APS CARRINHO AR COPRIMIDO

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TRABALHO DE ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA – APS 
 
 
PROPULSÃO DE CARRO À AR COMPRIMIDO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NOVEMBRO 2015 
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SUMÁRIO 
 
 
1. INTRODUÇÃO 3 
2. OBJETIVO 3 
3. BIBLIOGRAFIA BÁSICA 4 
 3.1. Motivação do desenvolvimento de turbinas 4 
 3.2. Motor Turbo jato 4 
 3.3. Motor Turbofan 5 
 3.4. Motor a jato 6 
 3.5. Considerações Iniciais da propulsão 6 
4. CONSTRUÇÃO 8 
 4.1. Estrutura 8 
 4.2. Eixo e rodas 9 
 4.3. Fixação dos eixos 9 
 4.4. Montagem das garrafas 10 
 4.5. Pneumática e propulsão 11 
 4.6. Design 14 
5. PLANILHA DE CUSTOS 15 
6. CONCLUSÕES 15 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 16 
 
 
 
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1 INTRODUÇÃO 
 Os motores a jato surgiram, como conceito, no primeiro século depois de Cristo, 
quando Heron de Alexandria inventou o eolípila. Este invento usava o vapor direcionado através de 
dois tubos, de modo a realizar o movimento de uma esfera em seu próprio eixo. 
 Propulsão a jato é o nome dado à força gerada por um motor que através de um intenso jato 
de fluido, resulta em um impulso. Trabalhos relacionados a este tipo de força só são possíveis graças 
aos avanços na aplicação da terceira lei de Newton (princípio da ação e reação) diz que quando um 
corpo A aplica uma força em um corpo B, recebe deste uma força de mesma intensidade e mesma 
direção, porém de sentido oposto. 
 Com o avanço da tecnologia, surgiram vários tipos de motores a jato. Aviões e foguetes usam 
esse mecanismo para atingirem altas velocidades em curtos espaços de tempo. Os fluidos usados 
para esses mecanismos podem ser, por exemplo: água, vapor, gás, ar e até mesmo o fogo. 
 A propulsão a jato só foi realmente estudada com a invenção do foguete pelos chineses no 
século 11. Os foguetes inicialmente foram destinados a finalidades simples, como no uso de fogos de 
artifício, mas gradualmente passaram a ser usados para propelir armamentos de efeito moral. Em 
1929, o estudante de aeronáutica, Frank Whittle encaminhou suas ideias sobre um motor turbo-jato 
para seus superiores. Um ano depois, Whittle pediu sua primeira patente, que foi concedida em 1932. 
A patente exibia um compressor de dois estágios axiais seguido por um compressor centrífugo 
simples. 
 Em 1935, Hans von Ohain iniciou um trabalho em um projeto similar na Alemanha, 
aparentemente sem conhecimento do trabalho desenvolvido por Whittle. O primeiro motor 
desenvolvido por Whittle funcionou em 1937. Era alimentado com combustível líquido e possuía a 
bomba de combustível acoplada ao motor. 
Por sua vez, o motor de von Ohain, desenvolvido cinco meses depois de Whittle, era abastecido por 
gás, sem ter um dispositivo de abastecimento acoplado. 
 Hoje os motores à propulsão a jato são amplamente utilizados na indústria. 
 
 
2 OBJETIVOS 
 
 O objetivo deste projeto é desenvolver um carro que seja movido à propulsão, atendendo a 
todos os critérios de construção e utilizando ar comprimido como combustível. O projeto deverá ser 
capaz de percorrer uma distância de 15 metros, carregando um peso de 2 kg, além de sua própria 
massa. A parte disso é possível estudar as propriedades e comportamentos de fluidos como um tipo 
de força. 
 
 
 
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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
 3.1. Motivação do desenvolvimento de turbinas. 
Quando se pensa em propulsão a ar comrpimido deve-se levar em conta o desenvolvimento e 
estudo da aerodinâmica a indústria aeronáutica. 
Esta é a motivação que está por trás do desenvolvimento da turbina a gás (figura 1), 
comumente chamada apenas por "motor a jato", a qual poderia ser quase tão revolucionária para a 
aviação quanto o primeiro vôo de Santo Dumont. 
Figura 1: Motor turbo jato. 
 
Fonte: Wikipédia. 
 
3.2 Motor Turbo jato 
Um motor turbojato é um tipo de motor de combustão interna normalmente usado para 
impulsionar aviões. O ar é sugado por um compressor rotativo e é comprimido, em sucessivos 
estágios para maiores pressões antes de passar pela câmara de combustão. O combustível é 
misturado ao ar comprimido e é queimado na câmara de combustão com o auxílio de ignitores. 
O processo de combustão eleva significativamente a temperatura do gás, fazendo com que 
os gases expelidos expandam-se através da turbina, na qual a força é extraída para movimentar o 
compressor. Embora este processo da expansão reduza a temperatura e a pressão do gás na saída 
da turbina, ambas estão ainda muito acima das condições naturais. 
O gás de em expansão sai da turbina através dos bocais de saída do motor, produzindo um 
jato de alta velocidade. Se a velocidade do jato exceder a velocidade de vôo do avião, existirá uma 
pressão de aceleração sobre a fuselagem. 
Sob condições normais, a ação bombeadora do compressor impede a existência de qualquer 
contra-fluxo, facilitando o fluxo contínuo do motor. O processo inteiro é similar ao motor de quatro 
tempos, mas a admissão, compressão, explosão e exaustão se dão ao mesmo tempo em diferentes 
seções do motor. A eficiência mecânica do motor dependerá fortemente da razão de compressão 
(pressão de combustão/pressão de entrada) e da temperatura da turbina no ciclo. 
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A comparação entre motores a jato e motores a hélice é instrutiva. Um turbojato acelera 
intensivamente uma pequena quantidade de ar, enquanto um motor a hélice move uma relativamente 
grande quantidade de ar a uma velocidade significativamente menor. 
Os gases de exaustão rápidos de um motor a jato os fazem mais eficientes em altas velocidades, 
especialmente em velocidades supersônicas e em grandes altitudes. Em aviões mais lentos, 
requeridos para vôos curtos, um avião equipado com uma turbina a gás que move uma hélice, 
comumente conhecido como turbo-hélice, é mais comum e muito mais eficiente. 
Aviões muito pequenos normalmente usam motores convencionais, a pistão, para mover a 
hélice, mas motores turbo-hélice pequenos estão ainda menores com o surgimento de melhorias na 
engenharia. 
O turbojato descrito acima é um turbo jato de eixo simples, no qual um único eixo conecta a 
turbina ao compressor. Projetos que atingem altas pressões possuem dois eixos concêntricos, que 
melhoram a estabilidade durante a aceleração do motor. 
 O eixo de alta pressão externa liga-se ao eixo da turbina. Este, com o pós-combustor, 
formam o núcleo ou gerador de gás da turbina. O eixo interno conecta-se ao compressor de baixa 
pressão da turbina. Ambos ficam livres para operar em velocidades ótimas. 
 
 3.3. Motor Turbofan 
Grande parte dos aviões comerciais atuais são equipados com motores turbofans (figura 2), 
nos quais um compressor de baixa pressão age como um ventilador, levando ar não apenas para o 
centro do motor, mas também para um duto secundário. O fluxo de ar secundário passar por um 
"bocal frio" ou é misturado com gases de exaustão à baixa pressão da turbina antes de se expandir 
com os gases do fluxo principal. 
Figura 2: Motor turbofan. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Wikipédia. 
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Quarenta anos atrás havia pouca diferença entre motores a jato civis e militares, aparte o uso 
de pós-combustores em algumas aplicações (supersônicas). 
Turbofans de uso civil dos dias atuais possuem um baixo empuxo específico (empuxo líquido 
dividido pelo fluxo de ar) para manter o barulho do jato a um mínimo aumentar a eficiência do de 
combustível. Conseqüentemente a relação de permeabilidade (fluxo de ar secundário dividido pelo 
fluxo do núcleo) é relativamente alta (relações de 4:1 a 8:1 são comuns). Um único ventilador é 
necessário, dado que o baixo empuxo específico implica uma baixa pressão do ventilador. 
Osturbofans atuais, no entanto, têm um empuxo específico relativamente alto, para 
maximizar o empuxo para uma dada àrea frontal, e o barulho sendo uma pequena conseqüência. Os 
fans multi-estágio são requeridos normalmente para alcançar um índice de pressão do fan 
relativamente alto necessário para um empuxo específico. Apesar de altas temperaturas na entrada 
da turbina são freqüentemente empregadas, o índice de passagem de ar secundário (bypass) tende a 
ser baixo (normalmente significativamente inferior a 2.0). 
 
3.4. Motor a jato 
O motor a jato é um motor feito para empurrar, usando a terceira lei de Newton. A ação de 
forçar massa em forma de gases quentes para uma direção gera uma força em sentido contrário. 
Todas as peças que estão dentro do motor a jato têm a finalidade de captar o ar e expulsá-lo 
com a maior velocidade possível. 
 Todos os motores a jato e turbinas a gás são motores de calor que convertem energia térmica 
em trabalho útil. O trabalho pode ser útil na forma de energia mecânica, a partir de um eixo que pode 
ser usado para acionar uma hélice, um veículo, uma bomba, um gerado elétrico, ou qualquer outro 
dispositivo mecânico. 
 
3.5. Considerações Iniciais da propulsão 
 As entradas de ar submersas tipo NACA, tal como mostrada na figura 3, têm sido 
amplamente usadas como fonte de ar externo para os sistemas de ar condicionado, ventilação e 
refrigeração. 
 
 
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Figura 3: Detalhe da entrada de NACA com defletores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Wikipédia. 
 Os critérios de projeto deste tipo de entradas foram estabelecidos entre os anos 1940 e 1960. 
Os principais objetivos dos trabalhos experimentais desenvolvidos nestes anos, os quais foram 
conduzidos pela NACA, National Advisory Committee for Aeronautics, foram determinar a influência 
sobre o desempenho deste tipo de entradas de ar dos parâmetros aerodinâmicos e geométricos. 
 Os parâmetros aerodinâmicos que foram avaliados foram: o número de Mach (M), o ângulo 
de ataque, a vazão mássica e a espessura da camada limite. 
 O posicionamento da entrada, o ângulo do bordo da entrada, a forma da rampa da entrada e 
dos defletores de escoamento, foram os principais parâmetros geométricos das entradas de ar, cuja 
influência sobre seu desempenho foi avaliada. 
 Dentre as referências analisadas, apenas uma pequena quantidade contém informações 
sobre o escoamento a montante da entrada de ar. Estas informações são indispensáveis quando se 
deseja realizar comparações entre resultados experimentais e aqueles obtidos através de simulações 
numéricas. Além disto, os procedimentos experimentais adotados nem sempre são detalhados. 
 A maior parte dos trabalhos recentes empregam técnicas de CFD para a modelagem do 
escoamento em entradas de ar para o motor da aeronave, tanto em condições de escoamento 
subsônico como em condições de escoamento supersônico. 
 Diversas tentativas foram realizadas a fim de melhorar o desempenho das entradas de ar 
submersas, as quais utilizam diferentes técnicas. Sendo elas: 
 Geradores de vórtices; 
 Defletores de escoamento; 
 Otimização de parâmetros geométricos; 
 Jatos pulsantes. 
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No que tange ao uso de geradores de vórtices especificamente, dois trabalhos se destacam: 
o primeiro usa um gerador de vórtices tipo asa delta, e o segundo usa uma técnica de geração de 
vórtices. 
Os autores não mostram os detalhes do gerador de vórtices utilizado, mas a característica 
comum às técnicas usadas com a finalidade de aumentar o desempenho das entradas de ar 
submersas, e cujos resultados foram satisfatórios, é a modificação do conteúdo da energia da 
camada limite que se desenvolve à montante da entrada. 
 A maneira clássica de avaliar o desempenho das entradas de ar leva em conta três 
parâmetros. O primeiro é a vazão mássica de ar que ingressa na entrada, ou mais precisamente, a 
razão entre esta vazão mássica e a vazão mássica teórica que ingressaria na entrada em condições 
de escoamento não perturbado. O segundo é a eficiência de recuperação de pressão dinâmica da 
entrada, a qual é definida como a razão entre a pressão dinâmica na garganta da entrada e a pressão 
dinâmica no escoamento não perturbado. O terceiro parâmetro é o coeficiente de arrasto na entrada. 
 
4. CONSTRUÇÃO 
 4.1 Estrutura 
 A estrutura é uma parte importante no dimensionamento, de modo a permitir a combinação 
da agilidade, praticidade e também a estética do carrinho, pois se deve garantir o melhor 
desempenho do projeto nos testes. As medidas ficaram em 710 mm de comprimento, 33 mm de 
largura e 460 mm de altura. A figura 3 abaixo mostra a estrutura já finalizada. 
Figura 4 – Estrutura finalizada. 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Imagem própria. 
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 4.2 Eixo e rodas 
 As rodas foram confeccionadas em Technil tendo 60 mm de diâmetro, e dentro das mesmas 
foram alocados rolamentos de 32 mm, montados em um eixo de madeira. O travamento entre eles foi 
feito por pressão. A figura 5 mostra as rodas de Technil com os rolamentos e também os eixos, 
ambos foram torneados. 
Figura 5 – Eixos e rodas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Imagem própria. 
 4.3 Fixação dos eixos 
 Esta etapa é muito importante, pois os eixos não podem ficar desalinhados, caso contrário o 
carrinho não seguirá o trajeto em linha reta, conforme deve ser feito. Através de parafusos foi fixado o 
eixo no chassi, após o alinhamento dos mesmos. 
Figura 6 – Fixação dos eixos no chassi. 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: imagem própria. 
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 4.4 Montagem das garrafas 
 Com o reservatório do fluido (ar comprimido), foram utilizadas doze garrafas PET 
(Politereftalato de etileno), distribuindo igualmente entre elas a pressão de quatro bar, exigida nas 
normas do projeto. As garrafas foram dispostas na horizontal em quatro fileiras com três PET cada. 
 O formato paralelo das garrafas, inclusive, em tese, proporciona melhor interação entre o 
conjunto, bem como, ao esvaziar um dos reservatórios paralelos, o reservatório seguinte será 
“pressionando” por outro a esvaziar mais, pois, a intenção não é fixar uma a uma e, sim, através da 
criação de uma malha elástica, do tipo utilizado por motociclistas, haveria uma compressão de umas 
contra as outras, causando maior volume de expulsão de ar comprimido se comparado simplesmente 
ao retorno ao estado inicial. 
 Comparando um vasilhame que ao esvaziar-se para seu estado original com um que vai ser 
comprimido e expulsando maior volume de ar, podemos analisar que há uma relação de proporção 
entre o volume de ar expelido e a distância percorrida. 
 
Figura 7 – Garrafas montadas na estrutura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: imagem própria. 
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 4.5 Pneumática e propulsão 
 Para propulsão no carrinho, a opção mais comum é um pequeno sistema pneumático, que 
consiste em usar um gás ou ar pressurizado. Pode ser utilizado numa gama alta de aplicações como 
freios de caminhões e ônibus, clínicas, sistemas pneumáticos, pinturas, pulverizações. Sua aplicação 
ajuda a libertação do operário de operações repetitivas, possibilitando o aumento do ritmo de 
trabalho, aumento de produtividade e, portanto, um menor custo operacional. Os sistemas 
pneumáticos são montados a partir de componentes, como válvulas de entrada e saída, mangueiras, 
distribuidores, pistões, entre outros. 
 A válvula é um componente do circuito pneumático destinada a controlar a direção, pressão 
ou a vazão do ar comprimido. Saiba que elas podem ser de controle direcional de 2, 3, 4 ou 5 vias, ou 
ainda de pressão e de bloqueio, reguladores de vazão, com vários tipos de atuadores. Os comandos 
pneumáticos podem ser subdivididos em elementos de comando, elementos de sinais e os elementos 
de trabalho.Vale citar que as válvulas pneumáticas circulam o ar ao longo de um enorme sistema 
pneumático possibilitando ou inibindo o fluxo de ar sob a pressão, em que a força é usada para 
alimentar um dispositivo. Como as válvulas podem ter vários números de entradas de ar, que criam 
diversos padrões de escoamento, saiba que as válvulas recebem a classificação de acordo com a 
quantidade de portas que elas têm e ainda os caminhos de fluxo que elas desenvolvem. 
 A válvula mais indicada encontrada para esta aplicação (carrinho a propulsão) foi a mini 
válvula de esfera 3/8” da Festo , ilustrada na figura 8. 
 
Figura 8: Mini válvula de esfera 3/8 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: https://www.festo.com/cat/pt-br_br/products 
 
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Para o engate das mangueiras com a válvula utilizou-se uma conexão reta de 6 mm x 3/8” , 
também da Festo, conforme figuras 9-a e 9-b. 
Figura 9-a: Conexão reta de 6 mm x 3/8” Figura 9-b: Conexão já montada. 
 
 
 
 
 
 
Fonte: https://www.festo.com/cat/pt-br_br/products Fonte: Imagem própria. 
 
Foram utilizados distribuidores pneumáticos de três saídas, conforme ilustrado na figura 10. 
Assim o ar comprimido em todas as garrafas se distribuirá ao longo do sistema e terá apenas uma 
saída, aumentando a pressão de expulsão do ar. 
Figura 10 – Distribuidor de três saídas. 
 
Fonte: http://www.shoppingdaindustria.com.br/produto.php?id=26 
 
 Outro componente importante é o manômetro, um instrumento capaz de medir a pressão que 
está contida no sistema pneumático. Um dos tipos mais comuns é o de Bourdon. O seu 
funcionamento consiste em uma escala circular sobre a qual gira um ponteiro indicador ligado a um 
jogo de engrenagens e alavancas. A figura 11 mostra o manômetro utilizado no projeto. 
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Figura 11: Manômetro. 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Google 
Para a saída do ar podemos utilizar um conector para engate rápido, com uma leva inclinação para o 
chão, assim empurrando o carrinho para frente. O conector utilizado é mostrado na figura 12 
 
Figura 12: Conector de saída. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: imagem própria. 
 
 
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 4.6 Design 
 A ultima etapa de construção é a de design. Após os testes bem sucedidos restam os 
detalhes da aparência do carrinho. A estrutura feita em alumínio é similar a de um cavalo mecânico 
de caminhão, por isso foi utilizado papel EVA para revestir a estrutura, e adesivos para adornar o 
carrinho. As figuras 13 e 14 mostram o resultado final de toda a construção. 
Figura 13: Vista lateral. 
 
 
 
 
 
 
Fonte: imagem própria. 
 
Figura 14: Vista frontal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: imagem própria. 
 
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5. PLANILHA DE CUSTOS 
 
Tabela 1: Custos. 
MATERIAL QUANTIDADE UTILIZADA PREÇO TOTAL (R$) 
Mangueira 6 mm 2 metros 4,00 
Distribuidor de três saídas 4 32,40 
Válvula de esfera mini 3/8" 1 15,00 
Válvula de engate rápido 1 12,00 
Conexão reta fêmea M-6 X R-3/8 1 5,00 
Manômetro 1 17,00 
Cantoneiras de alumínio 6 metros 15,00 
Rodas de Technil (c/ usinagem) 4 25,00 
Rolamentos 4 60,00 
Eixos de madeira (c/ Usinagem) 2 10,00 
Garrafas PET 12 0,00 
 
195,40 
 
 
6. CONCLUSÕES 
 As atividades práticas supervisionadas são de suma importância para o desenvolvimento dos 
alunos, desde como aplicar teorias aprendidas em sala, como o processo de pesquisa e estimulação 
da criatividade. Outro fato é o aprendizado do trabalho em grupo com objetivo de criar soluções para 
determinados propósitos, uma característica fundamental a um engenheiro. 
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 Nos primeiros testes foi possível verificar as falhas e erros cometidos, assim podendo eliminá-
los e chegar ao objetivo. Problemas como rodas travadas, vazamentos e pressão insuficiente são 
exemplos de imprevistos que foram superados até a etapa de conclusão. 
 O teste final foi satisfatório, todo o cuidado na utilização de materiais leves e resistentes, no 
alinhamento, na vedação das conexões, na construção da estrutura, retornou o resultado esperado. 
O carrinho percorreu a distância máxima (quinze metros) transportando um peso de 2 kg, respeitando 
todas as normas de construção. 
 
 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
http://www.sitedecuriosidades.com/curiosidade/propulsao-a-jato.html 
http://www.abipet.org.br/index.html?method=mostrarInstitucional&id=81 
https://paginamundodaciencia.wordpress.com/2013/08/10/motor-a-jato-turbina-2/ 
http://www.lcp.inpe.br/Plone/LCP/linhas-de-pesquisa/propulsao-1 
http://chemtrailbrasil.blogspot.com.br/2015/01/conheca-historia-e-engenharia-por-
tras.html 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Turbojato 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Turbofan 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Pneum%C3%A1tica 
http://chp.com.br/site/index.php/valvulas-pneumaticas-conheca-suas-funcoes/#.VkT-
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