APS_Carro com propulsao a jato de ar

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Sumário 
 
1.Objetivo........................................................................................................................2 
2. Introdução Teórica......................................................................................................2
2.1.1 Estágios iniciais de desenvolvimento....................................................................3 
2.1.2 O primeiro motor viável.........................................................................................5
2.1.3 Considerações Iniciais da propulsão....................................................................6
2.2.1 Funcionamento dos Motores de reação...............................................................7
2.2.2. Tipos de motores..................................................................................................8
3. Materiais utilizado.....................................................................................................11
3.1.1 Fotos da Montagem.............................................................................................12
4. Planilha de Custo......................................................................................................13
5. Conclusões...............................................................................................................13
6. Referências bibliográficas.........................................................................................14
 
 
Objetivo
Projetar e construir um carro com propulsão a jato de ar, que permita o transporte de massa padrão de 2,0 kg, afim de percorrer uma pista em linha reta de no máximo 15 metros de comprimento no menor tempo possível.
 Com o intuito do presente no projeto em estudar o comportamento da mecânica dos fluidos com relação ao desenvolvimento de um carro movido a ar comprimido. Assim, utilizando os conceitos fundamentais de estática dos fluidos e dinâmica dos fluidos.
2. Introdução Teórica
Um motor a reação, também conhecido como motor a jato  ou ainda apenas como reator, é um motor que expele um jato rápido de algum fluido para gerar uma força de impulso, de acordo com Terceira Lei de Newton (“Para toda força que atue sobre um corpo, haverá sempre uma força de reação igual e de sentido oposta a essa”). Esta ampla definição de motor a jato inclui turbojatos, turbofans, foguetes e estatorreatores. Os fluidos usados para esse fim são os mais variados, entre eles: água, vapor, gás, ar e até mesmo fogo.
Os motores a reação surgiram, como conceito, no primeiro século depois de Cristo, quando Heron de Alexandria inventou o eolípila. Este usava vapor direcionado através de dois tubos de modo a conseguir movimentar uma esfera em seu próprio eixo. Simplesmente foi considerado uma curiosidade, pois os potenciais usos práticos da invenção de Heron não foram reconhecidos.
Figura 1: Eolípila
A propulsão a jato, literalmente e figurativamente, pode ser levada a sério com a invenção do foguete pelos chineses no século XI. Foguetes inicialmente foram destinados a simples fins, como no uso de fogos de artifício, mas gradualmente passaram a ser usados para propelir armamentos de grande efeito moral; neste ponto a tecnologia estagnou-se por séculos.
2.1.1 Estágios iniciais de desenvolvimento
Já no século XX, persistia o problema de que os motores a foguete eram ineficientes para serem usados na aviação. Em seu lugar, por volta dos anos da década de 1930, o motor a combustão interna em suas diversas formas (rotativos, radiais, ar-refrigerados e refrigerados a água em linha) eram os únicos tipos de motores viáveis para o desenvolvimento de aviões. Esses motores eram aceitáveis em vista das baixas necessidades de performance então exigidas, dado o menor desenvolvimento dos meios técnicos.
Entretanto, os engenheiros estavam já a prever, conceitualmente, que o motor a pistão era autolimitado em termos de performance; o limite era e é dado essencialmente pela eficiência da hélice. Isto se dá quando as lâminas da hélice aproximam-se da velocidade do som. Se a performance do motor, assim como a do avião, aumentasse sempre, mesmo com essa barreira, ainda assim haveria a necessidade de se melhorar radicalmente o desenho do motor a pistão ou um tipo completamente novo de motor teria que ser desenvolvido.
Esta é a motivação que está por trás do desenvolvimento da turbina a gás, comumente chamada apenas por "motor a jato", a qual poderia ser quase tão revolucionária para a aviação quanto o primeiro voo de Santos Dumont.
Os desenvolvimentos mais adiantados então, eram motores híbridos em que uma força suplementar, externa, auxiliava na compressão. Neste sistema, (chamado termojato, desenvolvido por Secondo Campini) o ar era primeiramente comprimido por um ventilador movido por um motor a pistão convencional, e depois misturado com combustível e inflamado para obter o jato de empuxo.
Figura 2: Termojato
A chave para motor a reação viável foi a turbina a gás, utilizando energia oriunda de um compressor para se auto-propulsionar. A turbina a gás não foi uma idéia desenvolvida nos anos da década de 1930: a patente para uma turbina estacionária foi registrada por John Barber na Inglaterra em 1791. A primeira turbina a gás auto-propelida, entretanto, foi construída em 1903 pelo engenheiro norueguês Ægidius Elling. As primeiras patentes para a "propulsão" a jato foram encaminhadas em 1917. Limitações do desenho e dos meios técnicos de engenharia e metalurgia aplicados na produção inviabilizaram, num primeiro momento, tais motores. Os principais problemas eram a segurança, confiabilidade, peso e, especialmente, a operação dos motores.
Em 1929, um estudante de aeronáutica (Aircraft apprentice), Frank Whittle, encaminhou suas idéias sobre um motor turbo-jato para seus superiores. Em 16 de janeiro de 1930, Whittle pediu sua primeira patente (concedida em 1932). A patente exibia um compressor de dois estágios axial seguido por um compressor centrífugo simples (single-sided). Mais tarde, Whittle concentrou-se apenas em simplificar o compressor centrífugo, por conta de uma variedade razões práticas.
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. O motor de von Ohain, desenvolvido cinco meses depois de Whittle, era abastecido por gás, sem ter um dispositivo de abastecimento acoplado. A equipe de desenvolvimento de Whittle passou por apuros por não conseguir parar o motor no seu teste, mesmo depois que este teve o combustível cortado. Isto se deu porque vazou combustível para dentro do motor, fazendo-o funcionar até queimar completamente o combustível vazado. Whittle infelizmente não conseguiu desenvolver um revestimento selante apropriado para o projeto, e assim que ficou para trás de Von Ohain na corrida para colocar um motor a jato no ar.
Ohain aproximou-se de Ernst Heinkel, um dos grandes empresários da indústria aeronáutica alemã da época, que imediatamente percebeu o potencial do projeto. Heinkel tinha recentemente adquirido a companhia Hirth de fabricação de motores e Ohain e seu mecânico chefe, Max Hahn, foram alocados em uma nova divisão da empresa Hirth.
 Figura 3: Heinkel He 178
Eles produziram seu primeiro motor, o HeS 1 em setembro de 1937. A contrário do projeto de Whittle, Ohain utilizou hidrogêniocomo combustível, abastecido por pressão. Seus desenvolvimentos posteriores culminaram na motor HeS 3, movido a gasolina e gerando 499 Kgf de empuxo (4,89 kN).
Este motor foi montado na compacta e simples fuselagem do He 178, pilotado por Erich Warsitz no início da manhã de 27 de agosto de 1939, no aeródromo de Marienehe, em um curtíssimo período de desenvolvimento. O He 178 foi o primeiro avião a jatodo mundo.
O primeiro motor de Whittle estava tornando-se viável, e a companhia de Whittle, a Power Jets Ltd., começou a receber financiamento do Ministério do Ar. Em 1941, uma versão operacional do motor, chamada de W.1, gerando 454 Kgf de empuxo (4,45 kN) foi montada em um Gloster E28/39, voando pela primeira vez em 15 de maio de 1941 na base aérea da RAF de Cranwell.
Um problema encontrado em ambos motores, chamados de motores de fluxo-centrífugo, no qual o compressor trabalhava empurrando o fluxo de ar para fora eixo central do motor, onde o ar era comprimido pela instalação de dutos divergentes, convertendo sua velocidade em pressão. Uma vantagem desse tipo de arranjo técnico era que ele já era bem conhecido, tendo sido implementado em compressores de alta-potência. Entretanto, dadas a limitações técnicas iniciais sobre o controle da velocidade do eixo do motor, o compressor necessitava ser muito grande para produzir o nível de potência necessário. Uma desvantagem a mais foi o fato do fluxo de ar ter que ser recurvado em direção à traseira do motor para a câmara de combustão e bocal do motor.
2.1.2 O primeiro motor viável
 O austríaco Anselm Franz da divisão de motores da Junkers (Junkers Motoren ou Jumo) resolveu estes problemas com a introdução do compressor axial, essencialmente uma turbina invertida. O ar que entra na parte dianteira do motor é levado para a seção traseira por uma ventoinha (dutos convergentes) na qual é comprimido contra uma seção de lâminas não rotativas chamadas estatores (dutos divergentes). Tal processo não é de modo algum tão potente quanto o compressor centrífugo, de forma que um número de pares de estatores e ventoinhas são colocados em série de modo a gerar compressão suficiente. Ainda que seja muito mais complexo, o motor resultante tem um diâmetro significativamente menor.
 Figura 4: Messerschmitt Me 262
A Jumo atribuiu o número de motor 4, o Jumo 004. Depois de se resolverem muitas dificuldades técnicas, a produção em massa do Jumo 004 iniciou-se em 1944, com vistas a equipar o primeiro avião de combate à reação, o caça Messerschmitt Me 262. Por conta de Hitler desejar um novo bombardeiro baseado no Me 262, o avião chegou muito tarde para trazer qualquer alteração na posição alemã na Segunda Guerra Mundial. Entretanto o Me 262 seria sempre lembrado como primeiro avião a jato operacional. Após a Guerra, os aviões Me 262 foram extensivamente estudados pelos aliados, contribuindo no desenvolvimento dos primeiros caças a reação soviéticos e norte-americanos.
Os motores axiais foram melhorados desde a sua introdução. Com as melhorias na tecnologia de rolamentos, a velocidade do eixo do motor pode ser significativamente aumentada, reduzindo drasticamente o diâmetro das ventoinhas. Seu menor comprimento é uma característica vantajosa desse tipo de desenho. Seus componentes são, também, atualmente mais robustos dado que esses motores são mais suscetíveis a danos oriundos da penetração de objetos estranhos.
Os motores britânicos foram extensivamente licenciados pelos Estados Unidos (ver Missão de Tizard). Seu projeto mais famoso, o Nene também equipou aviões soviéticos após um acordo de troca de tecnologia. Projetos inteiramente norte-americanos não viriam até a década de 1960.
 
2.1.3 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.
 Figura 5: Detalhe da entrada de NACA com defletores
 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. 
 Osparâmetros 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, a penas 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:
Gerado res de vórtices; 
Defletores de escoamento; 
Otimização de parâmetros geométricos, e 
Jatos pulsantes
 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.
2.2.1 Funcionamento dos Motores de reação
Quando um determinado combustível entra em combustão, dentro de uma câmara de combustão, gera gases que rapidamente se expandem dentro dela. Esses gases são expulsos do motor em forma de jato contínuo. Como existe um orifício na parte inferior do motor os gases saem comprimidos nessa direção. No sentido oposto os gases também “empurram” a parte superior do motor, formando um par de ação e reação descrito por Newton na sua lei de número três. 
Do somatório das forças decorrentes da expansão tem-se uma resultante no sentido oposto ao da ejeção dos gases que movimenta o conjunto motor e foguete. 
Quando observamos um foguete funcionando em pleno voo, imaginamos que ele sobe porque os gases da combustão se apoiam no ar atmosférico. Como vimos na terceira lei de Newton, este conceito é errado. Podemos observar experimentalmente que um foguete pode se movimentar, mesmo quando estiver fora da atmosfera. 
Princípio da ação e reação
A força propulsora do foguete parte exclusivamente de dentro da câmara de combustão com a queima do combustível. 
O combustível em chama, passando do estado sólido para gasoso aumenta várias vezes o seu volume, por esta razão se observa uma pressão muito elevada no interior do motor-foguete, resultando na ejeção dos gases. 
Quanto maior for a velocidade com que os gases são expulsos do motor, maior será a velocidade do foguete. A velocidade limite é estipulada pela configuração do combustível
2.2.2 Tipos de motores
	Tipo
	Descrição
	Vantagens
	Desvantagens
	Jato de Água
	Expeleágua para trás de uma embarcação
	Pode funcionar em águas rasas, potente, menos prejudicial à vida marinha
	Pode ser menos potente que uma hélice, mais vulnerável a danos
	Termojato
	Mais primitivo tipo de motor a jato. Essencialmente é um motor a pistão turbocomprimidocom tubo de exaustão típico de um jato
	Maior velocidade de empuxo do que um motor a hélice, melhor empuxo em alta velocidade
	Pesado, ineficiente e pouco potente
	Turbojato
	Termo genérico para uma simples turbina
	Simplicidade do desenho
	Desenho básico, perde muitas das melhorias em eficiência e potência [2]
	Turbofan
	Compressor de primeiro estágio ampliado para fornecer o fluxo de ar adicional em torno do motor
	Uns mais silenciosos devido a um fluxo de ar maior. Velocidade total da exaustão mais baixa, ainda que eficiente em numa escala de velocidades subsônicas, temperatura de exaustão mais baixa
	Maior complexidade (dutos de ar adicionais, necessidade de eixos duplos), motor do diâmetro maior, pás da ventoinha mais pesadas. Mais suscetível a danos. Uso em velocidades supersônicas limitado devido a probabilidade de sofrer danos. Mais adequado às velocidades subsônicas.
	Foguete
	Transporta o material propelente internamente, lançando um jato para propulsão
	Poucas partes móveis, escalas de velocidade: Mach 0 a Mach 25 ou mais, eficiente em velocidades muito altas (maiores que Mach 10,0 ou mais). Relação empuxo/peso acima de 100, não possui complexas entradas de ar, alto índice de compressão, altíssima velocidade de exaustão (hipersônica), boa relação custo/empuxo, mais fácil de testar, trabalha bem na estratosfera e mais adequado à estruturas de alta velocidade
	Necessita de grandes quantidades de propelente, impulso específico muito pequeno, entre 100-450 segundos. Reutilização da câmara de combustão dificultada dado o extremo estresse térmico sofrido na operação. As necessidades de transportar combustíveis altamente voláteis aumentam os riscos de aplicação. Muito barulhento.
	Estatoreator
	O ar é inteiramente comprimido por sua velocidade na entrada e dutos de ar
	Poucas partes móveis, aplicação entre Mach 0,8 a Mach 5+, eficiente em altas velocidades (maiores que Mach 2,0), o mais leve de todos os motores a jato com entradas de ar (relação empuxo peso acima de 30 em velocidades ótimas de operação)
	Requer grande velocidades para funcionar, baixa eficiência em velocidades menores devido sua pequena capacidade compressão, construção de peças resistentes complexa, limitado a um pequeno leque de velocidades, entradas de ar devem ser diminuídas em velocidades subsônicas, barulhento, difícil de testar, difícil de construir sem que seja demasiado pesado
	Turbo-héliceou turbopropulsor
	Não é estritamente um jato - é uma turbina a gás utilizada para mover uma hélice
	Eficiente sob baixas velocidades subsônicas (ao redor de 500 km/h), grande capacidade de carga
	Velocidades limitadas em aviões, razoavelmente barulhento, transmissão complexa
	Propfan/UDF (da sigla inglês Unducted Fan)
	É uma turbina que move duas ou mais hélices, similar a um turbofan só que sem o duto de ar.
	Baixo consumo de combustível, potencialmente menos barulhento que o turbofan, poderia ter levado aos aviões comerciais de grande velocidade, populares na década de 1980 durante a segunda crise do petróleo
	Seu desenvolvimento tem sido bem limitado, acabam por ser mais barulhentos que os turbofans e são complexos
	Pulso jato
	O ar queimado intermitentemente ao invés de continuamente, pode ser equipado com válvulas.
	Grande simplicidade, usado comumente em aeromodelismo
	Barulhento, ineficiente (baixa taxa de compressão), desempenho ruim em larga escala, desgaste acentuado de válvulas em modelos que as utilizem
	Motores de pulso detonação
	Semelhante ao pulso jato, mas na combustão ocorre uma detonação no lugar de uma deflagração, pode ser ou não equipado com válvulas
	Teoricamente de extrema eficiência
	Extremamente barulhento, componentes do motor suscetíveis a extremo desgaste, dificuldade em iniciar a detonação, uso atual não viável
	Foguete ar-aumentado
	É essencialmente um estatorreator no qual o ar de entrada é comprimido e queimado por um foguete
	Mach 0 até Mach 4,5 ou mais, eficiente entre Mach 2 e 4
	Eficiência similar aos foguetes de vôos de baixa velocidade ou espaciais, entrada de ar complexa, relativamente pouco desenvolvido e inexplorado, dificuldades na refrigeração, altamente barulhento
	Scramjet
	Similar ao estatorreator, sem possuir um difusor; o fluxo de ar atravessa todo o motor em velocidade supersônica
	Poucas partes mecânicas, pode operarem altos números de Mach (Mach 8 até 15) com grande eficiência[3]
	Ainda em estado de desenvolvimento, deve estar em alta velocidade para funcionar (Mach 6 ou mais), resfriamento insuficiente, relação empuxo/peso pobre (~2), aerodinâmica extremamente complexa, difícil de ser implementado, testes difíceis e caros
	Turbofoguete
	É um turbojato onde um tanque de oxidante adicional é colocado para aumentar o teto de serviço
	Similar aos projetos existentes, opera em altitudes muito altas, grandes velocidades e teto operacionais
	A velocidade do ar é limitada aos padrões de um motor a jato, o transporte de tanques de material volátil, oxidante, é potencialmente perigoso
	Jatos pré-resfriados / LACE
	O ar de entrada é resfriado a temperaturas muito baixas antes de entrar num estatorreator ou num turbojato
	Facilmente testável em solo. Altas relações de empuxo/peso são possíveis (~14) juntamente com bom aproveitamento de combustível em um grande leque de velocidades, Mach 0-5,5 ou mais; Esta combinação de eficiências talvez venham a permitir um lançador orbital de um único estágio
	Existe apenas um protótipo. Exemplos RB545, SABRE, ATREX
3. Materiais utilizados 
 O protótipo do carro com propulsão a jato de ar foi construído, com os devidos complementos descritos a seguir:
- Chassi de alumínio com as dimensões 55cm x 42cm;
- Quatro rodas sendo as Dianteira de 45mm e Traseira de 50mm; 
- 1 Válvula de controle do fluxo de saída de ar;
- 8 Reservatórios de ar comprimido, sendo garrafas de Coca-Cola de 2 litros 
- 1 Coletor de ar comprimido, que recebeu o fluxo de ar de todos os reservatórios e centralizou em um único jato propulsor;
- Para alimentação dos reservatórios de ar, utilizamos uma válvula de bloqueio com engate rápido (pneumático);
- Conexões pneumáticas industriais para realizar a distribuição do ar comprimido;
- Para comunicação entre os vasos de pressão (reservatórios) utilizamos mangueiras apropriadas para ar comprimido;
Observação: Todos reservatórios foram completados com ar, tendo a pressão máxima de 4 bar
3.1.1 Fotos da Montagem
4. Planilha de Custos
 5. Conclusões 
 O projeto de APS tem uma função primordial de fornecer ao aluno de engenharia os conhecimentos recém-adquiridos das disciplinas de fluidos de modo a visualizar de forma prática a contribuição real para a carreira de engenheiro. 
 O fato de trabalhar em parceria faz com que o aluno acabe aprendendo a lidar em grupo e definir tarefas para cada participante, bem como estudar formas de melhoria do protótipo construído. 
 O projeto traz uma importante informação quanto ao uso de materiais e possíveis junções das peças de modo a criar outros modelos viáveis de protótipos movidos a ar comprimido. 
 Sem dúvida, é através de trabalhos acadêmicas como o da APS que o aluno cria gosto pelo estudo, uma vez que acaba usando os conhecimentos teóricos em um material final prático – protótipo. 
6. Referências bibliográficas 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_rea%C3%A7%C3%A3o
https://www.sitedecuriosidades.com/curiosidade/propulsao-a-jato.html
https://www.researchgate.net/publication/299485072_Motores_a_Jato_-_Historia_projeto_e_construcao
ACEVEDO DIAZ, J. A. Análises de algunos critérios para diferenciar entre 
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BAIRRAL, M. A. Natureza do conhecimento profissional do professor : Contribuições teóricas para a pesquisa em educação matemática. Boletim GEPEN, Rio de Janeiro. N. 41, p. 11-33. 2003.
BARBETTA, P. A . Estatística aplicada às ciências sociais . 5. Ed. Floriánopolis, UFSC. 2003.
BARBIERE, M. R. A construção do conhecimento do professor. Uma experiência de parceria entre professores do ensino fundamental e médio da rede pública e a universidade. Ribeirão Preto. 2001.
CARLEIAL, A. B. Uma breve história da conquista espacial. Revista 
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