santos/85995-a-navegacao-a-vapor. Acesso
em: 16 de junho de 2022.
“Como foi criado o barco a vela?”, 2021. Disponível em:
https://blog.motooeste.com.br/como-foi-criado-barco-a-vela/. Acesso em: 16 de junho de
2022.
“A máquina a vapor, a locomotiva e a Revolução Industrial”, 2012. Disponível em:
http://www.consciencia.org/a-maquina-a-vapor-a-locomotiva-e-a-revolucao-industrial.
Acesso em: 16 de junho de 2022.
“Fenômenos da Engenharia; Barco a vapor”, 2013. Disponível em:
http://fenomenosdaengenharia.blogspot.com/2013/10/barcoa-vapor-nossotema-consiste-na.ht
ml
Acesso em: 23 de junho de 2022.
BACANI, R. Primeira Lei da Termodinâmica, p.13. Lorena, 2022.
https://www.youtube.com/watch?v=QHcXqpYGJ8M&ab_channel=ManualdoMundo
https://blog.enem.com.br/a-influencia-da-maquina-a-vapor-na-primeira-revolucao-industrial/
https://portogente.com.br/colunistas/silvio-dos-santos/85995-a-navegacao-a-vaporhttps://blog.motooeste.com.br/como-foi-criado-barco-a-vela/
http://www.consciencia.org/a-maquina-a-vapor-a-locomotiva-e-a-revolucao-industrial
http://fenomenosdaengenharia.blogspot.com/2013/10/barcoa-vapor-nossotema-consiste-na.html
http://fenomenosdaengenharia.blogspot.com/2013/10/barcoa-vapor-nossotema-consiste-na.html