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Artigo científico DORY XVI

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Prévia do material em texto

Física Experimental I – Engenharias UNIVASF – campus Juazeiro – Prof. Aníbal Netto	
FOGUETE DORY XVI
Kethelen Gabryelli1, Monique de Lima2, Renan Santana3, Júlio César4 
1 UNIVASF, kethelen.gaby@gmail.com 2 UNIVASF, monique_liborio@outlook.com
 3 UNIVASF, renan81097@hotmail.com 4UNIVASF, juliocesarborba@hotmail.com
Resumo: O foguete, teoricamente são máquinas projetadas com a capacidade de produzir uma força/impulso suficientes para empurrar um denominado objeto para frente. Corriqueiramente, os usos de foguetes são aplicados para o lançamento de naves espaciais, como também no disparo de fogos de artifícios e mísseis. Porém, sabendo que a força da gravidade atrai os corpos de volta para baixo, conclui-se que para que seja efetuado o lançamento de um foguete para a órbita terrestre, é necessário que a máquina em questão consiga atingir a velocidade de escape. 
Então, de fato se a velocidade de lançamento de qualquer corpo que contenha uma massa específica for equivalente a velocidade de escape da superfície terrestre, esse corpo não iria retornar para a Terra, já que ao atingir tal velocidade livrou-se do campo gravitacional que o mantinha próximo a superfície. Conclui-se que, se um foguete consegue chegar até a órbita da Terra, ele devidamente, conseguiu atingir essa velocidade, mas é claro que não foi tão espontânea; há todo um processo para que finalmente chegue à velocidade desejada. De início ele, começa com uma velocidade bem inferior, por exemplo 10 Km/h, e de acordo com seu lançamento vertical a velocidade irá aumentando, ela deve ser superior à velocidade de escape ou não chegará ao seu destino. 
Porém, esse foi uma prévia sobre do que se trata esse projeto; o material a ser elaborado, foi baseado em máquinas espaciais construídas pela NASA (sigla em inglês de National Aeronautics and Space Administration – Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço); este que será confeccionado é um foguete espacial em menor escala e utiliza de água e ar comprimido como propelentes que realizem seu lançamento. 
Palavras chaves: Lançamento do DORY XVI; velocidade de escape; propelentes caseiros; física no dia a dia. 
Introdução
O Foguete DORY XVI, é a representação de um foguete para fins espaciais; a escolha desse projeto foi baseada nos fatos de se mostrar um produto educacional visivelmente atrativo, além de envolver diversos fenômenos da Física mecânica. Nesse artigo científico, a intenção foi justamente repassar assuntos que de início seriam complexos, mas com esse artifício se torna de fácil compreensão. A construção de produtos, que utilizam de assuntos de Física, é importante, pois quando se associa algo que prenda a atenção naturalmente, de uma pessoa, ela facilmente irá conseguir compreender o que está envolvido nesse meio. 
No artigo, está contido a fundamentação teórica, assuntos que estão aplicados ao funcionamento do produto, os materiais utilizados, assim como a metodologia. 
Fundamentação Teórica
Para dar início, a parte de fundamentos teóricos aplicados ao produto de garrafa PET, serão descritos de modo geral o CM (centro de massa) e o CP (centro de pressão); sabe-se que o foguete é um sistema de partículas, então é certo afirmar que seu centro de massa se move como se toda a massa do sistema estivesse totalmente concentrada nesse ponto, que no caso é o CM. 
“Diferentemente dos aviões que possuem asas e superfícies móveis de controle produzindo sustentação e permitindo a realização de voos na horizontal, os foguetes são veículos projetados para se deslocar na direção vertical, ou o mais próximo possível desta, vencendo a força da gravidade. Então devemos nos atentar a dois pontos de equilíbrio de forças que são o centro de massa (CM) e o centro de pressão (CP), para que o foguete siga uma trajetória retilínea e reproduza de maneira satisfatória o voo de um foguete real a combustão. (James Alves de Souza” (James Alves de Souza). Já o CP, na situação do foguete é utilizado para eliminar futuras perturbações como também a correção da trajetória, para que fique na melhor forma de uma posição vertical. Em termos físicos, CP corresponde ao ponto de equilíbrio das forças aerodinâmicas, equilibrando também torques que serão gerados por forças externas. Esses dois pontos, são encontrados no corpo do foguete, e também responsáveis por promover estabilidade a ele.
Agora, na parte do lançamento do foguete encontramos fenômenos tais como, a terceira lei de Newton, ou lei da ação e reação. Antes de dar continuidade vale lembrar do seguinte fato: em um foguete real, seu voo é dado através da queima de combustível, em que a partir da explosão possa haver a ejeção dos gases advindos da combustão, no sentido contrário ao movimento normal do foguete, o que faz o foguete ser impulsionado para frente. No caso do DORY XVI, a água irá substituir os gases quentes e sua ejeção é feita a partir da compressão do ar, que substitui a explosão. Ocorrendo então uma transferência de momento linear da água para o foguete.
Um acontecimento, que foi bastante (e ainda causa bastante especulações) que está atrelado ao mundo dos foguetes; foi a ida, primeira e até então única, do homem à lua. O fato ocorreu no dia 20 de julho de 1969, foi um domingo, que dois homens finalmente colocaram os pés em solo lunar. Isso chama mesmo atenção de bastante pessoas, porém o que nos irá interessar mesmo é o foguete que possibilitou esse feito, pois para que ele pudesse sair da órbita terrestre, deveria então se livrar da força da gravidade, e para tanto, após cálculos feitos, atingir a velocidade de escape é cerca de 40.320 Km/h. 
O movimento do foguete durante o lançamento, é descrito pela segunda lei de Newton. “Para sua descrição, consideremos que a única força atuante sobre o foguete é a força gravitacional (desprezemos o atrito do ar). Imaginemos que o foguete está em movimento inicial uniforme, com velocidade constante v. Na realidade a velocidade é zero, pois o foguete está parado sobre a base de lançamentos, mas utilizaremos este artifício para manipulações matemáticas mais simples. O momento linear inicial do foguete será então pi = Mv, onde M é sua massa inicial que é dada por M=mF +mH2O, ou seja, a massa do foguete vazio (mF) mais a massa de água contida em seu interior (mH2O). No momento em que ocorre a ejeção de uma pequena quantidade de água ΔmH2O a uma velocidade vf, a velocidade do foguete é alterada de Δv” (James Alves de Souza).
Figura 1 – Configuração do foguete. Fonte: SB Física
O fato da água exercer pressão na água contida na garrafa fazendo com que haja a ejeção da mesma, é interessante, pois também pode ser vista no dia a dia das casas. Esse evento acontece no sistema de encanamento, onde a água flui de um cano que contém maior diâmetro para o de menor diâmetro, com a audição percebemos que água irá sair com maior pressão, o que realmente ocorre é que como a água sai com uma velocidade, fazendo com que a água saia com menor pressão nas paredes do cano ou da torneira; esse fenômeno é denominado por Venturi. “Essa confusão é comum pelo fato das pessoas associarem a maior transferência de momento da água que sai com maior velocidade sobre nossa mão. Quando colocado desta forma, podemos dizer que ocorre maior pressão, mas na superfície em que a água está colidindo, e não nas paredes do cano ou torneira por onde a água sai. ” (James Alves de Souza).
Pode ser observado que no interior da garrafa, após ela ser aterrissada ao solo há vapor de água, isso significa que o ar foi resfriado dentro da mesma no exato momento de sua expansão; como a variação de tempo Δt, é relativamente pequeno, pode justificar que no momento em que houve a expansão, ocorreu sem trocas de calor entre o sistema a câmara de compressão e a vizinhança. Logo, pode se afirmar que houve uma expansão adiabática, sistema isolado, assim como que o ar seja um gás ideal.
Baseado em cálculos, que foram posteriormente elaborados por (James Alves de Souza), e levando em conta que o ar é de fato um gás ideal temos que: 
Figura2 – Fórmula para obter a velocidade do foguete
Onde P0 é a pressão absoluta inicial dentro do foguete, V0 o volume inicial de ar dentro do mesmo e V seu volume final, que é o volume da garrafa. Como o ar pode ser considerado um gás diatômico, temos que γ = 1,4.
Materiais e Métodos
Neste tópico, será explanando os procedimentos bem como os materiais (Quadro 1) necessários para confecção do foguete, segundo todos os passos à risca, teremos um belo foguete.
(Quadro 1- Materiais necessários para confecção do foguete)
 
-MONTAGEM DO CORPO DO FOGUETE
1) Comece cortando a bandejinha de isopor para fazer 3 aletas. Você vai ter muita folga, pois as medidas são 85x60x30 mm. Identifique o bordo de ataque e o bordo de fuga. Lixe o bordo de ataque de tal forma que ele fique com uma seção levemente circular. Lixe o bordo de fuga em um ângulo mais fechado, para que ele vá afinando aos poucos. Nesse ponto você pode laminar as aletas. Basta cobri-las com fita de empacotar transparente. 
2) Agora pegue a garrafa de maior diâmetro e corte-a logo acima da base, deixando-a com uns 27 cm de comprimento. Encaixe a de menor diâmetro dentro dela, com uma sobreposição de uns 5 cm e passe fita adesiva na junção. Espere. Não passe a fita ainda. As garrafas estão alinhadas? Ok. Pode colar. 
3) Corte a garrafa de 600 ml logo abaixo do cone superior. Encaixe o pedaço de "Espaguete" na parte mais larga e passe fita "silver tape" para fixar. Esta parte vai sofrer grandes impactos e essa fita cede mas não descola. Na parte oposta, use um estilete para cavar um cone na espuma. Essa é a parte que vai encaixar na garrafa de cima do propulsor. Deixe espaço também para o gargalo. 
4) Você pode, depois de se certificar de que o conjunto do nariz se encaixa perfeitamente na garrafa de cima do propulsor, usar cola epóxi para colar uma tampa comum no interior do "Espaguete". Assim fica fácil trocar de narizes (ou de fuselagens). 
5) Aproveite que o nariz pode ser facilmente intercambiado e instale as aletas. Para isso, divida a circunferência da garrafa por três e alinhe as aletas no lugar. Parabéns! Seu foguete está pronto para voar! 
-MONTAGEM DA PLATAFORMA 
1) Comece montando as pernas: Cole um adaptador na extremidade de um dos tubos de PVC e encaixe uma ponteira na outra. Repita essa operação para os outros dois tubos. 
2) Agora monte os ombros: Use um dos tubos de 4 cm para unir um joelho a uma luva, tendo o cuidado de inserir o tubo totalmente nas juntas (veja detalhe na foto). Não deixe espaço entre elas. Repita essa operação para os outros dois conjuntos de ombros. 
3) Monte o corpo do bicho tendo o mesmo cuidado para encaixar os tubos de 4 cm de tal forma que não deixem espaço entre as juntas. Note a posição dos dois Tês: o de redução fica num plano perpendicular ao outro (basta lembrar que a ponta de 25 mm é onde encaixaremos o foguete). 
4) Cole um dos ombros na ponta do Tê de redução, tendo o cuidado de manter o alinhamento no sentido do comprimento do corpo do bicho. Em seguida, cole os outros dois ombros, dessa vez torcendo-os 45º para fora (no sentido do comprimento). Na verdade, o ângulo não precisa ser exatamente de 45º. A inclinação deve ser o suficiente para deixar o corpo nivelado - lembre-se de que uma das pernas é mais curta e que deve ficar em oposição às outras duas. Para facilitar o ajuste, rosqueie as pernas nos ombros antes de começar a colar. 
5) Finalmente, cole a luva de 25x½ com o auxílio do pedaço de tubo de 3 cm. Lembre-se de não deixar espaço entre as juntas. 
-MONTAGEM DA ALIMENTAÇÃO 
Esse módulo é o responsável pela entrada de ar e consequente pressurização da garrafa. A coisa laranja no primeiro plano é o dispositivo de emergência, para abortar o lançamento. Nunca faça uma base de lançamento sem ele 
1) Comece fazendo um furo no cap. para encaixar a válvula do pneu. Use uma broca de 10 mm primeiro e depois alargue com um estilete ou lima para facilitar o encaixe. De qualquer forma, mantenha as bordas lisas senão haverá vazamento. 
2) Uma vez furado o cap., monte o coletor de ar: Passe a válvula por dentro dele e puxe o bico para fora. Vai ser difícil porque é apertado, mas tem que ser assim para garantir que não haverá vazamentos. Em seguida, cole um dos pedaços de tubo, encaixando-o completamente no cap. Ponha de lado 
3) Agora faça a armação. Comece empurrando a moeda de um centavo para dentro de uma das pontas do Tê. Essa será a extremidade inferior (na foto ao lado ela está à direita). Isso vai cortar a passagem de ar nessa direção. Ainda nessa extremidade, cole e encaixe totalmente um dos tubos, prendendo a moeda. Cole e encaixe o adaptador de 20 x 1/2". Cole e encaixe totalmente mais dois tubos nas outras saídas do Tê e, na extremidade oposta àquela da moeda, cole e encaixe a luva de 1/2" x 20. Quando acabar, o conjunto deve ficar como o da foto ao lado. 
4) Com a armação deitada, posicione e cole o outro tê perpendicularmente à ela, como na foto. Em seguida, cole e encaixe o coletor de ar (montado no passo 2) no conjunto. 
5) Finalmente, cole e encaixe o último tubo na abertura livre do tê e o adaptador de 20 x 1/2". Como a ponta livre agora tem uma rosca, você poderá intercambiar o registro a vontade. Esse é o componente individual mais caro de todas as montagens, mas a segurança não tem preço. Usando o artifício de por uma rosca no tê, pelo menos, garantirá que ele poderá ser aproveitado em outros projetos também. 
-MONTAGEM DO DISPARO 
Nesse módulo está o mecanismo de retenção do foguete (quando está sendo abastecido e pressurizado) e de disparo. Ele tem que ser, obviamente, resistente e preciso. 
1) Serre e remova o anel de reforço de uma das extremidades da luva de 20 mm, tendo o cuidado de deixar as bordas lisas e limpas. 
2) Cole a luva aparada no tubo de 8 cm, deixando o anel de reforço restante para o lado de fora da junção. 
3) Insira a união de mangueira parcialmente no tubo de 2,5 cm. Deite uma camada homogênea de cola quente nela e termine de inseri-la completamente. Em seguida cole esse conjunto na luva preparada no passo anterior. O tubo de 2,5 cm deve ser inserido até deixar uma ponta de 1 cm de fora. Limpe bem qualquer cola que tiver escorrido para a união. Ela deve ficar sempre totalmente lisa. 
4) Com o auxílio do elástico, vá arrumando as abraçadeiras de nylon em volta do conjunto feito no passo anterior. Tenha o cuidado de deixar as partes largas para dentro (elas formarão as travas). 
5) Insira o gargalo na extremidade com a união e use-o para acertar as pontas das abraçadeiras. Elas devem ficar juntas em volta do gargalo, na altura do batente formado logo após a rosca da tampa. Passe o tubo de 32 mm por sobre as abraçadeiras de nylon, levando-o até a luva, mas sem apertar. Encaixe e aperte a abraçadeira de metal para fixar o conjunto. Uma vez alinhado, o conjunto não deve se mover nem afrouxar. O tubo de 32 mm deve deslizar entre a quina da luva e a abraçadeira de metal. 
6) Empurre o tubo de 32 mm até encostar na luva. Isso serve como um tipo de colar que vai fazer com que as abraçadeiras de nylon se abram. Você vai ter que fazer uma forcinha aqui. Uma vez lá, é hora de retirar a abraçadeira de metal e inserir o tubo de 25 mm no colar, passando-o entre o tubo maior de 20 mm e as abraçadeiras de nylon. Encaixe-o perfeitamente no colar. Isso vai prender as abraçadeiras de nylon junto à luva. Essa junção é apertada, portanto, mais força e cuidado. Apare as extremidades das abraçadeiras. 
7) Você saberá que acertou o procedimento se a sua montagem parecer com a da foto ao lado. Note que as abraçadeiras foram aparadas junto à borda dos tubos. Elas estão bem abertas porque o tubo que forma o colar está bem rente à borda da luva. As abraçadeiras estão firmemente presas entre o colar e a luva, de um lado, e do outro, entre o colar e o tubo de 25 mm. Reserve. 
8) Faça um furo de 3/4" no centro do cap. de 40 mm. Tenha muito cuidado se você for usar uma furadeira elétrica. Você também pode abrir o buraco com uma lima e um pouco de paciência.Essa maneira é também mais segura. De qualquer forma, o buraco deve ser largo o suficiente para deixar passar o tubo de 20 mm. 
9) Use o pedaço de tubo de 40 mm para encaixar o cap. e a luva correspondente. Não cole as peças. Deixe que fiquem presas só por pressão. 
10) Encaixe o conjunto feito no passo anterior no conjunto feito no passo 7, tendo o cuidado de garantir que ele deslize facilmente no tubo de 20 mm e que consiga travar as abraçadeiras de nylon de encontro ao gargalo de uma garrafa. 
11) Encaixe e cole o adaptador de 20 x 1/2" na extremidade do tubo de 20 mm. 
12) Corte um pedaço de cerca de 45 mm do anel de borracha. Essa medida não é exata. Você vai ter que experimentar um pouco. Com cuidado, passe um pouquinho de cola Super Bonder numa das pontas e pressione-a de encontro a outra, formando um anel menor 
13) Passe o anel de vedação pela união até encostar no tubo de 20 mm (na foto ao lado eu enrolei algumas voltas de fita veda-rosca para aumentar o diâmetro). O que você vai querer que aconteça é o gargalo entrar até a luva, e o anel (que estará 1 cm acima) ficar espremido entre a união e o interior do gargalo, vedando completamente essa junção. Se quando você começar a pressurizar a garrafa notar algum vazamento d'água, interrompa o lançamento e melhore essa vedação. Não se preocupe: isso vai acontecer com você várias vezes, até acertar a medida certa. Lembre-se de que o Challenger explodiu por causa de um anel de vedação defeituoso! 
Resultados e Discussão
Na confecção da base do foguete é necessário que todas as brechas entre os tubos de PVC estejam preenchidas de cola para tudo de PVC, pois ao longo do tempo o tubo pode escorregar e desprender-se dos outros, fazendo com que hajam danos nos lançamentos, e a ocorrência de acidentes. 
Na construção do foguete, encontramos alguns problemas mecânicos, como a falta de vedação entre o foguete e a base, e foi necessário colocar uma camada extra de fita adesiva silver. Logo após lançamos o produto, e no primeiro lançamento ele alcançou uma altura pequena, pois não foi introduzida uma quantidade suficiente de pressão; depois de solucionarmos o problema da baixa pressão, lançamos novamente e ele atingiu a altura esperada. 
O lançamento do foguete tem que acontecer de uma forma segura, ou seja, em um ambiente extenso, pois diminui o risco de machucar espectadores. Esse foguete só deve ser lançado em ambiente publico, bem como para crianças, utilizando uma pequena pressão, pois se introduzirmos uma quantidade de pressão alta, o foguete fara uma trajetória muito grande, sendo impossibilitada a observação do mesmo, e podendo, quando voltar a terra, machucar observadores. 
No lançamento experimental, tivemos um publico razoável, que unanimes aprovaram o produto, bem como o lançamento, pois ficaram impressionado com o lançamento e trajetória do foguete. O nível de impressionismo foi devido o publico achar que o foguete não decolaria, pelo seu tamanho.
Referências
Britannica Escola, Foguete. Disponível em: <http://escola.britannica.com.br/article/482384/foguete>. Acesso em: Junho de 2016. 
Princípios da Astronomia, Foguetes e Satélites: O que são, Pra quê servem, Velocidades, Controlar um Satélite em Órbita. Disponível em: <http://principiosdaastronomia.blogspot.com.br/2010/08/foguetes-e-satelites-o-que-sao-pra-que.html>. Acesso em: Junho de 2016. 
Geocities, Centro de Pressão. Disponível em: <http://www.geocities.ws/dedeuvv/teoria/cp/cp.htm>. Acesso em: Junho de 2016. 
Só Física, Centro de Massa. Disponível em: <http://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/EstaticaeHidrostatica/estdecorpo.php>. Acesso em: Junho de 2016. 
Info escola, Inércia. Disponível em: <http://www.infoescola.com/fisica/inercia/>. Acesso em: Junho de 2016. 
Só física, Empuxo. Disponível em: <http://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/EstaticaeHidrostatica/empuxo.ph>. Acesso em: Junho de 2016. 
Foguetes Experimentais. Disponível em: <http://www.optotech.net.br/fzanoto/Foguetes.html>. Acesso em: Junho de 2016.
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		Semestre 2016.1

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