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FACULDADE PITÁGORAS DE BETIM
EXEPERIMENTO CIENTÍFICO
Trem de Alta velocidade
por
Betim, 17 de Novembro de 2016.
 FACULDADE PITÁGORAS DE BETIM
EXEPERIMENTO CIENTÍFICO
Trem de Alta velocidade
Trabalho apresentado à disciplina de Física Geral e Experimental: Energia do curso de Engenharia de Controle e Automação, desenvolvido sob a orientação do Prof.° Roberto Campos Frossard.
 Betim, 17 de Novembro de 2016.
Introdução
Neste trabalho abordaremos os conhecimentos adquiridos pelo grupo na confecção do protótipo de um veiculo magnético sustentável. 
A opção do grupo pelo tema se deu pela recente empreitada do Brasil nesse ramo de mobilidade urbana sustentável com o projeto do Maglev COBRA um trem de levitação desenvolvido na UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro) pela Coppe (Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia) e pela Escola Politécnica através do LASUP (Laboratório de Aplicações de Supercondutores). O trem brasileiro, assim como o Maglev alemão, flutua sobre os trilhos, tendo atrito apenas com o ar durante seu deslocamento. O Maglev Cobra se baseia em levitação, movendo-se sem atrito com o solo através de um motor linear de primário curto. O custo de implantação do Maglev Cobra é significativamente menor do que o do metrô, chegando a custar apenas um terço deste. Sua velocidade normal de operação ocorrerá dentro de uma faixa de 70 a 100km/h, compatível à do metrô e ideal para o transporte público urbano. 
A partir disso procurou-se abordar os diversos conceitos de física envolvidos nesse novo método de transporte urbano e procurar informar as pessoas sobre essa nova tecnologia.
Conceito
Dentre os diversos conceitos da física que abrangem o desenvolvimento de um veiculo magnético sustentável será abordado mais a fundo os seguintes tópicos:
Magnetismo
Magnetismo é o fenômeno de atração ou repulsão observado entre determinados corpos, chamados ímãs, entre ímãs e certas substâncias magnéticas (como ferro, cobalto ou níquel) e também entre ímãs e condutores que estejam conduzindo correntes elétricas. 
Campo magnético
É a região próxima a um ímã que influencia outros ímãs ou materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, como cobalto e ferro.
Compare campo magnético com campo gravitacional ou campo elétrico e verá que todos estes têm as características equivalentes.
Campo Elétrico:
O campo elétrico é o campo de força provocado pela ação de cargas elétricas, (elétrons, prótons ou íons) ou por um sistemas delas. Cargas elétricas num campo elétrico estão sujeitas e provocam forças elétricas
Campo Eletromagnético
O campo eletromagnético é um fenômeno que envolve o campo elétrico e o campo magnético variando no tempo. As equações de Maxwell constituem basicamente a teoria dos fenômenos eletromagnéticos. No entanto, é importante ressaltar que a Lei de Faraday da indução, é um dos importantes princípios do fenômeno.
Levitação 
A palavra levitação tem origem no latim levis, que significa leveza, e é o processo com o qual se consegue suspender um objeto numa posição estável contrariando, assim as forças de gravidade, mediante o uso de forças exercidas sem contato com o objeto. Manter um corpo suspenso no ar, sem qualquer apoio aparente, como que desafiando a lei da gravidade, é reconhecido como fenômeno de levitação.
A levitação estável de alguns materiais comuns se baseia em uma propriedade que todos os materiais possuem, chamada de diamagnetismo. Ao tentar aproximar os pólos iguais de dois imãs, estes se repelem, o pólo positivo do campo externo repele os pólos positivos de cada átomo magnetizado do material, quando os campos são contrários, essa força de repulsão gerada faz com que o material possa levitar quando a mesma for maior que o peso do material.
 
Existem três tipos básicos de levitação magnética:
Levitação eletrodinâmica ou por repulsão magnética
O método consiste na utilização de bobinas com uma baixíssima resistência elétrica, chamadas de bobinas supercondutoras para a geração de um campo magnético, o qual provoca o surgimento de uma corrente elétrica induzida em um condutor, devido à movimentação do campo nas proximidades do mesmo. Estas correntes, conforme as leis de Faraday e Lenz, geram outro campo magnético que se opõe ao campo criado pela bobina. A interação entre ambos os campos gerará uma força de repulsão capaz de suspender o objeto.
Levitação eletromagnética ou por atração magnética
A levitação eletromagnética ou EML (Eletromagnetic levitation) é aquela em que um corpo ferromagnético é mantido suspenso pela força atrativa de um eletroimã.
Levitação supercondutora
Este método utiliza materiais magnéticos e pastilhas supercondutoras que operam a altas temperaturas, que se tornam supercondutoras a temperaturas muito mais elevadas que os supercondutores convencionais.
Para entender – Supercondutividade é a característica de certos materiais que, quando submetidos a temperaturas extremamente baixas, conduzem corrente elétrica sem resistência, ou seja, sem perdas. Falamos em temperaturas abaixo de –100ºC, o que se obtém apenas com a criogenia – resfriamento com gases liquefeitos (hélio ou nitrogênio). A temperatura abaixo da qual o material se torna supercondutor é chamada de temperatura crítica (Tc). Além disso, esses materiais, abaixo de uma Tc, funcionam como diamagnetos, ou seja, são repelidos pelos ímãs. Esta propriedade, a princípio, pode ser usada para levitação magnética.
Um exemplo da utilização do fenômeno da levitação magnética está presente nos trens MAGLEV(abreviatura para levitação magnética) que levitam sobre os carris e deslocam-se sem um motor convencional, apenas com base no campo magnético. Estes podem atingir velocidades de 500 Km/h, o equivalente a um avião. É também exemplo da levitação magnética os trens da empresa Transrapid International S.A., que utilizam apenas um trilho (monotrilho) e levitam um centímetro acima deste. A suspensão do Transrapid funciona por intermédio de forças de repulsão entre ímãs colocados no trem e na parte inferior do monotrilho. Além de manter o trem levitando a um centímetro do monotrilho, o sistema proporciona a força motora e fornece a energia interna. O equilíbrio do veículo é tão grande que ele pode fazer curvas de 2,8 km de raio a 400 km/h.
Atrito
O atrito resulta da interacção entre dois corpos
Atrito, em física é a força de contato que atua sempre que dois corpos entram em choque e há tendência ao movimento. É gerada pela aspericidade (rugosidade) dos corpos . A força de atrito é sempre paralela às superfícies em interação e contrária ao movimento relativo entre eles.
Apesar de sempre paralelo às superfícies em interação, o atrito entre estas superfícies depende da força normal, a componente vertical da força de contato; quanto maior for a Força Normal maior será o atrito. Passar um dedo pelo tampo de uma mesa pode ser usado como exemplo prático: ao pressionar-se com força o dedo sobre o tampo, o atrito aumenta e é mais difícil manter o dedo se movendo pela superfície.
Entretanto, ao contrário do que se poderia imaginar, mantidas as demais variáveis constantes, a força de atrito não depende da área de contato entre as superfícies, apenas da natureza destas superfícies e da força normal que tende a evitar que uma superfície "penetre" na outra.
A energia dissipada pelo atrito é, geralmente, convertida em energia térmica e/ou quebra de ligações entre moléculas, como ocorre ao lixar alguma superfície.
Coeficiente de Atrito 
O Coeficiente de atrito, geralmente representado pela letra μ (Micro), é uma grandeza adimensional (não apresenta unidade de medida) que relaciona a força de atrito e a força de compressão entre dois corpos. Esse coeficiente depende dos materiais envolvidos; Por exemplo, o coeficiente de atrito entre asfalto e borracha é alto enquanto ocoeficiente entre gelo e aço é baixo.
O coeficiente de atrito entre duas superfícies é uma grandeza empírica, ou seja, ela é determinada a partir de dados experimentais, e por isso representa uma predição aproximada da relação entre a força de atrito e a força de compressão.
Pode ser diferenciado em coeficiente de atrito dinâmico ou de atrito estático de acordo com a situação na qual se determina tais coeficientes:
Energia cinética
A energia cinética é a energia que está relacionada com o estado de movimento de um corpo. Este tipo de energia é uma grandeza escalar que depende da massa e do módulo da velocidade do corpo em questão. Quanto maior o módulo da velocidade do corpo, maior é a energia cinética. Quando o corpo está em repouso, ou seja, o módulo da velocidade é nulo, a energia cinética também é nula.
Expressão geral para o cálculo da energia cinética[editar | editar código-fonte]
Um objeto de massa m que se move a uma velocidade de módulo v, possui uma energia cinética K que é expressa na mecânica clássica como:
{\displaystyle K={\frac {mv^{2}}{2}}~} K={\frac {mv^{2}}{2}}~.[1]
Dedução da energia cinética[editar | editar código-fonte]
Para se apresentar a dedução, antes é preciso uma observação quantitativa. Seja um corpo de massa m movendo-se sob a ação de uma força resultante constante de módulo F. Suponha que este corpo teve uma variação de velocidade de {\displaystyle v_{0}} v_{{0}} para {\displaystyle v} v em um deslocamento {\displaystyle \Delta S=d} \Delta S=d.
Na equação de Torricelli:
{\displaystyle v^{2}=v_{0}^{2}+2a\Delta S} v^{2}=v_{0}^{2}+2a\Delta S
{\displaystyle v^{2}=v_{0}^{2}+2ad} v^{2}=v_{0}^{2}+2ad
{\displaystyle a={\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2d}}} a={\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2d}}
Agora, multiplicando a equação pela massa m, tem-se:
{\displaystyle ma=m{\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2d}}} ma=m{\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2d}}
Já que a resultante da força é F=ma, então:
{\displaystyle F=m{\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2d}}} F=m{\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2d}}
{\displaystyle Fd=m{\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2}}} Fd=m{\frac {v^{2}-v_{0}^{2}}{2}}
Como Fd é igual ao trabalho W realizado pela força resultante F para deslocar o corpo, então:
{\displaystyle W={\frac {mv^{2}}{2}}-{\frac {mv_{0}^{2}}{2}}} W={\frac {mv^{2}}{2}}-{\frac {mv_{0}^{2}}{2}}
Pela expressão geral da energia cinética[2]:
{\displaystyle W=\Delta K} W=\Delta K
Ou seja, a variação da energia cinética do corpo é o trabalho realizado pela força resultante F.
Então:
Da definição da variação da energia cinética sendo o trabalho para colocar um corpo em movimento, podemos obter a expressão geral para o cálculo da energia cinética:
{\displaystyle \Delta K=W=\int \mathbf {F} \cdot d\mathbf {s} } \Delta K=W=\int {\mathbf {F}}\cdot d{\mathbf {s}}
Como o deslocamento em instante infinitesimal de tempo é {\displaystyle d\mathbf {s} =\mathbf {v} dt} d{\mathbf {s}}={\mathbf {v}}dt, e supondo que o corpo em questão partiu do repouso, ou seja, velocidade inicial nula, obtemos então :
{\displaystyle \Delta K=\int _{0}^{v}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {s} =\int _{0}^{v}\mathbf {F} \cdot \mathbf {v} dt=\int _{0}^{v}m{\frac {d\mathbf {v} }{dt}}\cdot \mathbf {v} dt} \Delta K=\int _{{0}}^{{v}}{\mathbf {F}}\cdot d{\mathbf {s}}=\int _{{0}}^{{v}}{\mathbf {F}}\cdot {\mathbf {v}}dt=\int _{{0}}^{{v}}m{\frac {d{\mathbf {v}}}{dt}}\cdot {\mathbf {v}}dt
Quando dizemos que a velocidade inicial é nula, dizemos então que : {\displaystyle \Delta K=K-0=K} \Delta K=K-0=K
Cancelando o dt na expressão acima, podemos escrever (para uma massa constante):
{\displaystyle \ K=\int _{0}^{v}md\mathbf {v} \cdot \mathbf {v} ={\frac {1}{2}}m\mathbf {v} \cdot \mathbf {v} ={\frac {mv^{2}}{2}}} \ K=\int _{{0}}^{{v}}md{\mathbf {v}}\cdot {\mathbf {v}}={\frac {1}{2}}m{\mathbf {v}}\cdot {\mathbf {v}}={\frac {mv^{2}}{2}}
Logo:
{\displaystyle \ K={\frac {mv^{2}}{2}}} \ K={\frac {mv^{2}}{2}}
II.3	Materiais
Para mostrar na prática os conceitos abordados neste trabalho optou-se por fazer um veículo eletromagnético a base dos seguintes materiais:
Fio de cobre nú: nksnksnxcks
Imã de neodímio: Neodímio (Super Ímãs) – O mais forte do mundo
Neodímio é um metal de terras raras e um material muito especial. Combinado com Ferro e Boro (NdFeB) cria-se um produto pequeno, leve e simplesmente o mais poderoso ímã permanente do mundo. Pode ser fabricado em diversos formatos como anel, bloco, disco, esfera, cubos e cilindros. O revestimento de níquel deixa o produto com uma superfície prateada tornando seu visual ainda mais atraente. 
Conhecido como Super Imã é ideal para aplicações onde é preciso a maior força magnética com o menor volume de material possível. Seu campo magnético é intenso e pode atrair itens ferrosos ou outros ímãs em distâncias impressionantes. 
Eles são verdadeiros ímãs permanentes e só perdem o seu magnetismo quando expostos a temperaturas que excedam o limite de sua classificação (80°C ou +). É muito importante evitar impactos (com aço ou entre ímãs) pois o ímã de neodímio quebra com facilidade, principalmente peças com espessura muito fina. 
O ímã de neodímio é relativamente novo, ele foi desenvolvido em meados de 1980 e hoje com um custo bem mais acessível pode ser encontrado em diversas aplicações do mundo moderno como em peças decorativas, embalagens de produtos e até em turbinas eólicas. 
Um ímã de ferrite com as mesmas dimensões que um ímã de neodímio é extremamente mais fraco. Em média o ferrite precisa de 18 vezes o volume de um neodímio para se igualar em força. Porém em casos de aplicações em ambiente externo e temperaturas superiores a 80°C o ferrite pode ser mais indicado. 
O ímã de neodímio pode ser fornecido com uma série de opções de acabamento, incluindo furos escareados para fixação de parafuso e até adesivos 3M para uma fixação prática em pastas e embalagens gráficas. 
Roscas não podem ser fabricadas diretamente no ímã de neodímio porque ele é muito duro e quebradiço. Por isso desenvolvemos o Departamento de Fixadores que oferece ímãs de neodímio combinados com aço em diferentes acabamentos como roscas internas, pinos, ganchos e olhais. 
Antes de utilizar qualquer um dos nossos super ímãs, por favor leia as dicas de segurança em nossa Central Técnica para evitar perigos e lesões. 
Temos um time de consultores a sua disposição para eventuais dúvidas e informações.
Pilha
Compensado
 
II.4	Métodos Utilizados
II.5	Resultados
A partir dos conhecimentos adquiridos e dos processos que foram executados, foi possível montar um trem bala de que utiliza a foça eletromagnética onde o veículo percorre um circuito desenvolvido pelos integrantes do grupo, onde se mostra os conceitos de repulsão e atração do campo magnético.
Conclusão
O desenvolvimento deste trabalho foi muito enriquecedor, pois foi possível comprovar conceitos estudados em sala de maneira prática e simples.
Referências Bibliográficas
[1]	CALLISTER JR., D. W.; RETHWISCH G. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. Trad. Sob a direção de Sergio M. S. Soares. Ed. 8. Rio de Janeiro: Gen, 2012. Cap. 1, Pag. 10-11; Cap. 4, Pag. 90; Cap. 12, Pag. 402; Cap. 16, Pag. 538, 564-565; Cap. 20, Pag. 682 e 704.
[2]	CAMPOS, M. E. C. Estudo de Propriedades Físicas de Nanomateriais Produzidos por Síntese. 2005. 206 f. Tese (Doutorado em Física) - Departamento de Física, Universidade de Santa Catarina, Florianópolis. 2005.
[3]	ZARBIN, G. J. A. Química de (nano) materiais. Química Nova. Vol. 30. Nº6. São Paulo, Nov/Dez 2007. Versão online do artigo. Disponível em: < http://www.scielo.br/ scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422007000600016>. Acesso em: 16 de Maio de 2016.
[4]	FANTINI, C. Física dos Nanomateriais e a Nanotecnologia. Apresentação em Slide – Departamento de Física da Universidade federal de Minas Gerais, Diamantina, 2010.
[6]	BRITO, F. C. A.; PONTES, L. D. Aula 8: A indústria na era dos nanomateriais. Desenvolvidapara o Programa Universidade à Distância – UNIDIS.
[7]	BIAZI, A. L.; BERNADINI, C. Nanotecnologia. Apresentalão em Slide. Disponível em: < http://pt.slideshare.net/materiaissustentabilidade/nanomateriais>. Acesso em 25 de Abril de 2016.
[8]	FOGAÇA, J. R. V. Nanotubos de carbono. Brasil Escola. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/quimica/nanotubos-carbono.htm>. Acesso em 16 de Maio de 2016.
[9]	Equipe da FORP promove inovação na odontologia com estudo de nanomateriais. Editora: Ciências. Autor: Redação. Publicação Eletrônica em 13 Nov. 2014. Disponível em: <http://www5.usp.br/69733/equipe-da-forp-promove-inovacao-na-odontologia-com-estudo-de-nanomateriais/>. Acesso em: 17 de Maio de 2016.
[10]	A gestão dos nanomateriais no local de trabalho Segurança e saúde no trabalho EUOSHA. Publicação eletrônica do artigo em Jan/2012. Disponível em: <https://osha.europa.eu/pt/themes/nanomaterials>. Acesso em: 09 de Maio de 20016.
[11]	Nanomateriais: projetos de Pesquisa. Programa de Engenharia de Nanotecnologia – COPPE/UFRJ. Disponível em: <http://www.pent.coppe.ufrj.br/index.php/linhas-de-pesquisa/nanomateriais.html>. Acesso em: 09 de Abril de 2016.