APS 4º semestre - Guindaste Hidráulico Eletromagnético

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�Engenharia ciclo básico – 3° e 4° Semestres
Resumo: Desenvolvimento do projeto e montagem de um guindaste hidráulico eletromagnético para aproveitamento da disciplina de Complementos de Física do 3º e 4º semestre do curso de Engenharia ciclo básico da Universidade Paulista de São José dos Campos. Este projeto auxilia no aprendizado e aplicação dos conceitos aprendidos em sala de aula para que os alunos possam aplicar parte dos conceitos de eletromagnetismo aprendidos, em especifico o eletroímã, além de incluir conhecimentos em hidráulica e noções de engenharia para a construção do guindaste.
Palavras-chave: Guindaste hidráulico eletromagnético. Complementos de física. Engenharia. Eletroímã. Eletromagnetismo. 
1 - INTRODUÇÃO
Não são apenas os materiais magnéticos como os imãs que apresentam um campo magnético ao seu redor e possuem a capacidade de atrair metais. Esses mesmos efeitos podem ser observados em fios elétricos percorridos por uma corrente elétrica. O físico dinamarquês Hans Oersted (1777-1851), em 1820, observou que fios condutores retilíneos percorridos por uma corrente elétrica geram um campo magnético ao seu redor. Um exemplo onde esse efeito pode ser observado é o eletroímã, que basicamente é formado por diversas voltas de fio condutor enrolado sobre um núcleo de material ferromagnético como ferro ou aço. Cada volta de fio sobre o núcleo denomina-se espira e ao conjunto de espiras, solenoide ou bobina. 
Ao curvar um fio condutor retilíneo para fazer uma espira, as linhas do campo magnético também terão sua forma modificada para acompanhar a nova forma do condutor. Cada espira percorrida pela corrente elétrica dá origem a um campo magnético de certa intensidade e, portanto, na bobina, a soma dos módulos desses campos resulta em um campo mais intenso, que dependerá não só da corrente elétrica, mas também do número de espiras que a compõe.
Usualmente, um núcleo de ferro é colocado no interior da bobina para aumentar a intensidade do campo magnético; isso acontece porque o ferro é um material ferromagnético e tem no seu interior um conjunto de imãs infinitesimais reunidos em pequenas regiões chamadas domínios magnéticos. A orientação dos ímãs varia de um domínio para outro, de modo que no volume a magnetização total é nula. A aplicação de um campo magnético na amostra de ferro faz com que todos os domínios se orientem na direção do campo aplicado resultando em uma magnetização M. No interior da bobina, o campo total será a soma do seu próprio campo B0, originado pela corrente elétrica nas espiras, com o campo gerado pelo ferro, que é proporcional à magnetização M. A expressão abaixo traz essas diferentes contribuições para o campo magnético total B:
 B = B0 + µ0 M (equação I)
Na qual µo ( µar = 4 x 10-7 Tm/A é a permeabilidade magnética do vácuo.
A descoberta de Oersted deu origem ao ramo da Física conhecido como Eletromagnetismo e permitiu inúmeras outras pesquisas básicas, bem como aplicações tecnológicas importantes, tais como os guindastes eletromagnéticos muito usados em ferros-velhos para separar sucata e nos portos para a movimentação de contêineres e carregamento de navios. Também em dispositivos como disjuntores, relês campainhas e telefones, os eletroímãs são parte importante para seu funcionamento. (LOPES, Deisy Piedade Munhos, Construção de um guindaste eletromagnético para fins didáticos, 2009, p. 199-207).
2 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A – Materiais utilizados
 Materias utilizados para construção do guindaste hidraulico eletromagnetico:
1 metro de barra de alumínio perfilada;
Base de madeira 40x40 cm;
Quatro seringas de 20 ml;
Duas seringas de 60 ml;
1,5 metros de mangueira de aquário de 8 mm;
2 metros de mangueira de aquário de 5 mm;
Oito rebites;
Um parafuso com porca M 8x1,5;
Dois parafusos de 11 cm;
Corante verde;
4 metros de fio de cobre 22 awg;
Pilha Alcalina Duracell 1,5 V tipo D;
Chave liga/desliga;
Fita isolante azul;
Abraçadeira ½’;
Três dobradiças pequenas;
Barra de aço 1045 12x50 mm;
Suporte para pilha.
B - Equipamentos utilizados
Para a execução do método, utilizaram-se os seguintes equipamentos e ferramentas:
Serra manual;
Rebitadeira;
Furadeira de impacto;
Brocas 3 mm e 6 mm;
Lixadeira;
Martelo;
Chave Philips;
Régua;
Trena;
Alicate;
C - Método de execução
Construção do guindaste hidráulico
Medir e cortar as barras de alumínio perfilado, as barras ficaram com 3x30 cm, 3x25 cm e 3x15 cm. Para o corte foi utilizado serra manual e lixadeira para dar o acabamento;
Realizar de furos nas barras com auxílio da furadeira e, após isso, as dobradiças foram rebitadas nas três barras juntando-as e formando o esqueleto do guindaste;
Preparar a base do guindaste, foi fabricado um suporte de alumínio em forma de “U” com 10 cm de altura e 7 cm de comprimento que foi fixada com um parafuso com porca M 8x1,5. Neste suporte foi fixado o esqueleto do guindaste com o auxilio de dois parafusos de 11 cm;
Realizar testes para verificar a mobilidade do guindaste, sua fixação na base e locais para instalação das seringas formando a parte hidráulica;
Fixar a seringa de 60 ml no esqueleto do guindaste com auxilio da fita isolante azul. Uma seringa de 20 ml foi fixada na lateral da barra superior, para isso foi realizado um furo de 8 mm e foi parafusado um pedaço de tubo de PVC de 2cm, feito isso a seringa foi colocada dentro deste pedaço de tubo e fixada com a pressão do parafuso;
Figura 2.1 – Seringa da barra superior
Fonte: Arquivo dos autores.
Fixar um parafuso em “L” no suporte de alumínio para a rotação do guindaste;
Fixar uma seringa de 20 ml neste parafuso em “L”;
Encher as seringas do guindaste e as seringas de controle com a mistura de água e corante verde, após isso fixar as mangueiras nas seringas;
Realizar testes para verificar o funcionamento do sistema hidráulico e fazer os ajustes necessários;
Fixar as seringas de controle no canto da base com a abraçadeira; 
Figura 2.2 – Seringas de controle fixadas
Fonte: Arquivo dos autores.
Realizar testes de rotação e elevação da parte superior para verificar o funcionamento do guindaste hidráulico.
Construção do Eletroímã
Pesquisar sobre as melhores peças metálicas para construir o eletroímã. A peça escolhida foi uma barra de Aço 1045 de 12x50 mm, pois tem uma melhor condutividade elétrica;
Enrolar aproximadamente 300 espiras de fio de cobre 22 awg na barra. Para isso deve prender as extremidades com um pedaço de fita isolante nas duas extremidades para evitar a mobilidade das espiras;
Deixar aproximadamente 10 cm de fio livre nas duas extremidades do eletroímã para conecta-los ao suporte da pilha;
Conectar o eletroímã ao suporte da pilha;
Instalar uma chave liga/desliga para obter um melhor rendimento das pilhas;
Fixar o eletroímã, o suporte da pilha e a chave ligam/desliga no guindaste;
Figura 2.3 – Eletroímã fixado no guindaste hidráulico
Fonte: Arquivo dos autores.
	
Realizar novos testes para verificar a capacidade do eletroímã e se o guindaste suporta o peso do mesmo. 
Figura 2.4 – Guindaste hidráulico eletromagnético concluído
Fonte: Arquivos dos autores.
Tabela 2.1 – Custo do projeto 
	Especificações
	Metros
	Unidades
	Preço por unidade/metro
	Valor
	Seringa de 60 ml
	 
	2
	 R$ 12,30 
	 R$ 24,60 
	Seringa de 20 ml
	 
	4
	 R$ 5,50 
	 R$ 22,00 
	Barra de alumínio perfilado
	 
	1
	 
	 R$ - 
	Mangueira de aquário com 8 mm
	1,5
	 
	 R$ 3,00 
	 R$ 4,50 
	Mangueira de aquário com 5 mm
	2
	 
	 R$ 2,00 
	 R$ 4,00 
	Rebites
	 
	8
	 R$ 0,30 
	 R$ 2,40 
	Parafuso com porca M 8x1,5
	 
	1
	 
	 R$- 
	Parafusos de 11 cm
	 
	2
	 
	 R$ - 
	Corante verde
	 
	1
	 R$ 2,50 
	 R$ 2,50 
	Fio de cobre 22 awg
	6
	 
	 
	 R$ - 
	Pilha Duracell 1,5 V
	 
	2
	 R$ 16,99 
	 R$ 16,99 
	Chave liga/desliga
	 
	1
	 R$ 7,00 
	 R$ 7,00 
	Fita isolante azul
	 
	1
	 R$ 2,50 
	 R$ 2,50 
	Abraçadeira ½’
	 
	1
	 
	 R$ - 
	Dobradiças pequenas
	 
	3
	 R$ 4,50 
	 R$ 13,50 
	Barra de aço 1045 12x50mm
	 
	1
	 
	 R$ - 
	Suporte para pilha
	 
	1
	 R$ 10,00 
	 R$ 10,00 
	Valor total
	 R$ 109,99 
3 - Resultados
Durante a elaboração e montagem do guindaste eletromagnético foram realizados diversos testes para medir sua eficiência e capacidade eletromagnética. Os testes realizados no guindaste nos mostraram que ele suportaria o peso do eletroímã sem apresentar falhas em sua estrutura e/ou sua parte hidraulica. 
No processo de montagem do eletroímã foram testados três tipos de fios (18 awg, 22 awg e 28 awg) e três tipos de peças metálicas (uma barra de ferro 3/8, um parafuso de Aço 1020 e uma barra de Aço 1045). Os testes foram realizados alternando as peças metalicas e os fios tornado nove combinações possiveis. A melhor combinação foi entre a da barra de Aço 1045 e o fio de cobre 22 awg, já que esta combinação demonstrou ser mais eficiente que as demais. O resultado das combinações e seu desempenho constam a seguir:
Tabela 3.1 – Teste de desempenho do eletroímã
	Combinação
	Quantidade de clipes atraídos
	
	1ª teste
	2ª teste
	3ª teste
	Aço 1020 com fio de 18 awg
	45
	76
	46
	Aço 1020 com fio de 22 awg
	52
	50
	56
	Aço 1020 com fio de 28 awg
	63
	54
	61
	Aço 1045 com fio de 18 awg
	78
	56
	71
	Aço 1045 com fio de 22 awg
	98
	107
	105
	Aço 1045 com fio de 28 awg
	91
	68
	67
	Ferro 3/8 com fio de 18 awg
	80
	69
	52
	Ferro 3/8 com fio de 22 awg
	45
	93
	78
	Ferro 3/8 com fio de 28 awg
	56
	43
	34
Com a definição da combinação de materiais que seria utilizada, o eletroímã, foi montado e acoplado ao guindaste. No dia da competição encontramos pequenas dificuldades em remontar o eletroímã e faze-lo funcionar, pois havia grande quantidade de espiras e estava apresentando mau contato na chave liga/desliga, mas após a realização dos devidos ajustes os problemas foram sanados e pudemos iniciar nossa participação na competição. 
Na competição todos os participantes tiveram apenas duas chances para atrair a maior massa de clipes que o eletroímã conseguisse, na nossa primeira tentativa foram atraidos 77 gramas (aprox. 100 clipes) e na segunda tentativa foram atraidos 53 gramas (aprox. 43 clipes). 
Campo magnético obtido no eletroímã
O calculo da intensidade do nosso eletroímã pode ser feito através da respectiva equação: 
B = (µ0*i*N)/L (equacão II)
Onde: 
B = Intesidade do campo magnético;
µo ( µar = 4π*10-7 Tm/A é a permeabilidade magnética do vácuo;
i = Corrente da pilha em amperes;
N = Número de voltas (espiras);
L = Comprimento do conjunto de espiras do eletroímã (solenóide).
Figura 3.1 – Representação de um solenóide, com o sentido da corrente e as linhas de campo.
Fonte: Site Brasil Escola.
Os dados do nosso eletroímã pronto são:
i = 500*10-3 Amperes;
N = Aproximadamente 320 espiras;
L = 6 cm = 0,06 m.
Substituindo os valores na equação II, teremos:
B = (4π*10-7*500*10-3*320)/0,06
B = 3,3510*10-3 T
Com base na equação II concluimos que o campo magnético B é diretamente proporcional à intensidade da corrente elétrica i e ao número de espiras N e inversamente proporcional ao comprimento das espiras do eletroímã. 
4 – Conclusão
O desenvolvimento e construção do projeto teve um tempo médio de 21 dias. Foi realizado com base nos conhecimentos adquiridos através das aulas de Fenômenos de Transportes, Complementos de Física e Dinâmica dos Sólidos, possibilitando-nos ver, na prática, as suas aplicações.
Nossa construção foi realizada da forma mais artesanal possível, para mostrar a possibilidade de utilizar materiais de forma mais sustentável. Utilizamos materiais que estavam em desuso em nossos acervos pessoais, diminuindo os resíduos através da reutilização e barateando o custo do projeto.
Houve uma variação na quantidade de clipes atraídos no dia da competição para a quantidade dos nossos testes, mas após realizarmos algumas pesquisas sobre as possíveis causas desta variação, chegamos a concluir que isso deve ser atribuído a algumas variáveis importantes que não foram consideradas. Estas variáveis seriam a carga da pilha que se dissipou com o uso nos testes e o comprimento do solenoide do eletroímã. 
Para que essa variação seja sanada e o eletroímã apresente uma intensidade maior concluímos que devem-se realizar cálculos mais específicos e que levem em consideração as variáveis do comprimento do solenoide do eletroímã, carga da pilha e a quantidade de espiras usadas.
Realizando o objetivo em questão (guindaste hidráulico eletromagnético), foi possível visualizar a eficiência do sistema pneumático no transporte de cargas, das pequenas até as maiores, ao longo de percursos translativos e rotativos (rotação em torno do eixo fixo).
Foi possível, também, verificar a eficiência de um eletroímã. Seu mecanismo de ativação e desativação; seu potencial de erguer massas através de ondas eletromagnéticas, tornando-se uma ferramenta extremamente útil quando combinada com um corpo movimentado hidraulicamente, podendo ser aplicado internamente em fábricas, em motores, peças de transporte e inúmeras outras possibilidades.
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5 – Referências bibliográficas
LOPES, Deisy Piedade Munhos; DE MELLO STEIN-BARANA, Alzira Cristina; MORENO, Leandro Xavier. Construção de um guindaste eletromagnético para fins didáticos. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 26, n. 1, p. 199-207, 2009.
Braço Mecânico Hidráulico. Disponivel em:
<http://www.youtube.com/watch?v=Rvji_Q2YFQ4>. Acesso em: 24 out. 2009.
Atividades com Eletroímâs, Atividade 11. Disponivel em:
<http://www.feiradeciencias.com.br/sala02/02_magn_11.asp>. Acesso em: 07 out. 2014.
Atividades com Eletroímâs, Atividade 10. Disponivel em:
<http://www.feiradeciencias.com.br/sala02/02_magn_10.asp>. Acesso em: 07 out. 2014.
APS Modelo. Disponivel em:
<http://trabalhos-academicos-prof-miguel.webnode.com/news/modelo-de-aps-2°-semestre-2014/>. Acesso em: 13 out. 2014.
Campo magnético do solenóide. Disponível em:
<http://www.brasilescola.com/fisica/campo-magnetico-no-solenoide.htm>. Acesso em: 20 out. 2014.
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