RELATORIO RATOEIRA

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ETEP FACULDADES
CURSO DE ENGENHARIA ELETRICA
CURSO DE ENGENHARIA PRODUÇÃO
PROJETO CARRINHO DE RATOEIRA
EQUIPE MOUSE BUSTERS
Carlos Henrrique Lopes – chlopes92@gmail.com
Marcus Vinicius Duarte – marcusvinicius10@outlook.com.br
Ledislei Aparecido de Souza – ledisley@gmail.com
Rafael da Silva Matos – rafinhasmatos@hotmail.com
Orientadores: Profº Geisylene – geisylene.diniz@etep.edu.br
Monitor Rodrigo – rodrigo.fiorante@csa.edu.br
TAUBATÉ-2015
ETEP FACULDADES
CURSO DE ENGENHARIA ELETRICA
CURSO DE ENGENHARIA PRODUÇÃO
PROJETO CARRINHO DE RATOEIRA
EQUIPE MOUSE BUSTERS
Trabalho de Atividades Práticas Supervisionadas para Aplicação dos Conhecimentos Adquiridos nos Cursos de Engenharia Elétrica e Engenharia Mecânica, com projeto e construção de um carrinho cuja tração motora é somente a força da mola de uma ratoeira.
TAUBATÉ-2015
SUMÁRIO
1. SUMÁRIO.......................................................................................................................................03
2. INTRODUÇÃO...............................................................................................................................04
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..................................................................................................05
3.1 História..............................................................................................................................05
3.2 Conceito............................................................................................................................05
3.3 Tipos de Energia...............................................................................................................05
3.4 Energia Potencial..............................................................................................................06
3.5 Energia Potencial Elástica.................................................................................................06
3.6 Primeira Lei de Newton....................................................................................................06
3.7 Força de Atrito..................................................................................................................07
3.8 Relação Velocidade x Atrito.............................................................................................07
3.9 Velocidade Angular..........................................................................................................08
3.10 Terceira Lei de Newton..................................................................................................08
4. DESENVOLVIMENTO.................................................................................................................09
4.1 Carrinho de Ratoeira........................................................................................................09
4.2 Conceitos Físicos.............................................................................................................10
5. CRONOGRAMA PARA CONSTRUÇÃO E ETAPAS A SEREM REALIZADAS....................10
6. CONCLUSÃO.................................................................................................................................12
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................13
2. INTRODUÇÃO
Na história da humanidade, nós sempre fomos motivados pela curiosidade e o conhecimento. Agimos de modo a construir mecanismos facilitadores de prospecção à nossas vidas, assim sendo, buscamos criá-los e entendê-los para aperfeiçoar técnicas a fim de aproveitá-las nas mais diversas áreas.
A utilização de carros movidos por tração animal e/ou mecânica vem sendo utilizada à milhares de anos com o objetivo de transportar algo necessário ao desenvolvimento humano ou mesmo os próprios no deslocamento em grandes distâncias.
No presente trabalho são apresentados os procedimentos básicos do projeto “Carrinho de Ratoeira”, utilizando princípios de física para a construção e teste de um veículo propulsionado por uma ratoeira convencional de mola de torção, visando um conhecimento mais dinâmico e interessante para os estudantes, evidenciando por meio de situações praticas a importância para os futuros engenheiros do incremento de competências, habilidades, valores e atitudes relacionadas às atividades de planejamento, criatividade, modelagem, simulação e trabalho em equipe. 
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 História
As utilizações de energia potencial mecânica para tracionar veículos de transportes só vieram com conceitos que tiveram origem na antiga civilização grega. As roscas de Arquimedes, inspiradoras para os moinhos de ventos holandeses responsáveis pelo bombeamento das e pela pilagem dos grão de trigo.A utilização de bielas excêntricas, pistões, embreagens, engrenagens e eixos foram utilizadas na primeira fase da era industrial para transmitir movimento contínuo aos teares têxteis ingleses à vapor.
Os motores movidos à vapor foram os primeiro a utilizar gases e princípios de conservação para promover movimento, mas o cientista alemão Otto Liliental que foi o primeiro a utilizar a expansão dos gases para construir um motor de combustão interna, permitindo não só a criação dos primeiros automóveis, mas também necessária para o primeiro voo do Brasileiro Alberto Santos Dummont.
Enfim, as molas foram aplicadas na construção de veículos de recreação, em especial brinquedos, com a finalidade de utilizar a energia potencial contida em movimento; Muitos desses brinquedos do início do século XIX utilizavam mecanismos de corda para transferir energia à mola, em geral de torção.
3.2 Conceito
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.
3.3 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).
3.4 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 e a elástica.
A fórmula da energia potencial gravitacional é:
Ep.g = m . g . h
A fórmula da energia potencial elástica é:
E = ( k . x² ) / 2
3.5 Energia Potencial Elástica
  Na ratoeira serão usadas molas de distendimento e compressões radiais também conhecidas como molas de torção sendo que as equações e conceitos das molas de flexão, que são as mais comuns, não poderão ser aplicadas a estas.
Molas de torção são aquelas cuja solicitação predominante é a da torção. A mola de torção mais simples é chamada barra de torção. É constituída por uma barra de seção circular de eixo retilíneo, presa por uma extremidade e sujeita na extremidade livre a um momento que age num plano normal ao eixo da barra. Age como mola quando coliga elasticamente dois órgãos mecânicos que devem submeter-se a afastamentosangulares elásticos relativos. O coeficiente de rigidez torcional é dado por  Kt = Mt/j  e representa o momento torsor necessário para que a seção da extremidade livre da barra gire de um ângulo j = 1 radiano; este é tanto maior quanto maior é o módulo de elasticidade transversal G do material e do momento de inércia polar Jp, da barra, e quanto menor é o comprimento l da barra. Demonstra-se, também, que a energia potencial elástica absorvida pela barra é igual a (1/2) K.
            Neste projeto a mola que aciona a ratoeira é na verdade um reservatório de energia potencial. Quando a ratoeira é armada, esta mola armazena uma boa quantidade de energia, que depois se transforma em energia cinética quando ela se desarma, ou seja, se transformará em energia cinética pois o carrinho irá adquirir movimento. 
3.6 Primeira Lei de Newton
“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 desprendemos a haste e fazemos com que energia potencial elástica seja transformada em energia cinetica. A energia cinética demonstra que o carrinho de ratoeira está em movimento, e esse continuará em movimento até que seje aplicado uma força contra contraria ao movimento. A principal força contraria ao movimento é a Força de Atrito.
3.7 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.
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.
 3.8 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.
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 mola da ratoeira e portanto deverá ser evitada. Por essa razão nas rodas serão colocadas faixas de borracha para que o atrito entre a roda e o chão aumente.
3.9 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 freqüência.
w1 = w2  <==>  V1/r1 = V2/r2  <==>  V1/V2 = r1/r2
Por essa razão serão usadas rodas maiores pois para uma mesma velocidade do eixo será imprimida uma velocidade menor na roda 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 acima citado seria o carrinho se o 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.
3.10 Terceira Lei de Newton
“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 contra-parte. 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 constituir uma ação / reação, ambas deveriam ser forças do mesmo tipo.
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.
4.0 DESENVOLVIMENTO
4.1 Carrinho de Ratoeira
O projeto consiste na construção de um carrinho impulsionado através de uma ratoeira, respeitando as dimensões estabelecidas pelo regulamento, utilizando na prática conceitos de cinética, tração, aceleração, atrito, força elástica e potência, a fim de cumprir um percurso de 10 metros no menor tempo possível. 
4.1 Conceitos Físicos
Energia elástica: fornecida pela mola da ratoeira, ao ser armada a mola armazenava energia gasta para movê-la ate prende-la que depois de acionada liberava essa energia rapidamente.Tensão: a linha que ligava o eixo à mola era tensionada e por estar em contato com a lateral do eixo e não com o centro gerava um momento forçando o giro do conjunto eixo rodas
Inercia: utilizada para fazer o carrinho chegar ao final dos 10 metros sem a propulsão da mola, o carrinho adquiria velocidade e quando a mola parasse de impulsionar ele tendia a manter essa velocidade.
Atrito: o atrito só era desejado na área de contato com o solo, mas teria de ser o mínimo necessário já que muito atrito faria o carro perde sua velocidade rapidamente, pois iria atuar contra a inercia, outros locais onde havia atrito era nos eixos e a lateral das rodas com o chassi.
Torque: a mola puxa a linha criando uma força, essa força aplicada fora do eixo de rotação resulta em um torque, aumentando essa distancia entre o ponto onde a força é aplicada e o eixo de rotação se aumenta o torque. Relações maiores geram um torque maior do que os menores por te uma distancia maior entre o eixo de rotação.
Peso: O carrinho possui massa e está em um local que tem gravidade.
Normal: Segundo a lei da Ação e Reação, é uma força contrária ao Peso.
Tração: Força que impulsiona o carrinho.
5.0 CRONOGRAMA PARA CONSTRUÇÃO E ETAPAS A SEREM REALIZADAS
1º passo: Definir quais materiais serão utilizados no desenvolvimento da construção do projeto ( Carrinho de Ratoeira ).
2º passo: Os materiais a serem utilizados serão:
2 eixos ( Barra metal );
3 mancais;
4 CDs ( rodas );
4 rolamentos;
1 prancha de madeira compensada;
1 ratoeira de 110mm x 70mm;
1 barra de inox de ¼” x 200mm;
1 barra de inox de ¼” x 100mm;
1 carretel de linha nº10;
8 porcas de ¼” WC;
3 mancais u.c.  ¼” uc;
12 parafusos s Ø2 mm x 4 mm.
3º passo: Demarcar uma linha de centro em toda extensão PA prancha compensada de madeira e demarcar as distâncias entre eixos, distribuindo as diferenças entre o comprimento total da prancha.
4º passo: Instalar as quatro rodas nos dois eixos, fixando-as com as porcas.
5º passo: Marcas os furos dos mancais, levando em consideração que é 1 mancal para a traseira e 2 para a frente do carrinho, atentando sempre para o alinhamento.
6º passo: Curvar a barra de inox de 200mm, exatamente no centro, à 60° de ângulo.
7º passo: Soldar a barra curvada de 200mm na extremidade do prendedor da ratoeira com largura de 100mm e na bifurcação do triângulo e  soldar a extensão da barra de inox de 100mm.
8º passo: Instalar o carretel de linha nº10 no centro do eixo traseiro.
9º passo: Montar a ratoeira modificada tendo o eixo de torção no centro da prancha e com a máxima torção voltada para o eixo traseiro.
10º passo: Instalar os mancais sendo 1 ao centro da dianteira e 2 espalhados paralelamente na traseira.
11º passo: Instalar o eixo montado com o carretel na traseira e o eixo com um só apoio no mancal dianteiro.
12º passo: Instalar a ratoeira modificada atentando que a maior resistência da mola deve estar voltada para o eixo traseiro que irá promover a tração.
13º passo: Fixar o cordame que transmitirá movimento mediante acionamento da ratoeira conforme necessidade, ou seja, comprimento necessário para promover movimento ao eixo traseiro.
14º passo: Dar acabamento e ajustes.
6. CONCLUSÃO
O projeto carrinho de ratoeira proporcionou aos estudantes de engenharia a importância e a inter-relação entre os conhecimentos das áreas básicas e específicas e também entre a teoria e o experimento. A atividade desperta grande interesse e envolvimento dos estudantes, que se mostram capazes de superar as dificuldades iniciais de entendimento e aplicação de conceitos e conhecimentos básicos de física. A metodologia de ensino empregada evidencia aos estudantes a importância das atividades de modelagem e simulação no processo de desenvolvimento de um projeto de engenharia, antes de se construir um protótipo para testes. Adicionalmente, o caráter competitivo da atividade e as limitações de material e requisitos de projeto impostas, estimulam a criatividade e a busca por soluções alternativas para os problemas encontrados. Após todo o processo proveniente de cálculos, desenvolvimento e execução do projeto, concluímos nosso projeto carrinho de ratoeira.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://omundofisica.blogspot.com.br/p/carrinho-ratoeira.html
http://eureka--eureka.blogspot.com.br/2011/10/relatorio-carrinho-de-ratoeira.html
http://thephisica.blogspot.com/2011/10/relatorio-do-carrinho-de-ratoeira.html
http://pt.wikihow.com/Construir-um-Carrinho-de-Ratoeira
http://www.abenge.org.br/CobengeAnteriores/2012/artigos/103753.pdf