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UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA ICET - INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO MECÂNICA Anderson Antônio RA:B886ID9 Jaqueline Cristina Pinheiro RA:B59GCH7 Atividade pratica supervisionada - APS carro com propulsão a vapor Jundiaí 2015 UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA ICET - INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO MECÂNICA Anderson Antônio RA:B886ID9 Jaqueline Cristina Pinheiro RA:B59GCH7 Atividade pratica supervisionada - APS carro com propulsão a vapor Trabalho apresentado junto ao instituto de exatas e tecnológicas, Universidade Paulista UNIP, como parte das exigências do componente curricular da disciplina APS, sob orientação do Prof. Wilian Monteverde. Jundiaí 2015 SUMARIO 1 INTRODUÇÃO........................................................................................3 2 OBJETIVO DO TRABALHO....................................................................4 3 PROPULSÃO A VAPOR.........................................................................5 3.1 Vapor para Propulsão / Movimento.........................................................6 3.1.1 Conceito de potência..............................................................................8 4 TIPOS DE VAPOR..................................................................................9 4.1 Vapor saturado........................................................................................9 4.1.1 Dicas.....................................................................................................10 4.1.1.1 Vapor Úmido...............................................................................10 4.1.1.2 Vapor superaquecido.................................................................11 4.1.1.3 Água Supercrítica.......................................................................12 4.1.1.4 Água Não saturada.....................................................................13 4.1.1.5 Vapor saturado...........................................................................14 4.1.1.7 Água Supercrítica.......................................................................16 4.1.1.8 Tabelas Termodinâmicas...........................................................17 5 DESCRIÇÃO DO PROJETO................................................................17 5.1 Desenvolvimento do Projeto.................................................................18 5.1.1 Passo a passo.......................................................................................18 5.1.1.1 Provisão dos custos...................................................................20 6 A FÍSICA ENVOLVIDA..........................................................................21 6.1 O que é energia?..................................................................................21 6.1.1 Tipos de energia...................................................................................22 6.1.1.1 Energia Potencial.......................................................................22 7 PRIMEIRA LEI DE NEWTON...............................................................23 8 FORÇA DE ATRITO.............................................................................24 8.1 Temos dois tipos de força de atrito.......................................................24 8.1.1 Relação Velocidade x Atrito..................................................................24 8.1.1.1 Velocidade angular.....................................................................25 8.1.1.2 Terceira Lei de Newton..............................................................27 9 CONCLUSÃO.......................................................................................29 10 BIBLIOGRAFIA....................................................................................3O 3 1 INTRODUÇÃO O seguinte trabalho compreende a apresentação das etapas da construção de um carro movido a vapor através de um sistema impulsionado por turbina e engrenagens assim como os conceitos e premissas utilizados para o desenvolvimento e elaboração do projeto. A elaboração do mesmo, embora realizada de forma majoritariamente empírica (sem a utilização de cálculos), utilizou-se de aspectos de cunho teórico que aliam as áreas de Termodinâmica, Fluidodinâmica e Dinâmica, buscando conhecimentos que levassem a maior eficiência possível na transformação de calor em energia mecânica, em busca de um bom desempenho na apresentação final. Neste sentido nota-se que o desenvolvimento de um carro de propulsão a vapor exige um maior entendimento das máquinas a vapor, sua importância, seu funcionamento e as diversas modificações sofridas ao longo do tempo. Para tanto, no presente trabalho também existe uma abordagem teórica sobre o tema propulsão a vapor e as máquinas a vapor. 4 2 OBJETIVO DO TRABALHO O Programa de APS (Atividades Práticas Supervisionadas) é realizado pelos alunos do curso de graduação em Engenharia de produção, da Universidade Paulista (UNIP) de Jundiaí. Verificar que o calor pode ser utilizado para a realização de trabalho mecânico. Utilizando água à temperatura elevada que entra em ebulição e se transforma em vapor. Se a experiência for feita num recipiente fechado, o vapor formado deverá aumenta de volume e não podendo dilatar-se livremente, adquire força expansiva acionando um sistema mecânico e tracionando o protótipo que entrará em movimento permitindo assim o transporte de uma massa padrão de 100g, por uma pista de dimensões pré-estabelecidas em linha reta com cronometragem de tempo. 5 3 PROPULSÃO A VAPOR Vapor é utilizado em uma vasta gama de indústrias. Aplicações comuns para vapor são, por exemplo, processos aquecidos a vapor em usinas, fábricas e turbinas movidos a vapor em usinas de energia elétrica, mas os usos de vapor na indústria vão muito além disso. Aqui estão algumas aplicações típicas para vapor na indústria: Aquecimento/Esterilização Propulsão/Movimento Motriz Atomização Limpeza Hidratação Umidificação Vapor sob Pressão Positiva Vapor é tipicamente gerado e distribuído a uma pressão positiva. Em maioria dos casos, isto significa dizer que é fornecido ao equipamento a uma pressão acima de 0 MPaG (0 psig) e temperaturas superiores a 100°C (212°F). Aplicações de aquecimento para vapores a pressão positiva podem ser encontradas em fábricas de processamento de alimentos, refinarias e usinas químicas, para nomear alguns. Vapor saturado é utilizado como fonte de aquecimento em trocadores de calor para fluidos de processo, referve dores, reatores, pré-aqueceres de ar de combustão e outros tipos de equipamento trocador de calor. 6 Trocador de Calor do tipo Casco e Tubo Em um trocador de calor, o vapor aumenta a temperatura do produto através da transferência do calor, após no qual , se torna um condensado e é descarregado através de um purgador de vapor. 3.1 Vapor para Propulsão / Movimento Vapor é regularmente utilizado para propulsão (como uma força motriz) em aplicações taiscomo turbinas a vapor. A turbina a vapor é uma peça do equipamento que é essencial para geração de eletricidade em usinas termoelétricas. Em um esforço para melhorar a eficiência, progresso está sendo feito para o uso do vapor a pressões e temperaturas cada vez mais altas. Há algumas usinas termoelétricas que usam vapor superaquecido e pressão supercrítica de 25 MPa abs (3625 psia), 610°C (1130°F) em suas turbinas. Vapor superaquecido é frequentemente utilizado em turbinas a vapor para prevenir danos ao equipamento, causado pela entrada do condensado. No entanto, em certos tipos de usinas nucleares, o uso de vapor a alta temperatura deve ser evitada, uma vez que isso causaria problemas com o material utilizado no equipamento da turbina. Ao invés disso, um vapor saturado a alta pressão é tipicamente utilizada. Em locais onde o vapor saturado deve ser utilizado, 7 separadores são frequentemente instalados na tubulação de fornecimento, para remover o condensado arrastado pelo fluxo do vapor. Além da geração de energia, outras aplicações típicas de propulsão/movimento são geralmente voltadas também para compressores ou bombas movidas a turbina, como por exemplo compressores de gás , bombas da torre de resfriamento, etc. A força motriz do vapor faz as aletas girarem, que por sua vez faz girar o rotor vinculado ao gerador de energia, e esta rotação gera eletricidade. 8 3.1.1 Conceito de potência. Definimos a potência mecânica de uma força como a medida da rapidez do trabalho, ou seja, ela mede a rapidez com que a força transforma ou transfere energia. A potência é a quantidade de trabalho (ou energia de uma força) efetuado por unidade de tempo, o que equivale à velocidade de mudança de energia num sistema ou ao tempo despendido para realizar um trabalho. Portanto, a potência é igual à energia total dividida pelo tempo. Por outro lado, a potência mecânica é o trabalho que realiza um indivíduo ou uma máquina num determinado período de tempo. Por outras palavras, trata-se da potência transmitida através da ação de forças físicas de contato ou elementos mecânicos, nomeadamente alavancas e engrenagens. Outro tipo de potência que se pode mencionar é a potência eléctrica, que é o produto (resultado da multiplicação) da diferença de potencial entre as extremidades de uma carga e a corrente que ali circula. Também nos podemos referir à potência do som, que se calcula em função da intensidade e da superfície, e à potência de um ponto em relação a um círculo (se P é um ponto fixo e C uma circunferência, a potência de P relativamente a C é o produto das suas distâncias a qualquer par de pontos da circunferência alienados com P; o valor da potência é constante para cada ponto P). No que diz respeito às unidades de potência, reconhecem-se quatro grandes sistemas. O sistema internacional de unidades, cuja unidade mais frequente é o vátio, mais conhecido por watt e os seus múltiplos (quilowatt, megawatt, etc.), embora também possa utilizar combinações equivalentes como o volt ampere; o sistema inglês, que mede por cavalo-vapor; o sistema técnico de unidades, que se baseia na caloria internacional por segundo; e o sistema CGS de unidades, que calcula o erg por segundo (centímetro-grama-segundo). 9 4 TIPOS DE VAPOR Se água for aquecida além do ponto de ebulição, ela se vaporiza em vapor, ou água em estado gasoso. No entanto, nem todo vapor é igual. As propriedades do vapor variam gradativamente dependendo da pressão e temperatura na qual ele está sujeito. No artigo Principais Aplicações para Vapor, nós discutimos várias aplicações nas quais o vapor é usado. Nas seções a seguir, nós discutiremos os tipos de vapor usado nestas aplicações. 4.1 Vapor saturado Conforme indicado pela linha preta no gráfico acima, vapor saturado ocorre em temperaturas e pressões onde o vapor(gás) e água(líquido) podem coexistir. Em outras palavras, isto ocorre quando a taxa de vaporização da água é igual a taxa de condensação. Vantagens de uso do vapor saturado para aquecimento Vapor saturado tem muitas propriedades que o torna um excelente fonte de calor, particularmente às temperaturas de 100 °C (212°F) e acima. Algumas destas propriedades são: Propriedade Vantagem Aquecimento rápido e uniforme através de transferência do calor latente Melhorou a qualidade e produtividade do produto Pressão pode controlar temperatura Temperatura pode ser rapidamente e precisamente estabelecida Alto coeficiente de transferência do calor Menor área superficial requerida para transferência de calor, possibilitando redução no gasto inicial do equipamento. Origina a partir de água Seguro, limpo e baixo custo. 10 4.1.1 Dicas Tendo dito isso, é necessário estar atento aos seguintes itens quando estiver aquecendo com vapor saturado: Eficiência de aquecimento pode ser diminuído se outro vapor diferente ao vapor seco for usado para processo de aquecimento. Ao contrário da percepção comum, virtualmente todo o vapor gerado pela caldeira não é vapor saturado seco, mas sim vapor úmido, no qual contém algumas moléculas de água não-vaporizada.. A perda do calor radiante provoca condensação em alguma parte do vapor. O vapor úmido gerado nestas condições torna-se mais úmido, e também forma o condensado, que deve ser removido através da instalação de purgadores de vapor em locais apropriados. Condensado pesado que cai fora do fluxo de vapor pode ser removido através de purgadores de vapor da bota de condensado. No entanto, o vapor úmido entrante reduzirá eficiência de aquecimento, e deveria ser removido através do ponto de uso ou distribuição das estações de separação. Vapor que incorrer em queda de pressão devido ao atrito na tubulação, etc., pode resultar uma perda correspondente à temperatura do vapor também. 4.1.1.1 Vapor Úmido Esta é a forma mais comum do vapor experimentado nas plantas. Quando o vapor é gerado usando uma caldeira, este geralmente contém umidade vinda de moléculas de água não vaporizada que foram carregadas para dentro do vapor distribuído. Mesmo as melhores caldeiras podem descarregar vapor contendo 3% a 5% de umidade. À medida que a água se aproxima do estado saturado e começa a vaporizar, parte da água, geralmente em forma de névoa ou gotículas, é arrastada para vapor ascendente e distribuída em corrente abaixo. Este é um dos motivos chave de o porquê um separador é usado para desbaste do condensado a partir do vapor distribuído. 11 4.1.1.2 Vapor superaquecido Vapor superaquecido é criado através do aquecimento adicional sobre o vapor úmido ou saturado, acima do ponto de vapor saturado. Isto produz um vapor que tem temperatura mais alta e densidade mais baixa do que um vapor saturado à mesma pressão. Vapor superaquecido é usado principalmente em aplicação de propulsão/movimento tais como turbinas, e não é tipicamente usado para aplicações de transferência de calor. Vantagens de uso do vapor superaquecido para movimentar turbinas: Para manter o nível seco do vapor para equipamento movido a vapor, do qual a performance é debilitada pela presença de condensado. Para melhorar a eficiência térmica e capacidade de trabalho, e.g. para alcançar mudanças maiores em volume específico a partir do estado superaquecido para pressões mais baixas, até mesmo de vácuo. É vantajoso tanto o fornecimento e descarga de vapor, enquanto estiver no estado superaquecido porque não serão gerados condensados dentro do equipamento movido a vapordurante o funcionamento normal, minimizando o risco de danos por erosão ou a corrosão do ácido carbônico. Além disso, como a eficiência térmica teórica da turbina é calculada a partir do valor da entalpia na entrada e saída da turbina, aumentando o nível de superaquecimento bem como o de pressão, aumenta a entalpia no lado de entrada da turbina, e é assim eficaz na melhora da eficiência térmica. 12 Desvantagens de uso do vapor superaquecido para aquecimento: Propriedade Desvantagem Baixo coeficiente de transferência de calor Produtividade reduzida Maior área de superfície de transferência de calor necessária Variação na temperatura do vapor mesmo em pressão constante Vapor superaquecido precisa manter alta velocidade, senão a temperatura cairá à medida que o calor é perdido do sistema. Calor sensível é usado para transferir calor Queda de temperatura pode ter um impacto negativo sobre a qualidade do produto Temperatura pode ser extremamente alta Materiais de construção mais fortes podem ser necessários, requerendo um alto gasto inicial de equipamento. Por estas e outras razões, o vapor saturado é preferível a vapor superaquecido como meio de aquecimento em trocadores e outro equipamento de transferência de calor. Por outro lado, quando visto como uma fonte de calor para aquecimento direto, como um gás a alta temperatura, ele tem uma vantagem sobre o ar quente, onde ele pode ser usado como fonte de calor para aquecimento sob as condições livres de oxigênio. A pesquisa está sendo realizada também na utilização de vapor superaquecido em aplicações de processamento de alimentos, tais como cozinhar e secar. 4.1.1.3 Água Supercrítica Água supercrítica é a água no estado em que excede o seu ponto crítico: 22,1 Mpa,374 °C (3208 pisa, 705°F). No ponto crítico, o calor latente do vapor é zero, e seu volume específico é exatamente o mesmo, seja no estado líquido ou gasoso. Em outras palavras, água que está na pressão e temperatura acima do ponto crítico está num estado indistinguível que não é líquido nem gás. Água supercrítica é usada para movimentar turbinas em usinas de energia na qual demanda eficiência mais alta. Pesquisa sobre água supercrítica está sendo estudado com ênfase no seu uso como um fluido que tem as propriedades de 13 ambos líquido e gás, e em particular na sua adequação como um solvente para reações químicas. Relação de Pressão-Temperatura da Água e Vapor 4.1.1.4 Agua Não saturada Esta é a água no estado mais reconhecível. Aproximadamente 70% do peso do corpo humano vem da água. Na forma líquida da água, ponte de hidrogênio puxa as moléculas de água juntas. Como resultado, água não-saturada tem uma estrutura relativamente compacta, densa e estável. 14 4.1.1.5 Vapor saturado Moléculas de vapor saturado são invisíveis. Quando o vapor saturado é liberado para a atmosfera sendo expelido pela tubulação, parte dela condensa através de transferência do seu calor para o ar ao redor, e nuvens de vapor branco (pequenas gotículas de água) são formadas. Quando o vapor inclui estas pequenas gotículas, ele é chamado de vapor úmido. Em um sistema de vapor, o vapor liberado através do purgador de vapor é muitas vezes mal interpretado como vapor saturado(vivo), onde na verdade este é o vapor flash. A diferença entre os dois é que o vapor saturado é invisível imediatamente na saída da tubulação, enquanto que o vapor flash contém gotículas de água visível no instante da sua formação. 15 4.1.1.6 Vapor Superaquecido Enquanto reter o seu estado superaquecido, o vapor superaquecido não irá condensar mesmo que este venha a entrar em contato com a atmosfera e sua temperatura caia. Como resultado, nenhuma nuvem de vapor são formadas. Vapor superaquecido armazena mais calor que o vapor saturado que se encontra na mesma pressão, e o movimento de suas moléculas são mais rápidos, portanto este tem menor densidade (i.e., seu volume específico é maior). 16 4.1.1.7 Água Supercrítica Embora não seja possível dizer através da observação visual, esta é a água em uma forma que não é líquida nem gasosa. A idéia geral é de um movimento molecular que é próximo ao de um gás, e uma densidade que é próxima a de um líquido. 17 4.1.1.8 Tabelas Termodinâmicas Água Saturada e Vapor Saturado para P = 1,5 ata “Atmosfera absoluta” A tabela mostra as restrições (Parâmetros) do projeto. 5 DESCRIÇÃO DO PROJETO Este Projeto compreende de um sistema propulsor a vapor realizando movimento circular de rotação, consistindo de uma fonte de vapor, gerado por uma resistência elétrica (baterias, pilhas ou energia elétrica), de um reservatório de vapor que contém uma válvula controladora que regula a passagem de vapor e consequentemente a velocidade do sistema, à câmara de compressão e descompressão do vapor produzido que ao ser liberado terá de possuir uma potencia suficiente para cria uma força de ação sendo direcionado ao encontro das pás da roda motriz criando uma força de reação que por sua vez entra em movimento de rotação transferindo esta a uma polia conjugada que através de acionamento por correia irá transmitir o movimento de rotação a uma multiplicadora 18 que tem a função de aumentar a rotação e transferi-la ao eixo das rodas realizando assim trabalho de deslocamento com movimento circular. Em resumo a tarefa consiste em desenvolver e projetar um conjunto de peças com recipiente fechado sob pressão para a realização de trabalho. 5.1 Desenvolvimento do Projeto A finalidade deste desafio é desenvolver métodos eficazes de transformação de energia potencial de vapor em cinética. Para isso, serão aplicados conhecimentos sobre máquinas simples para construir um veículo que usará propulsão a vapor. A eficiência da máquina é crucial, pois vencerá a competição o veículo mais rápido e que não queime os limites da pista. 5.1.1 Passo a passo Os passos iniciais são planejamento do projeto, reuniões para distribuição de demandas e afazeres dos integrantes. Pesquisa de materiais e planejamento de gastos. Uma das principais partes do projeto é o relógio para medir a pressão sendo assim encomendaremos o mesmo no mercado livre. O vaso de pressão também é um pouco complicado de se achar inteiriço então iremos encomendar um usinado. Os posteriores passos porem não menos importante é mais fácil de colocar em pratica, são eles; Elaboração do croqui, montagem do chassi e eixos das rodas. Quando o passo acima estiver concluído iremos montar o vaso de pressão sobre o chassi com o relógio acoplado. Devera ficar conforme a figura abaixo; 19 Devemos nos atentar as especificações do projeto, conforme mencionado abaixo; Estamos planejando a construção de dois protótipos sendo o primeiro a ser construído (beta) e o segundo oficial. Por esse motivo organizaremos o material todo em dobro. O projeto final devera ficar com a aparência da figura abaixo. (Foto da internet) 20 Para os cálculos e ajustes do relógio de pressão utilizamos as formulas que aprendemos nas aulas de termodinâmica. Abaixo algumas formular utilizadas; 5.1.1.1 Provisão dos custos MaterialQuantidade Valor Relógio de pressão 1 R$ 85,00 Chapa de alumínio 1 R$ 30,00 Tubos de cobre 6 R$ 25,00 Rodinhas 4 R$ 15,00 Parafusos 20 R$ 5,00 Porcas 20 R$ 4,00 Arruelas 10 R$ 5,00 Mancais 4 R$ 25,00 R$ 194,00 21 6 A FÍSICA ENVOLVIDA Energia Desde o início do século XX, a humanidade tem passado por um processo de transformações sem precedentes na História. A produção industrial e agrícola cresce continuamente, as cidades tornam-se cada vez maiores e esse processo tem uma consequência: precisa-se cada vez mais de energia. Com o aperfeiçoamento das máquinas, foi possível diminuir seu tamanho e aumentar sua potência. Inicialmente as máquinas eram usadas como bombas de água, depois passaram a ser usadas na indústria têxtil e serrarias. No final do século XVIII, surgem as primeiras locomotivas. 6.1 O que é energia? Apesar de sua enorme presença na vida de todos e de sua importância como conceito científico nas explicações dos fenômenos naturais, é muito difícil expressar por meio de uma definição o que é energia. Em física existe uma definição: energia é a capacidade de realizar trabalho. Mas essa definição não agrada nem mesmo aos físicos, pelas limitações que ela tem. Quando vemos uma lâmpada iluminando uma sala dizemos que ela está emitindo energia luminosa. É difícil imaginar como essa energia luminosa, emitida pela lâmpada e que se espalha pela sala, pode ser vista como uma "capacidade de realizar trabalho". Assim, a compreensão do conceito de energia não vem do conhecimento de sua definição, mas sim da percepção de sua presença em todos os processos de transformação que ocorrem em nosso organismo, no ambiente terrestre ou no espaço sideral. No mundo macroscópico, das galáxias, estrelas e dos sistemas planetários, ou no microscópico, das células, moléculas, dos átomos ou das partículas subatômicas. 22 6.1.1 Tipos de energia Podemos encontrar vários tipos de energia, dos quais se destacam duas categorias associadas ao movimento: energia potencial (energia de posição) e energia cinética (energia do movimento), que somadas nos dão a energia mecânica. Em = Ep + Ec Na categoria geral de energias do tipo potencial estão as energias que representam um potencial de interação armazenado por via de uma determinada posição relativa. Estas energias podem ser libertadas e convertidas noutras formas de energia, alterando o estado do sistema. A energia potencial está associada a uma força restauradora (tende a puxar um objeto à sua posição inicial quando o objeto é deslocado). 6.1.1.1 Energia Potencial A energia potencial é um tipo de energia que está relacionada com a configuração do sistema, ou seja, esta relacionada com as posições do objeto. Podemos dizer também que energia potencial é a energia que pode vir a se torna energia cinética. Existem vários tipos de energia potencial, as mais conhecidas são as: gravitacional, elástica e potencial de vapor. A fórmula da energia potencial gravitacional é: Ep.g = m . g . h Neste projeto o vapor contido no reservatório tem energia potencial. Quando o vapor é liberado uma boa quantidade de energia se transforma em energia cinética pois o carrinho irá adquirir movimento. 23 7 PRIMEIRA LEI DE NEWTON Lei I: Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele. Conhecida como princípio da inércia, a Primeira lei de Newton afirma que a força resultante (o vetor soma de todas as forças que agem em um objeto) é nulo, logo a velocidade do objeto é constante. Consequentemente: Um objeto que está em repouso ficará em repouso a não ser que uma força resultante aja sobre ele. Um objeto que está em movimento não mudará a sua velocidade a não ser que uma força resultante aja sobre ele. Newton apresentou a primeira lei a fim de estabelecer um referencial para as leis seguintes. A primeira lei postula a existência de pelo menos um referencial, chamado referencial newtoniano ou inercial, relativo ao qual o movimento de uma partícula não submetida a forças é descrito por uma velocidade (vetorial) constante. No momento em que transformamos a energia potencial em forma de vapor em energia cinética, a energia cinética demonstra que o carrinho de a vapor está em movimento, e esse continuará em movimento até que seja aplicado uma força contra contraria ao movimento. A principal força contraria ao movimento é a Força de Atrito. 24 8 FORÇA DE ATRITO Definimos força de atrito como uma força contrária ao movimento de um corpo. A força de atrito aparece em razão das rugosidades existentes nas superfícies dos corpos. O atrito depende da força normal entre o objeto e a superfície de apoio, quanto maior for a força normal maior a força de atrito. Matematicamente podemos calcular a força de atrito a partir da seguinte equação: Fat = μ.N., na qual Fat é a força de atrito; μ é a constante de atrito do material e N é a força normal, referente à força exercida pelo piso no carrinho. 8.1 Temos dois tipos de força de atrito Coeficiente de atrito dinâmico ou cinético: presente a partir do momento que o corpo efetua deslocamento. Coeficiente de atrito estático: presente quando o corpo se encontra na iminência do movimento, ou seja, no princípio da atuação da força externa. A força de atrito estático é maior que a força de atrito dinâmico. 8.1.1 Relação Velocidade x Atrito Em condições normais, o automóvel “arranca” sem que as rodas escorreguem sobre a estrada, isto é, sem derrapar, e portanto o atrito é estático. Se o carro “arrancar” derrapando, o atrito é cinético. Pressionando o acelerador, aumentamos a velocidade de rotação das rodas, ω, e portanto a velocidade do centro de massa, vCM (notar que vCM = ωR, sendo R o raio das rodas). A força de atrito estático (de módulo variável) tem de aumentar. Enquanto ela não atingir o valor máximo, o carro pode acelerar. Como a força de atrito cinético tem módulo inferior a esse valor máximo, podemos concluir que se consegue uma maior aceleração ao “arrancar” com atrito estático, isto é, evitando que o carro derrape. 25 No carrinho esta relação deverá ser bastante relevada pois o sucesso do carrinho depende do seu deslocamento e portanto derrapadas no início do movimento serão apenas desperdício da força acumulada na roda propulsora portanto deverá ser evitada. Por essa razão as rodas possuem faixas antiderrapantes intercaladas para que o atrito entre a roda e o chão aumente. 8.1.1.1 Velocidade angular Para caracterizar a rotação de todos os pontos de uma roda, basta saber qual o ângulo formado por um ponto qualquer em relação ao ponto central em um determinado intervalo de tempo. A velocidade angular (w) é expressa por: w = (deslocamento angular)/(intervalo de tempo) = Dj/Dt ... (rad./s) Nota 1: Rodas acopladas a um mesmo eixo têm mesma velocidade angular, mesmo período e mesma frequência (ilustração abaixo, esquerda): w1 = w2 <==> V1/r1 = V2/r2 <==> V1/V2 = r1/r2 26 Por essa razão serão usadas rodas maiores no carro a vapor pois para uma mesma velocidade do eixo será imprimida uma velocidade menor na roda propulsora o que resulta em menor velocidade do centro de massa e por fim menor velocidade do carrinho, aumentando o atrito em relação ao chão.O centro de massa do carro ficará localizado estrategicamente no centro da caldeira, pois estamos considerássemos como um ponto e que normalmente se relaciona com o centro de gravidade que por sua vez é o ponto de equilíbrio do corpo. 27 8.1.1.2 Terceira Lei de Newton Lei III: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: ou as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em direções opostas. A Terceira lei de Newton, ou Princípio da Ação e Reação, diz que a força representa a interação física entre dois corpos distintos ou partes distintas de um corpo. Se um corpo A exerce uma força em um corpo B, o corpo B simultaneamente exerce uma força de mesma magnitude no corpo A— ambas as forças possuindo mesma direção, contudo sentidos contrários. Como mostrado no esquema ao lado, as forças que os esquiadores fazem um no outro são iguais em magnitude, mas agem em sentidos opostos. Repare que, embora as forças sejam iguais, as acelerações e ambos não o são necessariamente: quanto menor a massa do esquiador maior será sua aceleração. As duas forças na terceira lei de Newton têm sempre a mesma natureza. A exemplo, se a rua exerce uma força ação para frente no pneu de um carro acelerando em virtude do atrito entre este pneu e o solo, então também é uma força de atrito a força reação que empurra o asfalto para trás. De forma simples: a força é a expressão física da interação entre dois entes físicos: há sempre um par de forças a agir em um par de objetos, e não há força solitária sem a sua contraparte. As forças na natureza aparecem sempre aos pares e cada par é conhecido como uma par ação - reação. Aplicando a terceira lei de Newton encontramos a reação Normal. Em física, força normal é uma força de reação que a superfície faz em um corpo que esteja em contato com esta, essa força é normal à superfície. É utilizada para calcular a força de atrito Lembrando que a força normal é igual, EM MÓDULO, a força peso no caso de planos paralelos e coincidentes, mas não constituem um par de ação e reação. A força peso é uma força de campo, enquanto a força normal é uma força de contato. Para constituírem um par de ação e reação, ambas deveriam ser forças do mesmo tipo. 28 Quando se pressiona uma campainha há a força normal do seu dedo contra a campainha, ao mesmo tempo que existe a reação (Terceira lei de Newton): a campainha faz força contra o seu dedo. É a força de superfície contra superfície. A força normal existe sempre que há contato entre o corpo e a superfície de apoio, independentemente de essa superfície ser ou não horizontal. A direção da força é sempre perpendicular à superfície de apoio. . 29 9 CONCLUSÃO A propulsão constitui elementos de modo que a energia faz com determinado corpo se movimente de um lugar para outro com o acumulo de vapor dentro do vaso de pressão. Sendo assim ao realizar este sistema no desenvolvimento deste trabalho foi constatado que houve uma ação e reação que é nada mais do que a terceira lei de Newton, onde gerou uma reação com mesma intensidade, porém de sentido oposto, fazendo o carro deslocasse uma determinada distancia com a energia produzida pela propulsão. Concluímos que o projeto nos ajudou bastante tanto no entendimento das aulas de termodinâmica, mecânica dos fluidos quanto no entros amento dos integrantes do grupo. Realizamos todo o trabalho em grupo e nos baseamos bastante nas opiniões dispostas. Após a realização do projeto conseguimos ter uma visão diferenciada e mais critica quanto a propulsão a vapor. 30 10 BIBLIOGRAFIA http://www.youtube.com/watch?v=c_vf0eEBHsg http://pt.scribd.com/doc/214581666/Carro-a-Vapor-APS#scribd http://www.tecmundo.com.br/energia/2688-car-tech-carro-a-vapor.htm http://www.tecmundo.com.br/energia/2688-car-tech-carro-a-vapor.htm http://www.sofisica.com.br/conteudos/FormulasEDicas/formulas9.php http://cursos.unisanta.br/mecanica/ciclo4/Mecanica_dos_Fluidos.pdf http://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/types-of-steam.html#saturate https://www.google.com.br/webhp?sourceid=chrome- instant&ion=1&espv=2&ie=UTF- 8#q=o%20que%20%C3%A9%20conceito%20de%20potencia http://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/principal-applications-for-steam.html https://mesalva.com/cursos/engenharia/mecanica-dos-fluidos http://www.museudantu.org.br/moderna6.htm https://www.youtube.com/watch?v=ucyeDGEZHgQ https://www.youtube.com/watch?v=cBBsIRZZWgs https://www.youtube.com/watch?v=Q4VjYK-E0s8 https://www.youtube.com/watch?v=bfKkXJ6U4Y8 https://www.youtube.com/watch?v=mUBjmaqolbs https://www.youtube.com/watch?v=7CGFJVA3OhM https://www.youtube.com/watch?v=CfZ2bnqFS88 https://www.youtube.com/watch?v=KpJvm1-M8mg
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