INVESTIGAÇÃO NA LITERATURA SOBRE O ESTUDO E DESEMPENHO DE COMPÓSITOS HÍBRIDOS COM ADIÇÃO DE PARTÍCULAS PARA FABRICAÇÃO DE UMA CANELEIRA DE FUTEBOL

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A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes 
Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG 
Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 
INVESTIGAÇÃO NA LITERATURA SOBRE O ESTUDO E DESEMPENHO DE 
COMPÓSITOS HÍBRIDOS COM ADIÇÃO DE PARTÍCULAS PARA FABRICAÇÃO 
DE UMA CANELEIRA DE FUTEBOL 
 
Rubens Bagni Torres
(1)
 (rbtorres@bol.com.br), Julio César dos Santos
(1)
 
(sanjulio2000@yahoo.com.br), Luciano Machado Gomes Vieira
(1)
 (lucianomgv@yahoo.com.br), 
Túlio Hallak Panzera
(1)
 (tuliopanzera@ufsj.edu.br), André Luis Christoforo
(1)
 
(alchristoforo@ufsj.edu.br) 
 
(1)Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ); Departamento de Engenharia Mecânica 
 
RESUMO: Materiais compósitos reforçados com fibras sintéticas são utilizados nos mais 
diversificados ramos e recentemente o uso de compósitos de fibras naturais começou a 
ganhar popularidade em aplicações da engenharia. Propriedades como baixa densidade e 
custo atrativo, são os aspectos mais destacados na escolha destes materiais como reforço. 
Com a adição de partículas no compósito laminado ocorre o aumento da rigidez e 
conseqüentemente o adiamento de fratura prematura, aumentando assim a vida útil e 
propriedades mecânicas do compósito. Seguindo esta linha de pensamento a elaboração de 
compósitos híbridos é vantajosa, pois permite a projeção de materiais específicos com 
desempenho mecânico de acordo com as necessidades do produto. O objetivo deste estudo é 
investigar através da literatura, materiais compósitos híbridos na fabricação de uma 
caneleira de futebol, utilizando fibras e com reforço de partículas. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Compósitos Híbridos, Compósitos Laminados, Partículas. 
 
RESEARCH IN THE LITERATURE ON THE STUDY AND PERFORMANCE OF 
HYBRID COMPOSITES WITH ADDED PARTICLES FOR MANUCFATURE OF 
THE SOCCER SHIN GUARDS 
 
ABSTRACT: Composite materials strengthened with synthetic staple fibres are used in the most 
diversified branches and recently the use of composite of natural staple fibres started to gain 
popularity in applications of engineering. Properties, as low density and attractive cost, they are the 
detached aspects more in the choice of these materials as reinforcement. Following this line of 
thought the elaboration of hybrid composite is advantageous, therefore it in accordance with allows 
to the projection of specific materials with mechanical performance the necessities of the product. 
The objective of this study is to investigate through literature, hybrid composite materials for 
manufacture of the soccer shin guards, using staple fibres and with reinforcement of particles. With 
the particle addition in the plated composite the increase of the rigidity of the same and so find the 
postponement of premature breaking occurs, thus increasing the useful life and properties mechanics 
of the hybrid composite. 
 
KEYWORDS: Hybrid Composites, Laminates Composites, Particles. 
 
2° COEN – UFSJ 
12° CONEMI 
São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 
 
 
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1 INTRODUÇÃO 
A tecnologia moderna exige a combinação de propriedades que os materiais comuns 
não podem atender então o crescente emprego na indústria de materiais compósitos se deve ao 
fato de inúmeros tipos destes materiais apresentarem altos índices de resistência e rigidez por 
unidade de peso, elevado amortecimento estrutural, resistência a corrosão em ambientes 
agressivos aos metais e uma boa tenacidade à fratura. O uso de compósitos com fibras 
sintéticas permite não só uma significativa redução de peso, mas também contribuí para 
melhorar as resistências à corrosão e à fadiga de uma infinidade de componentes de 
aeronaves, plataformas marítimas de petróleo, satélites, submarinos, foguetes, veículos 
automotores, trens, de artigos esportivos e de implantes ortopédicos, entre outras aplicações. 
Materiais compósitos são uma classe que são constituídos de “fases” combinando 
materiais monolíticos e imiscíveis entre si (heterogêneos). As fases são comumente chamadas 
de matriz e fase reforçadora (descontinua ou dispersa). Já os compósitos híbridos são 
formados pela utilização de mais de um tipo de fibra de reforço e/ou diferentes tipos de 
reforço no material, ou seja, os materiais compósitos híbridos apresentam na sua estrutura, 
combinações de vários tipos de reforços, mesclando fibras e partículas no mesmo material ou 
ainda combinando mais de um tipo de fibra ou de partícula. 
Acessórios esportivos como dardos, varas, luvas de boxe, grama sintética e a própria 
indumentária dos atletas estão cada vez mais evoluídos tecnologicamente, para aumentar o 
desempenho, reduzir peso ou diminuir custos, e isso se dá, além de aprimoramentos em 
design, a evolução e utilização de diferentes materiais. Existem mais de 50 mil materiais 
disponíveis em cinco grupos, sendo descritos como naturais, metais, polímeros, cerâmicos e 
compósitos. Há uma grande lista de materiais que podem ser utilizados para otimização dos 
equipamentos esportivos. 
Com aproximadamente 265 milhões de praticantes regulares do esporte futebol, ou 
seja, perto de 4% da população mundial e ainda considerando seu constante crescimento, a 
melhoria e inovação em equipamentos de proteção se fazem necessárias, ainda mais por ser 
um esporte de contato e existir apenas um equipamento de proteção de uso obrigatório em 
competições oficiais FIFA e o equipamento é a caneleira. 
A evolução constante e as pesquisas realizadas nesta área têm acelerado o processo de 
melhoria do desempenho destes compósitos nos diversos segmentos citados, visando 
melhores propriedades mecânicas aliadas à leveza e sustentabilidade. 
Este trabalho apresenta um estudo bibliográfico inicial responsável por nortear o 
desenvolvimento de pesquisas visando à elaboração de materiais compósita híbridos, com 
lâminas de vidro, partículas de sílica e cimento para a fabricação de uma caneleira de futebol 
com propriedades mecânicas melhores que as atualmente encontradas no mercado. 
 
 
 
2° COEN – UFSJ 
12° CONEMI 
São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 
 
 
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2 REVISÃO DE LITERATURA 
Diversas definições para materiais compósitos existem na literatura. “Compósito 
estruturado com um sistema de materiais formado de duas ou mais fases numa escala 
macroscópica, cujo desempenho mecânico e propriedades são projetados para serem 
superiores àqueles dos constituintes atuando independentemente”, é a definição mais utilizada 
em estudos sobre o assunto. (DANIEL e ISHAI, 2006). 
De acordo com Callister (2002) os compósitos fabricados com camadas de fibras 
sobrepostas são denominados laminados, sendo unidirecionais ou multidirecionais. Quando 
são fabricados com mais de um tipo de reforço, como por exemplo, dois tipos de fibra, ou 
partículas e fibras, os compósitos são denominados híbridos (CALLISTER, W. D.,2002). 
O design e a correta seleção dos materiais são fundamentais para o aumento de 
desempenho, seja dos atletas de alto nível que utilizam os equipamentos para competições, 
quanto para os atletas que os utilizam para diferentes atividades esportivas, como esportes 
coletivos, academias, esportesde aventura, dentre outros (NOVA AMÉRICA, 2010). 
De acordo com Fifa (2011), a caneleira é um importante equipamento de proteção, que 
tem seu uso definido como obrigatório pela FIFA, pois previne uma série de lesões e fraturas, 
como a quebra da tíbia , onde este tipo de lesão pode afastar um jogador de futebol por até um 
ano do treinamento, entre o tratamento e o recondicionamento. 
Tendo em vista que, em um mercado com tamanha movimentação econômica, em que 
um jogador de elite pode receber valores de mais de um milhão de reais entre salário, luvas e 
patrocínio, pode significar um grande prejuízo ao clube (FIFA, 2011). 
Cerca de, 13% das lesões decorrentes do futebol ocorrem nas canelas, as fraturas 
correspondem a aproximadamente 0,37% dessas ocorrências, as mesmas ocorrem 
principalmente pela transmissão da energia cinética entre os jogadores (BARRY, 1998). 
As caneleiras são equipamentos esportivos que evitam contusões, lacerações e 
punções de pele causados por impactos. Estes equipamentos são mais efetivos contra choques 
e raspões, do que contra impactos de alta energia cinética, como chutes e caneladas de outros 
jogadores, ou seja, apesar de contribuírem na defesa da canela contra fraturas, as caneleiras 
são muito mais efetivas quanto menor for à força aplicada contra elas. Elas são utilizadas 
principalmente para proteção da tíbia, que está muito exposta na superfície posterior medial 
da perna (ANKRA H, 2003). 
 Ao contrário de outros ossos que são protegidos por músculos e pele, a tíbia está 
somente protegida pela pele, ficando mais exposta à ocorrência de lesões e fraturas. Estas 
lesões são extremamente dolorosas em vista que o periósteo, a membrana fina que recobre 
todos os ossos, é um tecido abundante em receptores da dor. (ANKRA H, 2003). 
 
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As caneleiras disponíveis no mercado apresentam diferenças significativas, não 
parecendo haver um consenso entre os fabricantes sobre as características essenciais do 
equipamento. Algumas das principais diferenças são: material, perfil de encaixe da canela, 
forma de fixação, tamanho do equipamento, design, perfil de furos de refrigeração e diferença 
de perfil entre usuários. Assim, apesar de ser um esporte com mais de 100 anos e com 
milhões de adeptos em todo o mundo, há pouca legislação sobre esse equipamento. Em geral 
não existem normas que regulamentam a qualidade das caneleiras comercializadas, e sim, 
uma norma padrão que é utilizada somente pela CONCACAF (Confederação de Futebol da 
América do Norte, Central e Caribe), principalmente no mercado dos Estados Unidos da 
América (FIFA, 2010). 
Existe uma norma padrão com requisitos mínimos a serem seguidos pelos fabricantes 
de caneleiras, NOCSAEDOC (ND)090 – 06m07, em que as caneleiras para teste são 
escolhidas em uma linha de fabricação de forma aleatória e em número suficiente estatístico, e 
passam por três testes: teste de impacto, fixação e também rótulos e avisos. 
O princípio da proteção da caneleira é o de transformar a força de impacto que 
ocorreria em uma área de contato pequena em uma área maior, assim, a força por área é muito 
menor, além disso, há um prolongamento do tempo de contato que ajuda na absorção do 
choque (PHILLIPENS E WISMANS, 1989). 
Em seu estudo, Phillipens e Wismans (1989) encontraram uma redução de 28 a 53% 
para uma energia cinética de 5,3J, contudo Francisco et al. (2000), encontrou reduções de 
apenas 11 a 17%, trabalhando com energias de 8 a 21 J, além disso, eles foram os únicos 
a comentarem sobre o design e materiais das caneleiras testadas e ressaltaram os 
seguintes pontos: “casca” de fibra de vidro se saiu melhor do que outros materiais na 
distribuição da força de impacto. 
A figura 1 mostra como as caneleiras são construídas basicamente em cima de 
camadas de espumas, e com diferentes designs da parte frontal. E são utilizadas para proteger 
a frente da tíbia e o músculo da perna. A rigidez de flexão da maioria das caneleiras é baixa 
na região horizontal de forma a se encaixarem nas canelas dos esportistas, contudo essa 
rigidez horizontal deve ser suficiente para transferir a carga de um impacto frontal para longe 
da tíbia, para músculos laterais 
A camada de espuma deve ser flexível para evitar o desconforto e atrito, mas resistente 
o suficiente para absorver a energia de impacto. 
 
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FIG. 1: Visão das camadas de uma caneleira a) Caneleira D, b) Caneleira E, c) A visão 
transversal desses modelos, sua segmentação. (Fonte: Reinforcedplastic, 2001) 
 
As melhores caneleiras para absorção de impacto utilizam cristas transversais e 
conchas de formas complexas para melhorar sua rigidez à flexão. Estudos também mostram 
que a maioria das camadas superficiais irá deformar contra impactos diretos, mas a camada 
interna somente absorverá uma energia significativa se a parte externa suportar energias 
superiores de 10 J. Alguma distância entre a camada interna da caneleira e a tíbia é um 
método eficiente para aumentar a proteção da mesma, pois este espaçamento também 
contribui para a absorção da energia e redução da pressão absorvida pela canela (ANKRAH, 
2003). 
As camadas podem ter diferentes valores de rigidez sendo, normalmente, distribuídas 
ao longo da direção do plano ortogonal da seguinte forma: maior rigidez a flexão na parte 
paralela a perna para maior proteção e um menor valor de rigidez é utilizado em volta da 
perna, obtendo-se assim maior conforto em seu uso. Esse processo pode ser utilizado com 
qualquer fibra ou combinação de fibras, assim vários materiais e compósitos podem ser 
utilizados para a combinação de proteção e conforto (REINFORCEDPLASTIC, 2001). 
2.1 Recomendações e regras para fabricação de caneleiras 
No dia primeiro de julho de 2010, entraram em vigor as novas regras do jogo de 
futebol, modificadas na 124ª Assembléia Geral Anual do International Football Association 
Board (IFAB), realizada na cidade de Zurich, na Suíça, em seis de março de 2010. Uma das 
regras estabelece que as caneleiras, são equipamentos básicos no futebol e, em função disso, 
são consideradas obrigatórias. A mesma caneleira pode ser usada em futebol de campo ou 
salão (FIFA, 2010), 
 
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A caneleira tem como objetivo a proteção da perna do jogador, onde a estrutura óssea 
conhecida como tíbia tem maior exposição, pois, a posição da tíbia é assimétrica na perna 
humana, com muito pouco tecido mole na superfície medial e borda anterior. Por haver pouco 
tecido mole, as lesões tendem a ser muito dolorosas em função que o tecido que recobre o 
osso é repleto de receptores da dor, assim, nessas áreas a proteção deve ser mais resistente, 
evitando que sejam atingidas de alguma forma que cause problemas aos jogadores.Esses 
problemas podem ser tanto de hipersensibilidade, quanto fraturas e outros (ANKRAH, 2003). 
Em 2001, a propriedade estrutural de uma tíbia artificial biológica com uma rigidez de 
flexão de 180nm² no plano ântero-posterior, foi produzida para ser usada em simulações. 
Esse valor foi encontrado através de uma média em testes com cadáveres. Essa tíbia artificial 
é produzida usando resina epóxi, reforçada com pequenas fibras de vidro envoltas de um 
núcleo de espuma, pela Pacífica Research Labs, Vashon, CA, USA (HEINER & BROW, 
2001). 
2.2 Lesões 
A ocorrência de lesões na perna durante a prática do futebol é muito comum, porém, a 
análise em forma de estudo para posterior utilização no combate e prevenção das mesmas é 
ainda muito restrita e complexa, visto que vários estudos utilizam metodologias diferentes e 
também por que envolvem varias áreas da ciência como design, seleção de materiais, 
biomecânica dos movimentos e a forma da ocorrência das lesões. O critério para fratura de 
um osso da tíbia foi encontrado com testes canela de cadáveres usando testes de impacto, as 
forças encontradas foram quatro a sete KN, e 2,9 +- 0,4 KN (NYQUIST ET AL, 1985; 
FRANCISCO ET AL, 2000). 
Não existe critério de contusão de tecidos moles em humanos, mas, em 2003 alguns 
trabalhos consideraram a hipótese da ocorrência da contusão dos tecidos moles ocorrerem em 
pressões acima de um 1(um) MPA. Na figura 2, vê-se o hipotético mecanismo de fratura do 
tornozelo (CRISTO ET al., 1996; ANKRAH, 2003). 
 
 
 
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FIG. 2: Adaptado de hipotético mecanismo de fratura do tornozelo (Fonte: Bahr, 
2003). 
As figura 3 mostra respectivamente uma fratura de tíbia e da fíbula, sendo vistas da 
parte posterior da canela e em seguida a radiografia depois da fixação intramedular da tíbia, 
mostrando os danos da lesão e como fica após o tratamento. 
 
FIG. 3: Radiografia mostrando fraturas na tíbia e fíbula, (b) radiografia posterior 
depois da fixação intramedular da tíbia (Fonte: Court & Brown, 1995). 
Um estudo realizado pelo Centro Escocês de Traumatologia, com 523 casos de 
fraturas na tíbia concluiu que 22,3% eram fraturas isoladas da tíbia e 77,7% eram fraturas 
combinadas de tíbia e fíbula. Nesse levantamento, 30,9% das fraturas ocorreram em função 
da prática de esportes, e desses, 80% eram em função do futebol. 
Assim, foram estudados 130 casos de fratura da tíbia em função da prática do futebol, 
ou seja, 22,5% dos casos e foi constatado, nesse estudo, que as fraturas combinadas são mais 
comuns do que as isoladas, e que a maior parte das fraturas nas pernas não são diretamente 
relacionada ao futebol, embora seja a atividade que mais causa esse tipo de problema 
(COURT; BROWN, 1995). 
Em 2006 um estudo analisou 42 fraturas de tíbia relacionadas à prática de futebol em 
atletas, todos eram homens com idades entre 12 e 31 anos. O pesquisador ressalva que, 
embora a idade seja relevante nesse tipo de lesão, não é um fator primordial, embora 
considerações devam ser feitas em função de que a maioria dos praticantes está dentro dessa 
faixa de idade (BENEDITO, 2006). 
3 DISCUSSÕES 
A dificuldade de se encontrar estudos completos sobre a parte reológica, estrutural ou 
mesmo as propriedade de materiais poliméricos epoxídeos reforçados com partículas é muito 
grande. Devido a este motivo, a seleção do melhor método de produção de um compósito 
reforçado com partículas apresentando um material com melhor desempenho funcional, 
interação física e química dos componentes em diferentes estados de agregação, fica mais 
difícil de ser promovida (SAVCHUK e KOSTORNOV, 2009). 
 
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É necessário que o uso eficiente dessas propriedades nos mecanismos de 
fortalecimento e os processos que levam a uma devida propensão a fratura, ou “crack”, 
interajam bem. 
O incremento na força que o compósito possa vir a ganhar com a mistura de diferentes 
formas de reforços fibrosos ou mistura com particulados geralmente é citado na literatura em 
estudos sobre a verificação de resistência ao impacto deste compósito. 
Estudos variando as proporções em peso de nano partículas, por exemplo, demonstram 
que para um ganho nas propriedades mecânicas são geralmente as faixa de 3 a 5% em peso de 
nano partículas, podendo um compósito aumentar em torno de 40% suas propriedades 
mecânicas (YASMIN et al., 2003). Chega-se então a conclusão que para a implementação do 
tipo de reforço particulado no compósito híbrido é necessário que haja uma criteriosa escolha 
do tipo e otimização do processo de dispersão do reforço em questão. 
Quanto ao direcionamento da fabricação de um compósito híbrido na fabricação de 
uma caneleira, é notório e correto afirmar que os materiais utilizados atualmente não atendem 
as necessidades básicas de proteção, devido talvez também ao formato universal aplicado em 
sua fabricação. Faz-se necessário então além de um estudo sobre o tipo de material, também a 
ergonomia e forma do produto final, ou seja, personalização do material de proteção, 
principalmente em função de preservar a integridade física do atleta, seja ele profissional ou 
não. 
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