Mão hidraulica aplicação

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MÃO HIDRAULICA E APLICAÇÕES
David Sebastião Lopes Barbosa
 Ignácio Witkowsky Neto
Jean Carlos da Silva 
Rafael Barbosa da Cruz Gomes
William Matheus Costa
Professor: Joziel
ASSEVIM – UNIASSELVI
Engenharia Mecânica
Introdução a engenharia
Data: 01/04//2016
RESUMO:
Este artigo tem como proposta estudar e desenvolver uma pesquisa sobre conceitos e fundamentos da hidrostática juntamente com o desenvolvimento de um protótipo de uma mão hidráulica que possua esses mesmos conceitos e os demostre de forma prática. A mão hidráulica tem como finalidade também executar movimentos básicos que se assemelham a movimentação e articulação de uma mão humana sendo este protótipo fabricado de materiais simples e de fácil acesso, para a demonstração de forma lúdica. A escolha deste projeto também tem por finalidade mostrar como funcionam as mãos biônicas, e o decorrente mercado quem vem crescendo atualmente na produção dessas mãos, tendo em vista que o custo de produção e desenvolvimento deste tipo de objeto é caro e inacessível, e mesmo assim esforços vem sendo realizados atualmente para que as mãos biônicas se tornem mais comuns e de acesso as pessoas com necessidades.
PALAVRAS-CHAVE: Hidrostática, mão biônica, tecnologia.
INTRODUÇÃO:
	Com o crescente avanço tecnológico pesquisas vêm sendo realizadas para melhorar a qualidade de vida do ser humano. Neste contexto se encaixam pessoas que possuem a ausência de algum membro, seja a falta dele causada por algum acidente ou até mesmo uma deformidade no desenvolvimento embrionário.
	É de fato que hoje em dia já existem inúmeras próteses tanto de membros inferiores quanto de superiores, que funcionam muito bem e identificam os movimentos através de sensores que percebem a contração muscular e assim executam o movimento desejado, porém esta não é uma tecnologia acessível a todas as pessoas, devido ao auto custo de produção e desenvolvimento destas próteses.
	No entanto, é possível fabricar uma prótese similar na qual possibilita movimentos simples que atendem de forma satisfatória o usuário. Utilizando materiais simples como polímeros e alguns sistemas eletromecânicos já é possível desenvolver uma mão biônica relativamente funcional e de baixo custo.
	Contudo, iremos desenvolver neste trabalho uma maneira simples de demostrar o funcionamento de uma mão biônica por meio de sistemas hidráulicos apenas para entendermos o seu funcionamento, os movimentos, a força aplicada, resistência, etc. A hidráulica não é utilizada nas mãos biônicas atualmente, porém ela servirá para demostramos o funcionamento da mão biônica. Também serão apresentados os princípios básicos da hidráulica para fins aprendermos mais sobre esta área especificamente.
Justificativa: 
	Devido os avanços tecnológicos, a empregabilidade do mesmo em nossas vidas se tornou algo comum. As mãos robóticas são uma revolução no meio de próteses que antes eram simples e sem nenhuma funcionalidade. Portanto neste trabalho vamos abordar um método simples e lúdico de uma prótese de uma mão na qual seus movimentos serão realizados com a atuação de seringas hidráulicas, com finalidade de representar como funciona uma mão robótica.
Objetivo geral: 
	Desenvolver um protótipo de prótese de uma mão, com atuação hidráulica para simples demonstração de sua funcionalidade.
Objetivo específico: 
Realizar uma pesquisa explorando conceitos básicos da hidráulica;
Construir o protótipo de uma mão hidráulica;
Aliar conteúdo teórico hidráulico com a prática.
MÃO HIDRAULICA E APLICAÇÕES
História da hidráulica:
A hidráulica esteve presente ao longo de praticamente toda a história da humanidade. Seu início se deu nas primeiras sociedades urbanas organizadas. Sociedades essas que sempre procuravam se estabelecer em locais próximos a cursos d’águas, onde pudessem suprir as necessidades de água para o consumo e higiene, e também para as primitivas atividades agrícolas. No entanto, com o crescimento destas aglomerações humanas, nem sempre se tinha água disponível no local e em quantidade suficiente. Foi aí que se tornou necessária a implantação das primeiras obras de condução da água, que estão na base do que conhecemos hoje como Engenharia Hidráulica.(AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	Foram encontrados vestígios de obras hidráulicas datadas de 4.000 a 3.000 a.C. no Egito, Índia, Paquistão, Iraque, Turquia e China. Na Mesopotâmia (atual Iraque) foi encontrado um dos mais antigos vestígios de obras hidráulicas, um complexo sistema de canais de irrigação e de navegação construídos pelos Sumérios. Existem também indícios de que os egípcios implementaram uma rede de medidas de nível d’água do rio Nilo, possibilitando o monitoramento do nível do rio e o primeiro sistema de previsão de cheias que se tem notícia. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	Na China antiga, a engenharia hidráulica estava altamente desenvolvida, sendo construídos enormes canais com diques e barragens para canalizar a água para irrigação, e eclusas que permitiam o atravessamento de navios. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	Estudos científicos só começaram a surgir na Grécia, aproximadamente no século III a.C. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	Na Idade Média o grande feito foi o aproveitamento das fontes de energia hidráulica, com as rodas d’água. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
Os conhecimentos acumulados desde as origens de Roma, se aprimoraram notavelmente a partir do século XV. No início do século XVI, Leonardo Da Vinci desperta novas ideias sobre o princípio da conservação da massa, efeito do atrito no escoamento e velocidade de propagação de ondas. Em seguida vários outros pesquisadores da época que abordaram esse assunto. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	No século XVII, com as contribuições de matemáticos e físicos, surge a hidrodinâmica No século seguinte, foi fundada a École Nationale des Ponts et Chaussées (1744), primeira escola de engenharia do mundo nos atuais moldes. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	No final do século XVIII e início do XIX, os estudos e as pesquisas na área da hidráulica se intensificaram resultando na publicação de tratados, livros e ensaios. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	No século XIX, na hidráulica prática, destacam-se os estudos e introdução de conceitos sobre viscosidade e turbulência relativos à resistência aos escoamentos e perda de carga. Estes trabalhos são usados até hoje. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
	No século XX, em função do intenso desenvolvimento industrial iniciado no final do século anterior, é introduzida a teoria da camada limite e elucidando o comportamento distinto do fluxo de acordo com as condições de contorno e as divergências entre a hidráulica teórica e a hidráulica experimental, dando origem à Mecânica dos Fluidos, que é o tema abordado no trabalho. (AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016).
Conceitos da hidráulica:
Hidrostática:
A hidrostática é de suma importância para a física. Suas leis revelam o comportamento de elementos como pressão aplicada, massa e densidade de corpos e substâncias, considerando um campo gravitacional constante. A hidrostática é a parte da física que estuda os líquidos e os gases em repouso, sob ação de um campo gravitacional constante, como ocorre quando estamos na superfície da Terra. As leis que regem a hidrostática estão presentes no nosso dia-a-dia, mais do que podemos imaginar. Elas se verificam, por exemplo, na água que sai da torneira das nossas residências, nas represas das hidrelétricas que geram a energia elétrica que utilizamos e na pressão que o ar estáexercendo sobre você nesse exato momento.
A hidrostática se baseia em três leis básicas:
Lei de Pascal;
Lei de Stevin;
Lei de Arquimedes.
Mas antes de conhecer tais leis devemos fixar alguns conceitos como densidade, massa específica e pressão.
Densidade: 
Define-se densidade (também massa volúmica, densidade absoluta ou massa volumétrica) r de um material como a relação entre a sua massa e o se volume, Desta forma pode-se dizer que a densidade mede o grau de concentração de massa em determinado volume. O símbolo para a densidade é ρ (a letra grega ró) e a unidade SI para a densidade é quilogramas por metro cúbico (kg/m³). De maneira formal, analisamos apenas uma pequena porção do material de massa e volume e definimos a sua densidade como:
p = Δm / ΔV
E se este material tiver uma distribuição uniforme de massa, a sua densidade será a mesma em todas as suas partes. Nesse caso teremos:
p = m / V
Densidade relativa é a relação entre a densidade da substância em causa e a massa volúmica da substância de referência (a água é geralmente tomada como referência). É uma grandeza adimensional, devido ao quociente. Quando se diz que um corpo tem uma densidade de 5, quer dizer que tem uma massa volêmica 5 vezes superior à da água (no caso dos sólidos e líquidos).
Massa específica: 
Onde m é a massa da porção de substância e V é o volume ocupado por ela. No Sistema Internacional de Unidades a unidade de massa específica é kg / m³.
u = m / V
Lembre-se de que a massa específica de uma substância (u) não é necessariamente igual à densidade (p) de um corpo formado totalmente dessa substância. Elas são diferentes quando o corpo não é maciço: se o corpo possui em seu interior espaços vazios, ele ocupa um volume bem maior do que ocuparia se fosse composto.
É importante ter clareza de que a massa específica é definida para uma substância e que a densidade é definida para um corpo.
Supõe-se, pois que o material seja homogêneo e isotrópico ao longo de todo o volume considerado para o cálculo, e que este seja maciço. Um objeto oco pode ter densidade muito diferente da massa específica do material que os compõem, a exemplo os navios. Embora a massa específica do aço seja maior do que a massa específica da água, a densidade de um navio assumido uma estrutura "fechada", é certamente menor do que a da água.
Para líquidos e gases as expressões densidade e massa específica dada às propriedades físicas destes estados acabam sendo utilizadas como sinônimos.
Pressão:
Pressão é uma grandeza que quantificada através da razão entre a força (F) e a área (A) da superfície em questão, onde a força é aplicada. É possível determinar a pressão através de alguns instrumentos, entre eles o manômetro, o barômetro, o piezômetro e o vacuômetro. Segundo o Sistema Internacional, a pressão é medida na unidade N/m² (Newton por metro quadrado), unidade igualmente conhecida como pascal. Existem outras unidades como bar, PSI (equivale a 0,07 bar), mmHg, milibar, atm.
p = F / A     ou      p = dFn / dA
Pressão hidrostática é obtida através do quociente entre a força "normal" (F) que atua em um líquido do lado de um objeto e que é independente da sua orientação. Pode variar dependendo da profundidade do objeto considerado.
Princípio fundamenta da hidrostática:
O Princípio fundamental da hidrostática nos informa sobre o comportamento da pressão que age sobre um objeto mergulhado num líquido em repouso. O princípio afirma essencialmente que a pressão aumenta com a profundidade do objeto. Demonstrando que a pressão em cada ponto não depende apenas da densidade do líquido no qual se encontra imerso, mas também da profundidade a que se encontra determinado objeto.
Empuxo:
Denomina-se empuxo a força vertical, dirigida para cima, que qualquer líquido exerce sobre um corpo nele mergulhado.
Consideramos um corpo mergulhado em um líquido qualquer. Como já sabemos, o líquido exercerá forças de pressão em toda a superfície do corpo em contato com este líquido. Como a pressão aumenta com a profundidade, as forças exercidas pelo líquido, na parte inferior do corpo, são maiores do que as forças exercidas na parte superior. A resultante destas forças, portanto, deverá ser dirigida para cima. É esta resultante que representa o empuxo que atua no corpo, tendendo a impedir que ele afundasse no líquido.
 	Observe, então que a causa do empuxo é o fato de a pressão aumentar com a profundidade. Se as pressões nas partes superiores e inferiores do corpo fossem iguais as forças de pressão seria nula e não existiria o empuxo sobre o corpo.
Quem pela primeira vez verificou este fato foi o físico grego Arquimedes (282-212 a.C.), a história conta que em seu famoso banho ao descobrir como solucionar o problema do “peso” da coroa saiu nu pelas ruas da cidade gritando “eureca, eureca!”.
Fr = P – E
Onde:
Fr - Força resultante;
P - Peso do bloco;
E - Empuxo.
Princípio de Pascal:
Blaise Pascal (1623 -1662) foi um importante físico e matemático francês, que como filósofo e místico teve uma das afirmações mais pronunciadas pela humanidade nos séculos posteriores:
“O coração tem razões que a própria razão desconhece”.
Como físico, em um de seus estudos, esclareceu o princípio barométrico, a prensa hidráulica e a transmissibilidade das pressões. O princípio físico que se emprega aos elevadores hidráulicos de postos de combustíveis e aos freios hidráulicos foi descoberto por Pascal. O enunciado do Princípio de Pascal diz que: 
“O acréscimo de pressão produzido num líquido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do líquido.” 
Pressão hidrostática (em pascal), ou a diferença de pressão entre dois pontos da coluna de fluido, devido ao peso do fluido:
ΔP = pg (Δh)
Onde:
ρ - é a densidade do fluido (em quilogramas por metro cúbico);
g - é aceleração da gravidade da Terra ao nível do mar (em metros por segundo ao quadrado);
Δh - é a altura do fluido acima (em metros), ou a diferença entre dois pontos da coluna de fluido.
As intensidades das forças aplicadas são diretamente proporcionais às áreas dos êmbolos. Por exemplo, se a áreaS2 for dez vezes maior que a área S1, a força F2 terá intensidade dez vezes maior que F1:
F1 / S1 = F2 / S2
Teorema de Arquimedes:
“Todo corpo sólido mergulhado num fluido em equilíbrio recebe uma força de direção vertical e sentido de baixo para cima de intensidade igual ao peso do líquido deslocado.”
Segundo ele, quando o corpo está dentro d´água a água exerce uma força sobre ele. Mas há diferença de pressão entre o corpo mais alto e o mais baixo. Quanto mais baixo estiver o líquido, maior será a pressão daquele ponto. Pressão é força sobre área, por isso quanto maior a pressão, maior a força. Na parte de baixo, a força que o líquido faz no corpo, empurrando para cima, é maior do que a da parte de cima, que empurra para baixo.
Temos então, segundo o Teorema de Arquimedes, uma força resultante que o líquido exerce sobre o corpo.
E = mL . g
mL = dL. VL
E = PL
E = DL . VL . g 
Onde: 
mL - é a massa do líquido deslocado;
dL - é a densidade do líquido deslocado;
vL - é o volume do líquido deslocado;
E - é o empuxo;
PL -é a pressão do líquido.
Teorema de Stevin:
O teorema de Stevin também é conhecido por teorema fundamental da hidrostática e sua definição é de grande importância para a determinação da pressão atuante em qualquer ponto de uma coluna de líquido. O teorema de Stevin diz que:
“A diferença de pressa entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença decota entre os dois pontos avaliados.”
A lei de Stevin está relacionada com verificações que podemos fazer sobre a pressão atmosférica e a pressão nos líquidos. Como sabemos dos estudos no campo da hidrostática, quando consideramos um líquido qualquer que está em equilíbrio, temos grandezas importantes a observar, tais como: massa específica (µ), aceleração gravitacional local (g) e altura da coluna de líquido (h).
Matematicamente essa relação pode ser escrita do seguintemodo:
Pabs = Patm + Pef
Pabs = Patm + dgh
Onde:
Pabs - é à pressão hidrostática (em pascal);
 d - é a densidade do líquido (em quilogramas por metro cúbico); m3
g - é a aceleração da gravidade (em metros por segundo ao quadrado); m/s2
h - é a medida da coluna de líquido acima do ponto, ou seja, a profundidade na qual o líquido se encontra (em metros);
Patm - é à pressão atmosférica (em pascal).
Figura 1 - Aplicação do Teorema de Stevin (Fonte: Portal Colégio Web)
A pressão exercida por uma coluna líquida não depende das dimensões do recipiente que a contém, mas apenas da natureza do líquido, fornecida pela sua densidade (d), do local (g) e da altura da coluna (h).
Uma das consequências do teorema de Stevin é de que todos os pontos de uma superfície horizontal (a uma mesma altura h) suportam a mesma pressão, desde que o líquido seja o mesmo.
Vasos comunicantes:
Uma das aplicações do Teorema de Stevin são os vasos comunicantes. Num líquido que está em recipientes interligados, cada um deles com formas e capacidades diversas, observaremos que a altura do líquido será igual em todos eles depois de estabelecido o equilíbrio. Isso ocorre porque a pressão exercida pelo líquido depende apenas da altura da coluna. As demais grandezas são constantes para uma situação desse tipo (pressão atmosférica, densidade e aceleração da gravidade). As caixas e reservatórios de água, por exemplo, aproveitam-se desse princípio para receberem ou distribuírem água sem precisar de bombas para auxiliar esse deslocamento do líquido.
Construção do protótipo da mão hidráulica:
FUNCIONAMENTO DA MÃO HIDRÁULICA
	O Princípio de Pascal é uma das aplicações tecnológicas mais interessantes na Física. Com ele, podemos aplicar uma força em uma situação, e a força pode ser multiplicada muitas vezes, dependendo da área de sua aplicação. O sistema explica os Princípios de Pascal e Stevin e simula o funcionamento de qualquer dispositivo hidráulico, como freios de automóveis, direção hidráulica e braço mecânico hidráulico, por exemplo. 
	No braço mecânico cada articulação e montado com dois cilindros, a força (Newton) feita na menor é proporcional à sua área, ou seja, bem pequena. Quando o fluido (água) é pressionado para o outro êmbolo, ele produz uma força (Newton) também proporcional a esta área, de modo que a força será tanto maior quanto maior for a tal área. 
	Quando se pressiona o êmbolo pequeno (do cilindro/seringa), é extremamente difícil de impedir que o êmbolo maior suba, pois, como já foi explicada, a força nele é muito maior. Todas as ações são controladas por uma simples manipulação de válvulas (seringas). O movimento de um pistão de atuação pode ser mudado rapidamente. 
	Um sistema a fluído pode fornecer grande flexibilidade no controle de velocidade e movimento, podendo proporcionar controle de movimento e estágios muito pequenos. 
	É necessário também comentar sobre as seringas que foram utilizadas. Em alguns momentos terá de usar seringas de 10ml e de 20ml. Dependendo do lugar onde estiver a seringa. Na base, por exemplo, necessita-se de uma seringa maior (20ml) porque é na base que vai recair maior pressão e peso, sendo exigido assim uma seringa mais potente. 
CONSTRUÇÃO:
A construção do protótipo da mão hidráulica inicialmente surge do papel com suas dimensões, processos para produzir, materiais que serão utilizados, entre outros insumos. 
Partindo deste princípio elaboramos maneiras na qual poderíamos nos organizar para a realização deste projeto, como a criação de moldes para o corte dos materiais, tabelas com roteiro de construção do protótipo e também uma tabela com os custos e quantidade de matérias necessários.
Sendo assim, a seguir encontraremos os desenhos dos moldes que serão essenciais para a criação da parte estrutural do projeto. 
Figura 1 – Antebraço inferior
Figura 2 – Antebraço superior 
Figura 4 – Dedo comum
Figura 3 – Dedão 
Para uma melhor compreensão as dimensões do desenho apresentado estão em milímetros, as cotas estão representadas em vermelho, as linhas de corte estão representadas em preto e as linhas para dobras estão em azul.
Para a construção do protótipo da mão hidráulica, os integrantes do grupo entraram em um consenso para a elaboração de um roteiro de trabalho do projeto, que visa facilitar o entendimento de cada passo necessário para a realização do mesmo. 
	O roteiro de trabalho tem como função demonstrar ao operador como deve ser feito ou montado tal equipamento através de informações, tais como quantidade de peças, material, nome do conjunto ou peça, sequência de operação, entre outras adicionais.
	A seguir temos o roteiro de trabalho da mão hidráulica:
Tabela 2 – Roteiro de trabalho (Dos autores, 2016).
	Os materiais que foram utilizados neste projeto foram listadas em uma tabela contendo seus respectivos preços. Assim obtemos um orçamento de aproximadamente R$ 40,00 para a fabricação deste protótipo.
Tabela 1 – Material x Custo (Dos autores, 2016).
CONSIDERAÇÕES FINAIS 
Tendo em vista que este trabalho possuía o intuito de apenas demostrar aplicações hidráulicas dentro de algo prático, podemos considerar um objetivo cumprido, mas além disso também foram demostrados conceitos que são aplicáveis ao nosso cotidiano que muitas vezes não levamos em conta que a gente conheça.
A escolha de fazer um protótipo de uma mão biônica também condiz com a tecnologia na qual vêm se desenvolvendo hoje em dia, na qual faz-se uso de objetos robóticos para substituir partes do ser humano que foram perdidas e assim tornando o humano cada vez mais introduzido neste meio de tecnologias e inovações.
Já é de fato, que as mão biônicas já são usadas por algumas pessoas no mundo e que este tipo de tecnologia não é algo barato e acessível a todos, porém esforços vem sido medidos para deixar esse paradigma para trás, quebrando assim um elo e revolucionando o nosso presente. 
Com este projeto foi possível concluirmos os nossos objetivos e introduzir conceitos de hidráulica em algo prático para prender o nosso conhecimento. O projeto foi algo simples e barato para uma pequena demonstração de funcionamento de sistemas hidráulicos. 
 
REFERÊNCIAS
MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de física. 5ª ed. São Paulo: Scipione, 2000.
UENO, Toru e YAMAMOTO. Estudos de Física. 1 ed. São Paulo: Moderna, 1977. 3 vol.
RESNICK R., HALLIDAY D.,,KRANE K.S. Física. 4. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos S.A., 1996.
RESNICK R., HALLIDAY D.,,KRANE K.S. Física. 5. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos S.A., 2003.
FISICA E VESTIBULAR. Disponível em: < http://goo.gl/POhcxS > Acesso em 23 de março de 2016.
EDUCAR. Disponível em: < http://goo.gl/gHkHJD > Acesso em 23 de março de 2016.
BRASIL ESCOLA. Disponível em:< http://goo.gl/HFgwQ7 > Acesso em 24 de março de 2016.
EDUCAR. Disponível em: < http://goo.gl/11ZNyk > Acesso em 24 de março de 2016.
AQUAFLUXOS, Disponível em:<http://goo.gl/DQ3GNB> Acesso em 26 de março de 2016