Automação Industrial para Navios

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MARINHA DO BRASIL 
DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS 
ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO 
 
 
 
 MÓDULO DE AUTOMAÇÃO 
UEA-11 
UNIDADE DE ESTUDO AUTÔNOMO 
 
2ª.edição 
Rio de Janeiro 
2009 
 
 
Autor: Francisco DIOCÉLIO Alencar de Oliveira 
Revisão Pedagógica: Francisco DIOCÉLIO Alencar de Oliveira 
Revisão Ortográfica:Luiz Fernando 
 
 
 
Concessão de Publicação de 
 
____________ exemplares a: 
 
Diretoria de Portos e Costas 
Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro 
Rio de Janeiro, RJ 
20090-070 
http://www.dpc.mar.mil.br 
secom@dpc.mar.mil.br 
 
 
 
Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907 
IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL 
 
 
 
I 
 
MENSAGEM AOS ALUNOS 
Ensina-nos a Pedagogia que na aprendizagem há duas operações distintas: a 
compreensão e a fixação. No aprendizado de uma tecnologia, os alunos têm de observar e 
agir, de raciocinar e concluir, e cabe ao professor guiá-los e orientá-los nessas tarefas. 
Na fase da compreensão, a missão do professor é criar condições para os alunos 
compreenderem os assuntos ministrados. Assim, nessa fase é necessário que os alunos 
observem os fenômenos, os objetos ou as imagens filmadas, fotografadas, desenhadas 
ou esquematizadas, além de vivenciarem atividades práticas, aplicando os conhecimentos 
construídos, conforme o assunto ministrado. 
O recurso ao livro só deveria ser feito por necessidade de observar esquemas que 
completassem as folhas tarefas. 
Na fase da avaliação da aprendizagem, é indispensável o uso do(s) livro(s), pois 
esse(s) terão como objetivo facilitar-lhes a recordação dos fundamentos que apreenderam, 
mas que não puderam reter. Mas tais livros, de acordo com a Psicologia e a Didática atual, 
terão de ser necessariamente concisos e com linguagem de fácil entendimento porque, uma 
vez compreendido o assunto, a sua sedimentação passa a ser função do número de leituras e 
de observações esquemáticas, número esse que é inversamente proporcional à extensão. 
No ensino a distância (EAD), estas recomendações sobre os livros, tornam-se mais 
necessárias, pois o contato do aluno com o professor é limitado. 
Assim, pretendemos, com esse livro-texto, propiciar ao estudante ou ao leitor 
interessado sínteses claras dos princípios e explicações sucintas dos assuntos que envolvem a 
automação industrial. Por outro lado, defendemos a tese de que um livro comum ou eletrônico 
(CD), ou qualquer outro material didático elaborado com base no programa de curso da 
disciplina, não deve ser encarado como o único meio de se atingir os objetivos. Outros livros 
devem ser consultados periodicamente, assim como é imprescindível o apoio de meios 
auxiliares, tais como: audiovisuais, filmes e experiências de laboratórios, vivenciando a 
construção do conhecimento. 
Analisando os cursos anteriores, verificamos que muitos alunos não respondem 
determinadas questões em provas ou não sabem executar algumas tarefas, simplesmente por 
não terem dado importância a contextualização histórica ou mesmo não ter entendido os 
princípios básicos. Assim sendo, recomendarmos aos estudantes que não desprezem os 
conteúdos que tratam da história sobre como determinadas tecnologias evoluíram. 
Lembramos que todo o conteúdo exposto neste material didático, mesmo não tendo 
sido estabelecido no sumário (programa) da disciplina, é de valiosa importância para quem 
deseja obter um conhecimento sólido sobre automação de processos industriais. 
Esta edição tem como propósito oferecer-lhes conhecimentos científicos e tecnológicos 
especificados no currículo do Curso de Aperfeiçoamento de Aquaviários de Máquinas - 
Marítimos – a fim de alcançar determinadas competências e habilidades. Desta forma este 
livro-texto se propõem a: 
 
 I I 
 
Proporcionar ao aluno conhecimento para interpretar, monitorar, operar e 
efetuar a manutenção em sistemas de automação aplicados a navios com 
máquinas propulsoras de ate 3.000 kW de potência. 
Algumas figuras são apenas para reflexão ilustrando a descrição outras são específicas 
do conteúdo estudado necessitando, portanto, de maior atenção. 
Por fim, ao final de cada capítulo apresentamos um exercício para que você possa fazer 
uma auto-avaliação do conhecimento adquirido. Caso você tenha dificuldade para responder 
as questões propostas ou queira que façamos a correção, entre em contato através de carta 
ou de e-mail, que teremos a maior boa vontade em lhe ajudar. 
Esforçamo-nos para que este livro texto fosse claro e atendesse a todas as 
recomendações didáticas. Oxalá o tenhamos conseguido. Caso seja do agrado do leitor nos 
escrever, dando conta da aplicabilidade deste material didático ou fazendo algumas sugestões 
construtivas, ficaremos gratos pela sua atenção. 
 
Francisco DIOCÉLIO Alencar de Oliveira, concluiu o Mestrado em Educação 
na Área de Administração e Supervisão Escolar na UNICAMP em 1996, com 
a Dissertação: A Formação do Oficial de Máquinas da Marinha Mercante do 
Brasil; concluiu o Curso (superior) de Aperfeiçoamento para Oficial de 
Máquinas no CIABA (1985); é Graduado pela UFPA (1978) como Professor 
da área de mecânica de: tecnologia, fabricação e desenho técnico mecânico; 
é formado pela EMMPA (1972) como Oficial de Máquinas da Marinha 
Mercante. 
Possui diversos cursos de automação industrial específicos, desenvolvidos pelo IBP: 
Automação e Robótica Industrial. (FEM-UNICAMP 1992); Produtividade e Tecnologia de 
Grupo nos Sistemas de Manufatura. (FEM-UNICAMP 1992); Controladores Lógicos 
Programáveis. (SENAI 1996); Instrumentação e Controle de Caldeiras. (ISQP 1997); Básico 
de Instrumentação e Controle (IBP 2000); Instrumentação Analítica Aplicada a Analisadores 
de Processo (IBP 2000); Avançado de Instrumentação e Controle (IBP 2002); Projeto de 
Instrumentação (IPB 2004); Sistemas Inteligentes para Controle, Automação e Otimização de 
Processos (IBP 2005). 
Foi Oficial de Máquinas nos navios do extinto Loide Brasileiro; Professor do CIABA; Professor 
de Mecânica em Escola Profissional do Estado do Pará; Perito da ONU agência da IMO, 
como Professor e Diretor do Departamento de Máquinas da Escola Náutica da República de 
Cabo Verde (1985-1991); e professor da disciplina Aspectos Sócio-filosófico da Educação, da 
Universidade ABEU. Atualmente é professor das disciplinas específicas de máquinas e 
automação industrial e, Chefe do Departamento de Ensino de Máquinas do CIAGA. 
FFFFRANCISCO RANCISCO RANCISCO RANCISCO DDDDIOCÉLIIOCÉLIIOCÉLIIOCÉLIO O O O AAAALENCAR DE LENCAR DE LENCAR DE LENCAR DE OOOOLIVEIRALIVEIRALIVEIRALIVEIRA 
E-mail: dioclevelis@ig.com.br 
 
 
I I I 
COMO USAR O LIVRO TEXTO 
Antes de cada unidade de ensino é especificado as competências que o aluno deve 
alcança com o estudo. No final de cada capítulo é disponibilizado um exercício para auto-
avaliação, desenvolvido com base nas habilidades propostas para serem adquiridas, conforme 
definidas no Sumário da disciplina. 
1. Como você deve estudar cada unidade? 
� Ler a visão geral da unidade. 
� Estudar os conceitos, as definições, as características e explicação de 
funcionamento e análise dos exemplos contemplados em cada unidade. 
� Responder às questões para reflexão. 
� Realizar a auto-avaliação. 
� Realizar as tarefas. 
� Comparar a chave de respostas e encaminhar as respostas dos exercícios para o 
Orientador de Aprendizagem. 
2. Visão geral da unidade 
A visão geral do assunto apresenta as competências que devem ser alcançadas com os 
estudos. 
3. Conteúdos da unidade 
Leia com atenção o conteúdo, procurando entender e fixar os conhecimentos por meio 
dos exercícios propostos. Se você não entender, refaça a leitura e os exercícios. É muito 
importante que você entenda e domine os conhecimentos. 
4.Questões para reflexão 
São questões que ressaltam a idéia principal do texto, levando-o a refletir sobre os 
temas mais importantes deste material. 
5. Auto-avaliação 
São testes que o ajudarão a se auto-avaliar, evidenciando o seu progresso. Realize-os 
à medida que apareçam e, se houver qualquer dúvida, volte ao conteúdo e reestude-o. 
6. Tarefa 
 Dá a oportunidade para você colocar em prática o que já foi ensinado, testando seu 
desempenho de aprendizagem. 
7. Respostas dos testes de auto-avaliação 
Dá a oportunidade de você verificar o seu desempenho, comparando as respostas com 
o gabarito que se encontra no final do Manual. 
 
 IV 
8. Competências a serem adquiridas 
Após estudar todas as Unidades de Estudo Autônomo (UEA) deste módulo, você estará 
apto a realizar uma avaliação da aprendizagem. 
9. Símbolos utilizados 
Existem alguns símbolos no manual para guiá-lo em seus estudos. Observe o que cada 
um quer dizer ou significa. 
 
 
Este lhe diz que há uma visão geral da unidade e do que ela trata. Ou melhor, 
define a competência que você deverá alcançar. 
 
Este lhe diz que há, no texto, uma pergunta para você pensar e responder a 
respeito do assunto. 
 
Este lhe diz para anotar ou lembrar-se de um ponto importante. 
 
EEssttee llhhee ddiizz qquuee hháá uumm eexxeerrccíícciioo rreessoollvviiddoo 
 
Este lhe diz que há uma tarefa a ser feita por escrito. 
 
Este lhe diz que há um teste de auto-avaliação para você fazer. 
 
Este lhe diz que esta é a chave das respostas para os testes de auto-avaliação, 
perguntas e tarefas. 
 
 
V 
SUMÁRIO 
11 EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE........................................................................1 
1.1 DEFINIÇÕES, CONCEITOS E IMPORTÂNCIA DA AUTOMAÇÃO .......................................2 
1.2 A CONCEPÇÃO HUMANA DO TRABALHO ..........................................................................5 
1.3 EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS INDUSTRIAIS.........................................................................6 
1.4 EVOLUÇÃO DO EMPREGO DAS FONTES DE ENERGIA FLUIDAS..................................11 
1.5 DESENVOLVIMENTO DO COMÉRCIO E DA INDÚSTRIA..................................................17 
1.5.1 Desenvolvimento da Manufatura ...............................................................................20 
1.6 DESENVOLVIMENTO DA CIÊNCIA DAS MÁQUINAS ........................................................23 
1.6.1 Desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna ..............................................30 
1.7 IMPORTÂNCIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE INDUSTRIAL ........................................32 
1.7.1 Sistema.......................................................................................................................32 
1.7.2 Período Empírico ou Experimental ............................................................................33 
1.7.3 Período da Mecanização ou Automatização..............................................................34 
1.7.4 Período da Automação Propriamente Dita ................................................................41 
1.8 EVOLUÇÃO DA AUTOMAÇÃO NOS NAVIOS.....................................................................47 
1.8.1 Implicações Técnicas e Sociais da Automação dos Navios ......................................50 
1.8.1.1 Normas Técnicas Aplicadas a Praça de Máquinas Desguarnecidas.......................................................52 
1.9 DESENVOLVIMENTO DA INFORMÁTICA ..........................................................................56 
1.10 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 1 .................................................................63 
22 FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO ...................................................................66 
2.1 ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL........................................67 
2.2 NORMAS TÉCNICAS ...........................................................................................................70 
2.2.1 Norma Técnica S5.1 da ISA.......................................................................................71 
2.2.2 Padrões de Comunicações ........................................................................................74 
2.3 TÉCNICAS DE CONTROLE DE PROCESSO......................................................................79 
2.3.1 Classificação dos Controles de Processos ................................................................79 
2.3.2 Controle Manual .........................................................................................................81 
2.3.3 Malha Aberta (open-loop)...........................................................................................82 
2.3.4 Comando Automático Industrial .................................................................................82 
2.3.4.1 Comando Simples..................................................................................................................................83 
2.3.4.2 Comando com Neutralização.................................................................................................................83 
2.3.4.3 Comando de Entrada Fixa .....................................................................................................................84 
2.3.4.4 Comando de Entrada Variável...............................................................................................................84 
2.3.4.4.1 Comando Temporizado............................................................................................. 84 
2.3.4.4.2 Comando Seqüenciado............................................................................................. 84 
2.3.5 Malha Fechada (close-loop).......................................................................................84 
2.3.6 Controle Automático de Processos Industriais ..........................................................85 
2.3.7 Classificação dos Tipos de Controle Automático.......................................................86 
2.3.7.1 Controle Auto-operado..........................................................................................................................88 
2.3.7.2 Automatização.......................................................................................................................................88 
2.3.7.3 Automação ............................................................................................................................................90 
2.4 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS PROCESSOS ...........................................................90 
 
 VI 
2.4.1 Mudança na Carga do Processo............................................................................... 91 
2.4.2 Inércia do Processo................................................................................................... 92 
2.4.2.1 Resistência............................................................................................................................................ 92 
2.4.2.2 Capacitância ......................................................................................................................................... 92 
2.4.2.3 Tempo Morto........................................................................................................................................ 94 
2.5 ESTRATÉGIAS DE AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS................................. 94 
2.5.1 Controle Antecipativo (Feedforward)......................................................................... 96 
2.5.2 Controle Automático Descontínuo (on-off) ................................................................ 97 
2.5.2.1 Controle Automático Descontínuo (on-off) com Zona Morta...............................................................98 
2.5.2.2 Controle Descontínuo (on-off) por Válvula Termostática................................................................... 101 
2.5.3 Controle Automático Contínuo ................................................................................ 101 
2.5.3.1 Controle Proporcional (P)................................................................................................................... 102 
2.5.3.2 Controle Integral................................................................................................................................. 105 
2.5.3.3 Controle Derivativo ............................................................................................................................ 105 
2.5.3.4 Controle Proporcional mais Integral (PI)............................................................................................ 105 
2.5.3.5 Controle Proporcional mais Derivativo (PD)...................................................................................... 107 
2.5.3.6 Controle PID....................................................................................................................................... 108 
2.6 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 2................................................................. 108 
33 INSTRUMENTAÇÃO DE CONTROLE .................................................................................... 110 
3.1 GENERALIDADES .................................................................................................................. 111 
3.2 TERMINOLOGIA TÉCNICA DA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL.................................................... 113 
3.2.1 Segurança Intrínseca .............................................................................................. 116 
3.2.2 Unidades Fundamentais. ........................................................................................ 117 
3.3 MEDIDORES DE PRESSÃO ..................................................................................................... 119 
3.3.1 Definição de Pressão .............................................................................................. 120 
3.3.2 Escala de Pressão................................................................................................... 122 
3.3.3 Classificação dos Instrumentos Medidores de Pressão ......................................... 126 
3.3.4 Manômetro de Coluna Líquida. ............................................................................... 127 
3.3.5 Manômetro de Tubo em “L” Inclinado. .................................................................... 128 
3.3.6 Barômetro................................................................................................................ 129 
3.3.6.1 Barômetro de Cisterna ........................................................................................................................ 130 
3.3.6.2 Barômetro Metálico ou Aneróide. ...................................................................................................... 130 
3.3.7 Manômetros por Deformação Elástica (Mecânicos) ............................................... 131 
3.3.7.1 Manômetro de Diafragma................................................................................................................... 132 
3.3.7.2 Manômetro de Fole............................................................................................................................. 133 
3.3.7.3 Manômetro de Bourdon...................................................................................................................... 134 
3.3.8 Medidores e Sensores de Pressão Elétricos. ......................................................... 135 
3.3.8.1 Calibre de Tensão ............................................................................................................................... 136 
3.3.8.2 Sensores Piezelétricos......................................................................................................................... 137 
3.3.8.3 Sensores Piezoresistivos ..................................................................................................................... 138 
3.4 MEDIDORES DE TEMPERATURA ............................................................................................. 138 
3.4.1 Temperatura ............................................................................................................ 139 
3.4.1.1 Escalas de Temperatura ...................................................................................................................... 140 
3.4.1.2 Pontos Fixos de Temperatura ............................................................................................................. 142 
3.4.2 Classificação dos Medidores de Temperatura........................................................ 143 
3.4.3 Termômetro de Líquido com Bulbo de Vidro........................................................... 143 
3.4.4 Termômetro Bimetálico ........................................................................................... 145 
3.4.5 Termômetro Tipo Pressão Mola.............................................................................. 147 
3.4.5.1 Termômetro de Bourdon Enchimento com Líquido ........................................................................... 148 
3.4.5.2 Termômetro de Bourdon de Enchimento Líquido e Vapor................................................................. 150 
3.4.6 Termômetro de Bourdon de Enchimento Líquido e Gás......................................... 150 
 
 
VI I 
3.4.6.1 Sistemas de Compensação...................................................................................................................151 
3.4.7 Termopar ..................................................................................................................153 
3.4.7.1 Principio de Funcionamento do Termopar ..........................................................................................154 
3.4.7.2 A f.e.m. de Peltier................................................................................................................................154 
3.4.7.3 A f. e. m. Thomson..............................................................................................................................155 
3.4.7.4 Material dos Termopares .....................................................................................................................155 
3.4.8 Pirômetro ..................................................................................................................161 
3.4.9 Termoresistência......................................................................................................162 
3.5 MEDIDORES DE NÍVEL .....................................................................................................163 
3.5.1 Medidores Diretos ....................................................................................................166 
3.5.1.1 Sonda...................................................................................................................................................166 
3.5.1.2 Visor....................................................................................................................................................166 
3.5.1.3 Bóias....................................................................................................................................................168 
3.5.2 Medidores Indiretos Baseados na Pressão Hidrostática .........................................171 
3.5.2.1 Tipo Caixa de Diafragma ....................................................................................................................171 
3.5.2.2 Tipo Pressão Diferencial .....................................................................................................................1723.5.2.3 Tipo DP-Cell .......................................................................................................................................172 
3.5.2.4 Tipo Manométrico com Sistema Pneumático (Borbulhamento)..........................................................173 
3.5.2.5 Medidores de Nível Baseados no Deslocamento.................................................................................174 
3.5.3 Medidores de Nível Elétricos ...................................................................................175 
3.5.3.1 Medidores de nível por condutividade elétrica....................................................................................175 
3.5.3.2 Medidores de Nível Capacitivos..........................................................................................................176 
3.5.4 Medidor de Nível Radioativo ....................................................................................176 
3.5.5 Medição de Nível de Sólidos....................................................................................177 
3.6 MEDIDORES DE VAZÃO ...................................................................................................178 
3.6.1 Grandezas Físicas e Características dos Líquidos.................................................178 
3.6.2 Princípios Físicos .....................................................................................................182 
3.6.2.1 Quantidade em volume de líquido num determinado período de tempo..............................................184 
3.6.2.2 Medição da vazão do líquido na unidade de tempo.............................................................................185 
3.6.3 Medidores de Vazão do Tipo Pressão Diferencial ...................................................186 
3.6.3.1 Tomada Piezométrica ..........................................................................................................................187 
3.6.3.2 Tubo Pitot............................................................................................................................................187 
3.6.3.3 Tubo Venturi .......................................................................................................................................188 
3.6.3.4 Bocal ou Tubo de Vazão .....................................................................................................................189 
3.6.3.5 Placa de Orifícios ................................................................................................................................189 
3.6.4 Medidores de Vazão de Área Variável.....................................................................190 
3.6.4.1 Rotâmetros ..........................................................................................................................................190 
3.6.5 Medidores Volumétricos...........................................................................................191 
3.6.5.1 Tanque Medidor ..................................................................................................................................191 
3.6.5.2 Disco Nutante......................................................................................................................................191 
3.6.5.3 Movimento Alternativo .......................................................................................................................192 
3.6.5.4 Movimento rotativo oscilante..............................................................................................................192 
3.6.6 Deslocamento Positivo do Fluido.............................................................................192 
3.6.6.1 Medidores de turbina...........................................................................................................................193 
3.6.7 Medidores Eletromagnético......................................................................................195 
3.6.8 Medidor de Vazão Ultra-Sônico ...............................................................................196 
3.7 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE ..................................................................................197 
3.7.1 Válvula de Deslocamento Linear .............................................................................198 
3.7.2 Válvula de Deslocamento Rotativo ..........................................................................199 
3.7.3 Componentes da Válvula de Controle .....................................................................199 
3.7.3.1 Conjunto de Corpo ..............................................................................................................................199 
3.7.3.2 Sedes de Válvulas................................................................................................................................200 
3.7.3.3 Obturador ............................................................................................................................................201 
3.7.3.4 Conjunto do Atuador ...........................................................................................................................202 
 
 VI I I 
3.8 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 3................................................................. 204 
44 CONTROLADORES................................................................................................................. 207 
4.1 CONTROLADOR PNEUMÁTICO ...................................................................................... 208 
4.1.1 Ar de Controle ......................................................................................................... 210 
4.1.1.1 Fundamentos Físicos do Ar ................................................................................................................ 210 
4.1.1.2 Propriedades do Ar de Controle.......................................................................................................... 211 
4.1.1.3 Produção do Ar Comprimido.............................................................................................................. 212 
4.1.1.4 Métodos de Tratamento de Ar Comprimido ....................................................................................... 213 
4.1.1.5 Resfriamento do Ar ............................................................................................................................ 214 
4.1.1.6 Reservatório de Ar.............................................................................................................................. 215 
4.1.1.7 Secagem do Ar.................................................................................................................................... 215 
4.1.1.7.1 Secagem por Absorção........................................................................................... 216 
4.1.1.7.2 Secagem por Adsorção ou Regeneração ............................................................... 216 
4.1.1.7.3 Secagem a Frio....................................................................................................... 217 
4.1.1.7.4 Pré-aquecimento do Ar ........................................................................................... 217 
4.1.1.8 Filtros de Ar de Controle .................................................................................................................... 217 
4.1.1.9 Dreno Automático do Condensado..................................................................................................... 219 
4.1.1.10 Unidade de Conservação .................................................................................................................. 219 
4.1.1.11 Válvulas Reguladora de Pressão....................................................................................................... 221 
4.1.1.12 Distribuiçãode Ar de Controle em Navio......................................................................................... 222 
4.1.2 Bico Palheta ............................................................................................................ 225 
4.1.3 Transmissor Pneumático......................................................................................... 226 
4.1.4 Amortecedor de Oscilação ...................................................................................... 228 
4.1.5 Amplificador de Sinal Pneumático........................................................................... 228 
4.1.6 Extrator de Raiz Quadrada...................................................................................... 229 
4.1.7 Controlador Pneumático.......................................................................................... 231 
4.1.7.1 Detector de Erro.................................................................................................................................. 231 
4.1.7.2 Controlador Pneumático de Duas Posições (on-off) ........................................................................... 231 
4.1.7.3 Controlador Pneumático Proporcional................................................................................................ 233 
4.1.7.4 Controlador Pneumático Proporcional e Integral (PI)......................................................................... 234 
4.2 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD) ............................................ 235 
4.2.1 Origem do SDCD..................................................................................................... 235 
4.2.2 Configuração do SDCD........................................................................................... 237 
4.2.3 Comunicação de um SDCD .................................................................................... 238 
4.2.4 Controladores Autônomos Interligados ao SDCD................................................... 238 
4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) ......................................................... 238 
4.3.1 Benefícios do Uso de CLPs .................................................................................... 240 
4.3.2 Operação do CLP.................................................................................................... 241 
4.3.3 Componentes do CLP ............................................................................................. 242 
4.3.3.1 Fonte de alimentação .......................................................................................................................... 242 
4.3.3.2 Unidade Central de Processamento (CPU) ......................................................................................... 243 
4.3.3.3 Relógio de Tempo Real ...................................................................................................................... 243 
4.3.3.4 Bateria ................................................................................................................................................ 243 
4.3.3.5 Memória do Programa Monitor .......................................................................................................... 243 
4.3.3.6 Memória do usuário............................................................................................................................ 243 
4.3.3.7 Memória de dados .............................................................................................................................. 244 
4.3.3.8 Memória imagem dos módulos de entradas........................................................................................ 244 
4.3.3.9 Memória imagem das entradas e saídas .............................................................................................. 244 
4.3.3.10 Circuitos auxiliares ........................................................................................................................... 244 
4.3.3.11 Módulos de Entrada.......................................................................................................................... 245 
4.3.3.12 Módulos ou interfaces de saída......................................................................................................... 246 
4.3.4 Capacidade do CLP ................................................................................................ 247 
4.3.5 Linguagens de Programação Para CLP.................................................................. 248 
 
 
IX 
4.3.5.1 Intercambialidade Entre Representações .............................................................................................248 
4.3.5.2 Estrutura da Linguagem e Representações ..........................................................................................249 
4.3.5.2.1 Álgebra de Boole..................................................................................................... 249 
4.3.5.2.2 Portas lógicas.......................................................................................................... 250 
4.3.5.2.3 Instruções Básicas .................................................................................................. 251 
4.3.5.2.4 Instruções e Blocos Especiais................................................................................. 252 
4.3.6 Passos para a Automação de um Processo com CLP ............................................255 
4.4 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 4 .................................................................256 
55 COMANDO E CONTROLE PNEUMÁTICO..............................................................................258 
5.1 CARACTERÍSTICAS DOS CIRCUITOS PNEUMÁTICOS .................................................259 
5.1.1 Identificação dos Elementos dos Circuitos Pneumáticos ........................................261 
5.1.1.1 Identificação por Algarismo ................................................................................................................262 
5.1.1.2 Identificação por Letras.......................................................................................................................263 
5.2 VÁLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL (VCD).............................................................264 
5.2.1 Normalização da Simbologia das VCDs Segundo DIN 24300 ................................264 
5.2.2 Elementos de Acionamento ou de Comando...........................................................267 
5.2.3 Características de Construção.................................................................................270 
5.2.4 Válvulas de Sede .....................................................................................................271 
5.2.4.1 Válvulas de Sede Tipo Esfera..............................................................................................................271 
5.2.4.2 Válvula de Sede Tipo Prato.................................................................................................................272 
5.2.4.3 Sede Prato (Assento) Flutuante ...........................................................................................................275 
5.2.4.4 Sede de Prato Servocomandada...........................................................................................................276 
5.2.5 Válvulas Corrediças .................................................................................................277 
5.2.5.1 Válvula Corrediça Longitudinal ..........................................................................................................278 
5.2.5.2 Válvula Corrediça Plana Longitudinal ................................................................................................279 
5.2.5.3 Válvula Corrediça Giratória ................................................................................................................2805.2.6 Valores de Vazão nas Válvulas ...............................................................................281 
5.3 VÁLVULAS DE BLOQUEIO................................................................................................282 
5.3.1 Válvula de Retenção ................................................................................................282 
5.3.2 Válvula Alternadora (OU) .........................................................................................282 
5.3.3 Válvula Reguladora de Fluxo Unidirecional (VRU) ..................................................283 
5.3.3.1 VRU com Acionamento Mecânico......................................................................................................284 
5.3.4 Válvula de Escape Rápido .......................................................................................285 
5.3.5 Válvulas de Simultaneidade.....................................................................................285 
5.3.6 Válvula Limitadora de Pressão ................................................................................286 
5.3.7 Válvula de Seqüência...............................................................................................286 
5.3.8 Válvulas Reguladoras de Fluxo ...............................................................................286 
5.4 COMBINAÇÕES DE VÁLVULAS........................................................................................287 
5.4.1 Bloco de Comando Pneumático...............................................................................287 
5.4.2 Bloco Temporizador NF (comutação retardada)......................................................287 
5.4.3 Bloco Temporizado Normalmente Aberto ................................................................288 
5.5 COMANDO E CONTROLE ELETROPNEUMÁTICO..........................................................289 
5.5.1 Conhecimentos Elétricos Necessários.....................................................................289 
5.5.2 Principais componentes de comando eletropneumáticos........................................290 
5.5.3 Válvulas Solenóides de Comando Direto.................................................................293 
5.5.4 Válvulas Solenóides com Servocomando................................................................294 
5.6 ATUADORES PNEUMÁTICOS ..........................................................................................295 
5.6.1 Simbologia dos Atuadores .......................................................................................295 
5.6.2 Atuadores Pneumáticos Lineares ............................................................................296 
5.7 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS................................................297 
 
 X 
5.7.1 Circuitos Pneumáticos de Comando Direto ............................................................ 298 
5.7.2 Circuitos Pneumáticos de Comando Indireto .......................................................... 300 
5.7.3 Circuitos de Comando Eletropneumático................................................................ 302 
5.8 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 5................................................................. 305 
66 COMANDO E CONTROLE ELETRO-HIDRÁULICO............................................................... 307 
6.1 HIDRÁULICA ..................................................................................................................... 308 
6.1.1 Fundamentos Físicos da Hidráulica. ....................................................................... 309 
6.1.2 Fluido Hidráulico...................................................................................................... 310 
6.1.2.1 Propriedades do Fluido de Pressão ..................................................................................................... 310 
6.1.2.2 Tipos de Óleos Hidráulicos................................................................................................................. 312 
6.2 ELEMENTOS HIDRÁULICOS E ELETRO-HIDRÁULICOS............................................... 313 
6.2.1 Simbologia Gráfica de Hidráulica Segundo DIN ISO 1219 ..................................... 313 
6.2.1.1 Símbolos Básicos................................................................................................................................ 314 
6.2.1.2 Símbolos Funcionais........................................................................................................................... 315 
6.2.1.3 Tipos de Atuação ................................................................................................................................ 316 
6.2.1.4 Conversão de Energia e Armazenamento de Energia ......................................................................... 317 
6.2.1.5 Comando e Regulagem de Energia..................................................................................................... 318 
6.2.2 Unidade Hidráulica / Reservatório........................................................................... 321 
6.2.3 Bombas Hidráulicas................................................................................................. 323 
6.2.3.1 Bombas de Engrenagens..................................................................................................................... 324 
6.2.3.2 Bombas de Palhetas ............................................................................................................................ 326 
6.2.4 Regulador de Pressão............................................................................................. 328 
6.2.5 Regulador de Vazão................................................................................................ 329 
6.2.6 Filtros de Circuitos Hidráulicos................................................................................ 330 
6.3 CIRCUITOS DE COMANDO/CONTROLE HIDRÁULICO ............................................................. 331 
6.3.1 Circuito Aberto......................................................................................................... 332 
6.3.2 Circuito Fechado ..................................................................................................... 332 
6.3.3 Exemplos de Circuitos Hidráulicos.......................................................................... 333 
6.4 TESTE DE AUTOAVALIAÇÃO DA UNIDADE 6................................................................. 335 
77 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................ 338 
88 RESPOSTAS DOS TESTES DE AUTOAVALIAÇÃO ............................................................. 339 
 
 
 
 
 
1 
AUT 
UNIDADE DE ENSINO 1 
11 EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE 
 
“O meio em que o homem vive, é ampliado em função de novos 
conhecimentos, novas opções e, conseqüentemente, novas 
tecnologias. As sociedades humanas não só selecionam um meio 
como também fazem os seus meios” 
 (USHE 1973, p.17) 
 
 
 
Nesta unidade, você deve adquirir as seguintes competências 
 
- Conhecer como evoluiu a tecnologia do controle automático industrial; e 
- Compreender a importância da automação industrial para a sociedade. 
 
 2 
1.1 DEFINIÇÕES, CONCEITOS E IMPORTÂNCIA DA AUTOMAÇÃO 
Nesta subunidade, você deve adquirir as seguintes competências: 
 
- Entender o que é automação industrial; 
- Conhecer a evolução da automação industrial; e 
- Compreender a importância da aplicação da automação industrial para o 
capitalista, o trabalhador e a sociedade. 
- Compreender como o ser humano concebe e realiza um trabalho; e 
- Analisar a concepção do trabalho na ótica do ser humano. 
Provavelmente você já trabalhou com equipamentos, máquinas esistemas 
automatizados. Talvez já tenha lido algumas publicações que tratam do assunto ou escutado 
algumas explicações sobre a automação industrial. 
 
Mas, você seria capaz de definir ou conceituar tecnicamente 
Automação? 
É bem provável que para alguns estudantes responder essa questão será tarefa fácil, 
porém para outros haverá dificuldade. Então, vamos ajudá-los. 
A AUTOMAÇÃO, como é denominado o controle automático nos dias atuais, toma por 
referência o desenvolvimento de um programa para que o controlador do processo execute a 
monitoração e tem por base as técnicas da eletrônica digital. 
Para formalizar esse entendimento, vamos analisar o controle do funcionamento do 
sistema de resfriamento do motor principal (MCP) de um determinado navio, conforme ilustrado 
na figura a seguir. 
 
Fig.1.1 - Sistema de resfriamento do MCP controlado por CLP. 
Durante as manobras de fundeio, atracação ou desatracação de um navio, operando 
com controle manual, as temperaturas e pressões do MCP se modificam em função de maior 
 
 
 
3 
AUT 
ou menor regime de rotação, obrigando o Oficial de Máquinas ou seu auxiliar a manter uma 
atenção especial na operação, abrindo ou fechando as válvulas do referido sistema, isto é, 
aumentando ou reduzindo o fluxo para os aparelhos trocadores de calor (resfriadores), a fim de 
conservar o MCP operando dentro das faixas desejáveis de temperatura. 
No caso de uma falha humana, esta acarretará choques térmicos, ou seja, se o 
operador abrir demasiadamente a válvula e/ou fechá-la imediatamente, causará variações 
elevadas dos máximos e mínimos da temperatura. 
 
Um operador humano, limitado pelas suas capacidades, utiliza o conhecimento 
adquirido e as informações sensoriais, para pensar, analisar e executa a ação mais 
apropriada de controle do processo. 
Porém, se deixarmos aos cuidados de um controlador lógico programável (CLP), 
devidamente programado, a análise dos valores das variáveis enviados pelos transmissores e 
medidos por sensores (S) adequados e a decisão de como deve atuar os acionadores 
(motores) elétricos, pneumáticos ou hidráulicos das válvulas de três vias de controle (CV) do 
fluxo de água dos resfriadores, teremos um sistema de automação, minimizando assim as 
tarefas e os riscos de acidentes. 
 
Na automação, há auto-adaptação a condições diferentes de modo a que as ações do 
sistema de maquinismos conduzam a resultados ótimos. O órgão central de um 
sistema de automação é, na maior parte dos casos, o computador eletrônico. 
O professor português Horta Santos conceitua a AUTOMAÇÃO da seguinte forma: 
 
“Automação é o conjunto das técnicas que permitiram a criação de dispositivos 
capazes de estender o nosso sistema nervoso e a capacidade de pensar”. 
Ele considera também que a automação só foi possível graças ao aparecimento de uma 
nova ciência, a CIBERNÉTICA, e suas realizações concretas apoiadas pelo avanço da 
eletrônica (ROBÓTICA), especialmente no domínio dos COMPUTADORES. 
 
”a CIBERNÉTICA é uma ciência que corta transversalmente os entrincheirados 
departamentos da ciência natural: o céu, a terra, os animais e as plantas. Seu caráter 
interdisciplinar emerge quando considera a Economia não como um economista, a 
Biologia não como um biólogo, e as Máquinas não como um engenheiro. Em cada 
caso seu tema permanece o mesmo, isto é, como os sistemas se regulam, se 
reproduzem, evoluem e aprendem. Seu ponto alto é de como os sistemas se 
organizam.” Gordon Pask (1961), 
A cibernética está ligada à inteligência artificial, na medida em que é a sua 
concretização prática. A inteligência artificial teoriza, e a cibernética encontra formas de 
materializar e de aplicar esses modelos teóricos. 
A cibernética, ligada à robótica, encontra modelos em que os sistemas criados pela 
Inteligência artificial se alojam. Assim, a inteligência artificial relacionada com as ciências 
cognitivas compreende e reproduz os processos mentais, ao mesmo tempo em que a 
cibernética e a robótica compreendem e reproduzem os processos biológicos e motores dos 
seres humanos. Ao longo da história da cibernética e da robótica, máquinas cada vez mais 
próximas dos comportamentos humanos foram substituindo, progressivamente, os autômatos 
que caracterizaram os primeiros passos dessa ciência. 
 
 4 
Atualmente, vemos robôs que jogam futebol em equipe, que dobram folhas de papel, 
atribuindo-lhes formas; que conseguem passar linhas por buracos de agulha, etc.; que 
conseguem realizar tarefas tão minuciosas e tão particulares, que até há bem pouco tempo 
apenas eram do domínio humano. 
As investigações, em cibernética e robótica, caminham no sentido de aperfeiçoar a 
percepção visual e o controle motor dos robôs e de encontrar linguagens de programação que 
permitam uma melhor comunicação homem-máquina, máquina-máquina e máquina-homem. 
Esses assuntos são estudados em cursos avançados de automação. 
Diversos Engenheiros e autores, de livros sobre controle automático de processos, 
consideram a necessidade de fazer distinção idiomática dos vocábulos AUTOMAÇÃO e 
AUTOMATISMO, para melhor entendimento do controle automático nos dias atuais. 
 
“automação significa a dinâmica organizada dos automatismo, ou seja, suas 
associações de uma forma otimizada e direcionada à consecução dos objetivos do 
progresso humano.” FIALHO1, 
 
 
“automatismo, são os meios, os instrumentos, máquinas, processos de trabalho, 
ferramentas ou recursos, capazes de potencializar, reduzir, ou até mesmo eliminar a 
ação humana” (FIALHO) 
Por outro lado, sabe-se que as inovações mecânicas e as modernas tecnologias 
produzem desemprego nas áreas industriais; porém, os economistas, os sociólogos e outros 
estudiosos do assunto nunca chegaram a um consenso sobre esse desemprego ser transitório 
ou permanente. Da mesma forma, não sabemos se a automação contribui para a promoção ou 
o aviltamento dos trabalhadores. 
O importante é que você saiba que a automação destina-se a estimular a 
produtividade e a reduzir o custo unitário da produção. Por essas características, ela tem 
sido o grande propulsor da chamada “globalização”, interferindo nos canais de comunicação, 
na diplomacia e, por fim, no volume do comércio internacional. 
 
Quais fatos explicam a evolução do controle automático de processos 
industriais? 
Ao recorrermos aos registros históricos da humanidade, verificamos que, nos 
primórdios, os sistemas de controle de processos industriais foram projetados e desenvolvidos 
por meio de procedimentos empíricos baseados na intuição e na experiência cumulativa, ou 
seja, a maioria dos raciocínios envolvidos não tinha por base cálculos matemáticos ou 
aplicação de conhecimentos da física. 
Contudo, esta aproximação não cientifica e por tentativas, como ocorreu, satisfez as 
necessidades de controle por longo tempo. 
Da mesma forma, os historiadores consideram que o maior desenvolvimento 
tecnológico que a humanidade já presenciou ocorreu no século XX e que uma das tecnologias 
que mais repercussão alcançou e se mantém em constante desenvolvimento é a de controle 
automático de processos industriais, ou seja, da automação industrial. 
 
1 Fialho, Arivelto Bustamante (2003). 
 
 
 
5 
AUT 
 
Fig.1.2 - O ser humano e seu ambiente artificial 
Os principais cien-
tistas dedicados ao estudo 
do desenvolvimento tec-
nológico consideram que 
a evolução do controle 
automático ocorreu devido 
à necessidade de o ser 
humano superar as suas 
limitações. 
Na atualidade, esta importância sustenta-se em dois fatos principais: 
 
1. substituir o trabalho humano nas tarefas monótonas, repetitivas, inseguras e 
cansativas; e 
2. permitir, com baixo custo de investimento, sensível melhoria na qualidade 
de operaçãodos processos, o que possibilita ao produto fabricado ser 
competitivo no mercado, gerando lucros razoáveis. 
Para Horta Santos, desde os seus primórdios, o ser humano vem criando dispositivos 
que possibilitem estender as suas capacidades, ou seja, seus poderes, tais como: 
- habitações e vestuários para se proteger, como extensão de sua epiderme; 
- a piroga (canoa), carroça, carro, trem, avião, foguete, etc., ampliando a sua 
capacidade de locomoção; 
- as máquinas para ampliar o poder de seus músculos e agir sobre a natureza; 
- o rádio e o telefone, para ouvir e falar mais longe; 
- o telescópico, a televisão e o radar, para amplificar a sua própria capacidade de ver; e 
- o computador, que aumentou e aperfeiçoou o seu poder de comunicação e controle. 
 
Neste momento é importante que você faça uma reflexão sobre o que lhe foi 
apresentado. Anote os pontos de que discorda, justificando-os a seguir crie 
exemplos para os fatos com que concorda, etc. 
1.2 A CONCEPÇÃO HUMANA DO TRABALHO 
O processo de evolução de uma invenção tecnológica envolve um trabalho humano 
que, quase sempre, implica a alteração do meio ambiente e do padrão de comportamento da 
humanidade, originando nova fase de desenvolvimento. 
 
Como se define o trabalho humano? 
 
 
O trabalho é uma atividade que consiste em atuar sobre as matérias primas 
encontradas na natureza, com o objetivo de transformá-las, para melhor 
satisfazer as necessidades das espécies. 
 
 
 6 
 
“O trabalhador não transforma apenas o material sobre o qual opera; ele imprime ao 
material o projeto que tinha conscientemente em mira, o qual constitui a lei 
determinante do seu modo de operar ao qual tem de subordinar sua vontade” 
(Aristóteles) 
O que regula o trabalho nos outros animais é a sua característica instintiva, que lhe é 
inata, antes de aprendida. Já no trabalho humano, o mecanismo regulador é o poder do 
pensamento conceptual, que tem origem em todo um excepcional sistema nervoso. 
Assim sendo, só a espécie humana é capaz de fazer um trabalho propositadamente 
orientado pela inteligência. É esse modo de trabalho que faz a humanidade evoluir e que 
mantém a evolução. As diversas formas sociais que conhecemos e as que ainda hão de surgir 
dependem da característica distintiva do trabalho humano. 
O processo de trabalho começa com um contrato ou acordo que estabelece as 
condições da venda das forças de trabalho pelo trabalhador e sua compra pelo empregador. 
Portanto, no contrato normal de trabalho: 
 
“O que o trabalhador vende e o que o capitalista compra não é uma quantidade 
contratada de trabalho, mas a força para trabalhar por um período contratado de 
tempo”. (MAX, 1985) 
1.3 EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS INDUSTRIAIS 
Nesta subunidade, você deve adquirir as seguintes competências: 
 
- Reconhecer os principais inventos relacionados às máquinas que 
contribuíram para o desenvolvimento dos sistemas de controle. 
- Compreender como ocorreu a evolução das técnicas industriais. 
No mundo ocidental, a evolução industrial ocorreu com grande lentidão até o início do 
emprego das máquinas térmicas, pois as sociedades antigas viviam da economia agrária e 
artesanal, com produções domiciliares, voltadas para um pequeno mercado interno. 
 
Fig.1.3 - Ferramentas primitivas 
 
Fig.1.4 - Ferramentas para trabalho em madeira 
As técnicas predominantes eram rudimentares, baseadas em processos empíricos, 
transmitidos de geração em geração, e empregavam apenas ferramentas simples (manuais), 
inventadas com base na utilização da energia muscular de origem humana ou animal, pois 
essas não se diferenciavam. Os resultados alcançados satisfizeram as necessidades 
específicas do momento e, por razões relacionadas ao sobrenatural religioso, as investigações 
praticamente pararam no tempo. 
 
 
 
7 
AUT 
Antes de prosseguirmos, é importante que saibamos as definições técnicas de 
ferramentas e máquinas, para obtermos uma melhor compreensão dos fatos relacionados as 
técnicas industriais de controle. 
 
“ferramentas são os utensílios empregados para execução direta de certos trabalhos 
que envolvam os atos de bater, esfregar e cortar”. Marx 
O termo “máquina” é de difícil definição tendo em vista a sua diversidade de aplicação. 
Adotamos a definição de de Karl Marx2, que acreditamos ser a mais concisa, pois ele tomou 
por base os pensamentos de Poncelet, Ure e Babbage. Porém, também citaremos as 
definições de Willis e Reùleaux, que fazem distinções entre a parte e o todo. 
 
“toda a maquinaria inteiramente aperfeiçoada consiste em três partes essencialmente 
diferentes: o mecanismo motor, o mecanismo de transmissão e, por fim, a 
ferramenta ou máquina de acionamento”. Marx 
 
“toda máquina consiste em uma série de peças ligadas entre si de formas variadas 
que, ao se movimentar uma delas, todas elas recebem um movimento, cuja relação 
com o da primeira é governada pela natureza da conexão”. Willis 
 
“uma máquina é uma combinação de corpos resistentes, dispostos de tal forma que, 
por seu intermédio, as forças mecânicas da natureza podem ser coagidas a efetuar 
trabalhos, acompanhados por certos e determinados movimentos”. Reùleaux 
 
 
Fig.1.5 - Ferramentas manuais para calafetar 
embarcações 
1 - 
2 - 
3 - 
4 - 
5 - 
6 - 
7 - 
8 - 
9 - 
10 - 
11 - 
12 - 
13 - 
14 - 
15 - 
16 - 
17 - 
 
 
Observando a figura 1.5, consulte um dicionário técnico ou mesmo um colega, 
para identificar os nomes das ferramentas enumeradas de 1 a 17. 
Mas, foi no tratado de Herão de Alexandria, sobre “Mecânica”, que começaram a ser 
definidas matematicamente as aplicações das “máquinas” ferramentas simples. No seu 
estudo sobre levantamento de grandes pesos, ele demonstrou como cinco máquinas simples 
poderiam movimentar um peso por meio de uma determinada força. 
Por mais que as ferramentas tenham sido criadas para serem utilizadas com as mãos, 
muitas delas foram adaptadas a máquinas, sem grandes alterações da forma ou da finalidade. 
O aperfeiçoamento técnico delas ocorreu por acaso, em cima das próprias dificuldades e 
 
2 Karl Marx, Capital. Vol I, p. 407. Chicago: , 1912 
 
 8 
necessidades do trabalhador, em peças e ferramentas de seu uso, buscando diminuir o esforço 
empregado, melhorar a performance de seu trabalho e a qualidade de vida. 
Não houve análise da aplicação prática, porque não havia nenhuma preocupação com a 
produtividade e com a incidência da mão-de-obra no custo do produto final ou coisa 
parecida já que esses conceitos eram desconhecidos antes da era industrial. 
 
Os historiadores da Antiguidade consideram que tenha sido a alavanca a primeira 
ferramenta mecânica empregada pelo ser humano. 
Nas figuras a seguir são ilustradas ferramentas, as máquinas-ferramentas simples e 
algumas aplicações de instrumentos ou equipamentos simples da Antiguidade 
 
Fig.1.6 - Ferramentas para trabalho manual em oficinas 
 
Fig.1.7 - Alavanca 
 
Fig.1.8 - Alavanca 
 
Fig.1.9 - Cunha 
 
Fig.1.10 - Roda e eixo 
 
Fig.1.11 - Parafuso 
 
Fig.1.12 - Roldana 
 
Fig.1.13 - Plano Inclinado 
 
Fig.1.14 - Nora romana aperfeiçoada 
 
 
 
9 
AUT 
 
Fig.1.15 - Parafuso de água de Arquimedes 
Também era empregado para esgotar os porões 
dos navios. 
 
Fig.1.16 - Cadeia de alcatruzes 
 
Fig.1.17 - Guincho romano 
 
Fig.1.18 - Guindaste romano 
 
Fig.1.19 - Picota (shafus). 
A picota, também conhecida como 
cegonha, era utilizada no Egito (550a.C.), 
para tirar água de poços ou de rios. Ao 
lado, uma foto, onde vemos egípcios 
utilizando-as na captação de água do rio 
Nilo para se usadana irrigação das 
plantações agrícolas. 
Fig.1.20 - Exemplo do emprego da picota 
 
 
 10 
 
Fig.1.21 - Transmissão mecânica por meio de 
engrenagens, acionada por roda d’água. 
Invenção romana do século IV. 
Conforme as dificuldades iam 
surgindo, os homens usavam de sua 
inteligência para estudá-las e superá-
las. Assim, foram criadas as 
máquinas primitivas e as formas de 
controlá-las, ou melhor, iniciaram-se 
os estudos que originaram os 
“tratados” sobre mecânica pura e 
aplicada. 
 
Tratados são os escritos dos inventores ou cientistas sobre os estudos que fizeram 
sobre os seus inventos, que precederam a intuição ou foram feitos depois da 
concepção da idéia 
Dentre os tratados da Antiguidade, destacamos os de: 
- Filon de Bizâncio (270-200 a.C.); 
- Marcus Vitruvius Pollio (Séc. II a.C.); 
- Aristóteles (384-322 a.C.); 
- Euclides (Séc. III a.C.); 
- Herão de Alexandria (Séc. II d.C.); e 
- Pappus de Alexandria (284-305 d.C.). 
 
 
AGORA TEMOS UM DESAFIO! Escolha um dos cientistas mencionados, para 
fazer uma pesquisa sobre o que eles estudaram em seus tratados. 
 
As bases para a análise e a concepção 
dos mecanismos de engrenagens, elementos 
principais dos primeiros sistemas de controle, 
foram definidas pelos fabricantes de relógios3. 
Começou com os tratados do século XIII em 
árabe e castelhano sobre os relógios de água, 
os quais foram empregados desde o antigo Egito 
até o século XVIII. 
No século XIV, sugiram os relógios 
mecânicos, destacando-se o tratado de 
Giovanni Dondi sobre o seu relógio planetário e 
o relógio do Palácio da Justiça de Paris, no 
reinado de Carlos V. 
 
Fig.1.22 - Relógio marítimo de Christian 
Huygens (1661) 
 
3 Ou t ras i n fo rm aç ões cons u l t em USHE (H i s tó r i a das I nvenções Mec ân ic as , 1973 ) . 
 
 
 
11 
AUT 
 
Fig.1.23 - Imprensa medieval 
Nesta evolução, devemos destacar, 
também, a invenção da imprensa, que se 
deu na Alemanha por volta de 14574 e 
espalhou-se por toda a Europa, 
propiciando o registro das grandes 
invenções e os desenhos precisos das 
máquinas e mecanismos de Leonardo da 
Vinci (1451-1519), além de alguns 
tratados da mecânica. 
O aperfeiçoamento das técnicas da 
metalurgia, principalmente daquelas aplicadas à 
fundição de peças de ferro, que contribuiu para o 
desenvolvimento da mais importante máquina-
ferramenta que o homem inventou, o torno 
mecânico. A partir de então, foi possível 
construir com mais precisão as peças dos seus 
conjuntos mecânicos, como eixos, polias, 
engrenagens, cames etc., assim como outras 
máquinas, propiciando a confiabilidade dos 
mecanismos e a automatização dos seus 
funcionamentos. 
Fig.1.24 - Torno de veio (eixo) (1785) 
1.4 EVOLUÇÃO DO EMPREGO DAS FONTES DE ENERGIA FLUIDAS 
Nesta subunidade, você deve adquirir a seguinte competência: 
 
- Compreender a evolução do emprego das fontes de energia fluídas 
conhecidas; 
- Conhecer os aspectos básicos relacionados a energia; e 
- Entender os tipos de energia. 
Energia é o termo técnico, originário da Física, mais empregado em nossa vida 
cotidiana. Foi estudado no Módulo Mecânica Técnica, porém vamos rever o assunto, na 
perspectiva de dirimir qualquer dúvida que tenha ficado com relação a questão das “energia 
pneumática” e “energia hidráulica”. 
Por ser uma palavra muito abrangente e, por isso mesmo, muito abstrata energia é 
difícil de ser definida com poucas palavras de um modo preciso. 
 
4 O mais antigo livro impresso de que temos noticias é o Livro de Salmos de Mogúncia, de 1457 (fonte de consulta: 
Grandes Impérios e Civilizações – A Europa Medieval. Vol. II – Edições Delprado) 
 
 12 
 
Usando apenas a experiência do nosso cotidiano, poderíamos conceituar energia 
como “algo que é capaz de originar mudanças no mundo”. 
Exemplos: O deslocamento de uma embarcação. A queda de uma folha. A correnteza de um 
rio. A rachadura em uma parede. O vôo de um inseto. A remoção de uma colina. A construção 
de uma represa. Em todos esses casos, e em uma infinidade de outros que você pode 
imaginar, a interveniência da energia é um requisito comum. 
 
Como já visto, muitos livros definem energia como “capacidade de realizar 
trabalho”. Mas esta é uma definição limitada a uma área restrita da física: a 
Mecânica. 
À medida que procuramos abranger outras áreas da Física (calor, luz, eletricidade, por 
exemplo) no conceito de energia, avolumam-se as dificuldades para se encontrar uma 
definição concisa e geral. Mais fácil é descrever aspectos que se relacionam à energia e 
que, individualmente e como um todo, nos ajudam a ter uma compreensão cada vez melhor do 
seu significado. 
- Conversão de energia: A quantidade que chamamos energia pode ocorrer em diversas 
formas. Ou seja a energia pode ser transformada, ou convertida, de uma forma em outra. 
Exemplo: A energia mecânica de uma queda d’água é convertida em energia elétrica a qual, 
por exemplo, é utilizada para estabilizar a temperatura de um aquário (conversão em calor) 
aumentando, com isso, a energia interna do sistema em relação à que teria à temperatura 
ambiente. As moléculas do meio, por sua vez, recebem do aquário energia que causa um 
aumento em sua energia cinética de rotação e translação. 
- Transferência de energia: Cada corpo e igualmente cada “sistema” de corpos contém 
energia. Energia pode ser transferida de um sistema para outro. 
Exemplo: Um sistema massa/mola é mantido em repouso com a mola distendida. Nestas 
condições, ele armazena energia potencial. Quando o sistema é solto, ele oscila durante um 
determinado tempo mas acaba parando por causa do atrito e da resistência do ar. A energia 
mecânica que o sistema possuía inicialmente acaba transferida para o meio que o circunda (ar) 
na forma de um aumento da energia cinética de translação e rotação das moléculas do ar. 
- Conservação de energia: Quando energia é transferida de um sistema para outro, ou 
quando ela é convertida de uma forma em outra, a quantidade de energia não muda . 
Exemplo: A energia cinética de um automóvel que pára é igual à soma das diversas formas de 
energia nas quais ela se converte durante o acionamento do sistema de freios que detém o 
carro por atrito nas rodas. 
- Degradação de energia: Na conversão, a energia pode transformar-se em energia de 
menor qualidade, não aproveitável para o consumo. Por isso, há necessidade de produção 
de energia apesar da lei de conservação. Dizemos que a energia se degrada. 
Exemplo: Em nenhum dos três exemplos anteriores, a energia pode “refluir” e assumir sua 
condição inicial. Nunca se viu automóvel arrancar reutilizando a energia convertida devido ao 
acionamento dos freios quando parou. Ela se degradou. Daí resulta a necessidade de 
produção constante (e crescente) de energia. 
 
 
 
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- Energia Mecânica são todas as formas de energia relacionadas com o movimento de 
corpos ou com a capacidade de colocá-los em movimento ou deformá-los 
As classes de energia mecânica são: 
1. Energia potencial (Ep): É a que tem um corpo que, em virtude de sua posição ou 
estado, é capaz de realizar trabalho; 
2. Energia Cinética (EC) : É a que todo corpo em movimento tem associada a esse 
movimento que pode vir a realizar um trabalho (em uma colisão por exemplo). 
- Manifestação da energia - As forças, que integradas manifestam a existência do Universo 
estão associadas as três formas de energia existentes: a Energia Gravitacional, a Energia 
Eletromagnética e a Energia Nuclear. Juntas, elas criam o todo e tudo que existe é formado 
por elas. 
1. A energia gravitacional é manifestada pela força de atração entre corpos que 
possuem massa, produzindouma ação sobre toda a matéria existente. 
 Apesar da força da gravidade ser a mais fraca de todas, possui uma intensidade de 
longo alcance atuando no Universo como um todo. 
 
A gravitação solar participa - em conjunto com a energia eletromagnética e a 
nuclear - na composição da energia solar. Por meio da gravitação terrestre, causa 
influência no movimento das massas de ar e água, contribuindo para formação da 
energia fluídica. 
2. A energia eletromagnética se origina da fonte de interação da força da carga 
elétrica. Resulta numa força de atração ou repulsão entre partículas, conforme suas 
polaridades 
 
A energia eletromagnética participa da composição da energia solar e é a sua própria 
manifestação, pois é por meio dela que a energia radiante do sol chega até nós. 
Pelas ligações atômico-moleculares forma a energia química, que em conjunto com o 
sol origina a biomassa. 
3. A energia nuclear resulta das forças que atuam entre as partículas que compõem o 
núcleo da matéria. 
 
A fusão nuclear possibilita a liberação de energia no interior do sol, contribuindo 
para formação da energia solar. As ligações nucleares originam os elementos 
radioativos, que pela fissão nuclear produzem grandes quantidades de energia em 
forma de calor. Esse processo resulta em produção de resíduos de alto impacto 
social e ambiental, inviabilizando o uso dessa fonte como substituta da geração 
termelétrica. A alternativa para o aproveitamento dessa fonte energética é por meio 
da energia geotérmica. 
4. A energia solar é formada pela gravitação solar, juntamente com a energia 
eletromagnética e as reações nucleares (fusão=junção; fissão=separação) no 
interior do sol. A parcela da energia solar que chega até a terra contribui na 
composição do planeta e manifesta a vida. 
 
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“ A energia solar pode ser armazenada pelos vegetais através da fotossíntese 
na forma de hidratos de carbono, originando a biomassa. Também chamada 
massa da vida, compreende toda matéria orgânica animal (zoomassa) ou 
vegetal (fitomassa). Restos e rejeitos orgânicos industriais, urbanos e rurais, 
dejetos oriundos do sistema de esgoto e aterros sanitários, são também fonte 
de biomassa energética. O petróleo é biomassa fóssil, possuindo um período 
de formação de milhões de anos” . 
“As energias química, mecânica e elétrica compreendem três formas de 
energia que estão diretamente associadas com as energias que forma o todo: 
energia eletromagnética, energia nuclear e energia gravitacional. Devido 
a essa característica, toda manifestação de vida na biosfera é resultante da 
transformação da energia solar em energia química (produção de hidratos de 
carbono, gorduras e proteínas a partir da fotossíntese) e da energia química 
em energia mecânica e calor no metabolismo celular. A origem dos recursos 
abióticos é produto das reações nucleares e químicas nas diferentes fases de 
formação geológica da Terra” (STI/MIC, 1979). 
5. A energia fluídica ou fluxo, como os físico preferem, é originada pela influência da 
energia solar no aquecimento e evaporação das massas de ar e marítimas, e pela 
força de gravitação terrestre devido à energia gravitacional. Através da fotossíntese, 
forma a biomassa. Portanto, a conversão da energia solar em fluídica e biomassa é 
fundamental para existência da Terra. 
 
Energia de fluxo é composta da energia hídrica e da energia eólica. Água e ar são 
elementos equivalentes com densidades diferentes, ambos são chamados fluídos. 
Como já mencionado, o Homem desde o próprio processo de hominização (formação 
do ser humano), que busca superar suas dificuldades, assim primitivamente utilizou-se do fogo 
como fonte de calor e luz, tanto para cozinhar os alimentos quanto, para iluminar os 
ambientes. Mais tarde o fogo passou a ser empregado no tratamento térmico de materiais e 
tornou-se elemento constitutivo do próprio crescimento da humanidade, em sua vida material, 
cotidiana e simbólica. 
Na sua evolução o Homem, para à realização de trabalhos que empreguem força e 
movimento não compatível com o ser humano, passou a utilizar-se das diversas fontes de 
energia disponível na natureza. 
Os estudos pioneiros sobre a mecânica permitiram que, aos poucos, houvesse uma 
evolução da utilização da energia muscular dos animais e dos homens para as energias 
fluidas (fluxo): eólica e hidráulica, depois para a pneumática e, mais tarde com estudos 
modernos, para as energias térmica e elétrica. 
 
Sabe-se que os chineses, nos primórdios da civilização, foram os primeiros seres 
humanos a fazer uso da energia eólica sobre as velas, para propulsão das 
embarcações, e que permaneceram até os dias atuais. 
No Ocidente, os primeiros estudos sobre emprego do ar comprimido (pneumática) são 
encontrados nos trabalhos de Filom, de Bizâncio, e de Herão, de Alexandria. Mas, sabe-se 
que as primeiras aplicações da pneumática ocorreram por volta do ano 2.500 a.C. em “foles” 
e mais tarde, também, foi utilizado em equipamentos de mineração, em usinas siderúrgicas e 
em órgãos musicais. 
 
 
 
 
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Fig.1.25 - Emprego da energia eólica na propulsão de embarcações a vela. 
Depois, no final do século XV, a eólica foi utilizada nos moinhos de vento da agricultura 
européia e nas azenhas. O aperfeiçoamento do funcionamento do moinho de vento fez 
aparecer um dos primeiros instrumentos de controle automático: 
 
O aparelho de posicionamento automático do hélice do moinho de vento 
(mostrado na figura a seguir), inventado por Meikle em 1750. 
 
 
Fig.1.26 - Moinho de vento – Meikle 
Esse aparelho fazia o ajuste automático 
do eixo do hélice, visando a uma melhor 
posição relativa ao vento. 
Funcionamento: O pequeno hélice h é um 
motor que gira enquanto o vento não está a 90º 
de seu eixo. Sua rotação gira toda a estrutura 
superior e carrega o eixo do hélice principal, H. 
Quando o pequeno hélice (h) pára com seu 
eixo a 90º do vento, o hélice grande (H) pára na 
direção do vento, obtendo assim a posição de 
máxima captação de energia. 
Porém, a aplicação da pneumática na indústria, passou a ocorrer sistematicamente 
somente em meados do século XIX em ferramentas de perfurar, em locomotivas, em “correio” 
de tubos e outros dispositivos acionados por ar comprimido. 
Por volta de 1920, começou a ser empregado como ar de controle na automatização e 
racionalização dos processos de trabalho, tendo se acentuado a partir de 1950. Nos dias atuais 
a energia eólica é bastante aproveitada no acionamento de geradores de energia elétrica, de 
construção semelhante aos moinhos de vento. 
 
A palavra “Pneumática” provém da expressão pneuma, do antigo grego, que 
significa fôlego (respiração), vento e humanidade. Nos dias atuais, nos navios e na 
Indústria trata especificamente do ar de controle. 
 
 
Todos os gases são facilmente compressíveis, e é esta propriedade que mais os 
diferencia dos líquidos como meio de transmissão de energia. 
 
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Exemplos: O comportamento de um gás, ao transmitir energia, pode ser entendido facilmente, 
analisando-se os exemplos a seguir: 
- Se pegarmos uma bomba comum de bicicleta, puxarmos o cabo para fora e cobrirmos com 
o dedo a saída, o ar no interior comportar-se-á de forma muito semelhante a uma mola; 
um peso colocado sobre o cabo oscilará para cima e para baixo. 
- Se colocarmos um corpo razoavelmente pesado sobre uma mesa e empurrarmos com o 
cabo da bomba, ainda com a saída fechada, notar-se-á que o êmbolo entra ou sai à 
medida que varia o atrito do corpo contra a mesa. 
- Sacudir para cima e para baixo o cabo da bomba não produzirá nenhum aquecimento 
apreciável; mas, se a bomba for usada continuamente para forçar a saída de ar sobre 
pressão, ela acabará ficando bastante quente, assim como o ar que a deixa. 
- Ao se esvaziar um pneu