APS - 2014 2ª SEMESTRE (CARINHO DE PROPULSÃO)

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UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA
ICET - Instituto de Ciências Exatas e TecnologiaSÃO JOSÉ DO rIO PRETO
APS – atividades práticas SUPERVISIONADA
2º SEMESTRE 2014
SÃO JOSÉ DO RIO PRETO
2014
JULIO CESAR GOMES DA SILVA - RA: B650DI-0
LEANDRO EUGENIO SEGATO - RA: B4964D-3
LEONARDO XAVIER LUIS - RA: B61615-6
JOÃO KAIQUE TOMAZ DOS SANTOS - RA: B44GAF-4
MARCELO VISCOVINI NETO – B8126F7
DANIEL GONÇALVES DOS SANTOS – T343194
					
ELABORAÇÃO E CONSTRUÇÃO DE UM CARRO COM PROPULSAO A JATO DE AR
Apresentado como exigência para a avaliação do segundo bimestre, do segundo semestre, do curso de Engenharia da Universidade Paulista, sob orientação dos professores do semestre. Atividades Práticas Supervisionadas – trabalho 
SÃO JOSÉ DO RIO PRETO
2014
Introdução
	Propulsão a jato é o nome dado à força expelida por um motor através de um jato intenso de algum fluído, gerando impulso. Essa reação foi um dos avanços possibilitados pela aplicação da Terceira Lei de Newton. A Terceira Lei de Newton ou Princípio de Ação e Reação diz que toda força é resultado da interação física de dois corpos distintos, ou mesmo partes distintas de um mesmo corpo. Ou seja, quando um corpo A aplica uma força sobre um corpo B, recebe deste uma força de mesma intensidade e mesma direção, porém de sentido contrário.
	Este trabalho possibilita aplicar os conhecimentos adquiridos em sala de aula, contribuir para o crescimento acadêmico e profissional, uma vez que o trabalho em equipe, a troca de ideias, o comprometimento e a sinergia do grupo, são pontos que certamente contribuem para o aumento do potencial de cada um dos alunos integrantes deste projeto.
Objetivo
	O Programa de APS (Atividades Práticas Supervisionadas) é realizado pelos alunos do curso de graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Paulista (UNIP) de São José do Rio Preto.
	Projetar e construir um carro com propulsão a jato de ar, que permita o transporte de massa padrão de 2,0 kg, por uma pista de dimensões pré-estabelecidas e em linha reta. Que consiste em uma disputa entre os carros, com a finalidade de atingir a maior distância.
Desenvolvimento teórico
	Isaac Newton publicou estas leis em 1687, no seu trabalho de três volumes intitulado Philosophia Naturalis Principia Mathematica. As leis expressam os princípios relacionados à dinâmica da matéria, ou seja, à estática ou movimento de objetos físicos.Newton, usando as três leis da mecânica juntamente com a lei da gravitação universal, deduziu matematicamente as leis de Kepler, que à época, há pouco empiricamente estabelecidas, já descreviam, com precisão até hoje válida, o movimento dos orbes celestes (planetas); e por extensão de quaisquer corpos em órbita ao redor de um corpo central. Quanto à dedução, a história relata uma aposta entre Edmund Halley e alguns de seus contemporâneos. Edmund, ao procurar a ajuda de Newton para resolver o problema, surpreendeu-se quando ele afirmou que já o havia resolvido outrora, só não lembrava onde enfiara os papeis 1 .A concordância entre as leis descobertas por Kepler e as por Newton propostas representou uma significativa corroboração tanto à teoria heliocêntrica como à gravitação universal. A teoria mecânica que assim se consolidou - a primeira nos moldes científicos modernos - era agora capaz não apenas de descrever com precisão o movimento dos corpos tanto planetários como celestes - em pé de igualdade - como também provia uma explicação causal para tais movimentos; no caso dos corpos celestes ou mesmo da queda livre, a gravidade.
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: se a força resultante (o vetor soma de todas as forças que agem em um objeto) é nula, 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. As leis de Newton são válidas somente em um referencial inercial. Qualquer sistema de referência que está em movimento uniforme respeitando um sistema inercial também é um sistema referencial; o que se expressa via Invariância de Galileu ou Newtoniana. A lei da inércia aparentemente foi percebida por diferentes cientistas e filósofos naturais de forma independente.
Segunda lei de Newton
	Lei II: “A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção de linha reta na qual aquela força é imprimida. “A segunda lei de Newton, também chamada de princípio fundamental da dinâmica, afirma que a força resultante em uma partícula é igual à taxa temporal de variação do seu momento linear  em um sistema de referência inercial:
.
	Esta lei, conforme acima apresentada, tem validade geral, contudo para sistemas onde a massa é uma constante, a massa pode ser retirada da razão (derivada), o que resulta na;
Conhecida expressão muito difundida no ensino médio. 
.
	Nesta expressão,  é a força resultante aplicada, m é a massa (constante) do corpo e  é a aceleração do corpo. A força resultante aplicada a um corpo produz uma aceleração a ela proporcional. Embora em extensão igualmente válido, neste contexto faz-se fácil perceber que, sendo a massa, o comprimento e o tempo definido como grandezas fundamentais, a força é uma grandeza derivada. Em termos de unidades padrões, Newton (N), quilograma (kg) metro (m) e segundo (s), tem-se;
	Em casos de sistemas à velocidades constantes e massa variável, a exemplo um fluxo constante de calcário caindo sobre uma esteira transportadora em umas indústrias descimento, a velocidade pode ser retirada da derivada e a força horizontal sobre a esteira pode ser determinada como:
.
onde  é a velocidade constante da esteira e  é a taxa temporal de depósito de massa sobre esta (em Física usualmente se usa o ponto como abreviação de taxa (derivada) temporal: 
)
	Em casos mistos onde há variação tanto da massa como da velocidade - a exemplo do lançamento do ônibus espacial - ambos os termos fazem-se necessários, e esses são separáveis apenas mediante mecanismos matemáticos adequados (regra do produto).A segunda lei de Newton em sua forma primeira, , ainda é válida mesmo se os efeitos da relatividade especial forem considerados, contudo no âmbito da relatividade a definição de momento de uma partícula sofre modificação, sendo a definição de momento como o produto da massa de repouso pela velocidade válida apenas no âmbito da física clássica.
Impulso.
	Um impulso  ocorre quando uma força  age em um intervalo de tempo Δt, e é dado por:
	Se a força que atua é constante durante o tempo no qual atual, esta definição integral reduz-se à definição usualmente apresentada em nível de ensino médio:
.
	Já que força corresponde à derivada do momento no tempo, não é difícil mostrar que:
	Trata-se do teorema do impulso variação da quantidade de movimento, muito útil na análise de colisões e impactos.
Sistema de partículas e massa variável
	Sistemas de massa variável, como um foguete queimando combustível e ejetando partes, não é um sistema fechado; e com a massa não é constante, não se pode tratá-lo diretamente via segunda lei conforme geralmente apresentada nos cursos de ensino médio.
.
	O raciocínio, apresentado em An Introduction to Mechanics de Kleppner e Kolenkow bem como em outros textos atuais,diz que a segunda lei de Newton nesta forma se aplica fundamentalmente a partículas. Na mecânica clássica, partículas tem por definição massa constante. No caso de um sistema de partículas bem definido, contudo com a massa total constante (sistema fechado), mostra-se que esta forma da lei de Newton pode ser estendida ao sistema como um todo, tendo-se então que:
onde  refere-se à soma das forças externas sobre o sistema, M é a massa total do sistema, e  é a aceleração do centro de massa do sistema.
	Para um sistema com massa variável pontual ou tratado como tal em vista da definição de centro de massa, a equação geral do movimento é obtida mediante a derivada total encontrada na segunda lei em sua forma primeira (regra do produto):
onde  é a velocidade instantânea da massa sobre o qual se calcula a força e  corresponde à massa em questão, ambas no instante t em consideração. Em análise de lançamento de foguetes é comum expressar-se o termo associado à variação de massa  não em função da massa e da velocidade do objeto mas sim em função da massa ejetada e da velocidade  desta massa ejetada em relação ao centro de massa do objeto (em relação à nave) e não em relação ao referencial em uso. Nestes termos,  é pois a velocidade relativa da massa ejetada em relação ao veículo que a ejeta. Mediante tais considerações mostra-se que:
	O termo  no lado direito, conhecido geralmente como o empuxo , corresponde à força atuando no foguete em um dado instante devido à ejeção da massa  com velocidade  (em relação à nave) devido à ação de seus motores, e o temo à esquerda, , à força total sobre a nave, incluso qualquer força externa que por ventura esteja simultaneamente atuando sobre o projétil - a saber a força de atrito do ar, ou outra. Vê-se pois, em termos de diferenciais, que a força total F sobre a nave é:
Para um caso ideal sem atrito tem-se pois que:
Ou seja, a força a impelir a massa m para frente é devida apenas à ejeção de massa proporcionada pelos seus foguetes para trás (lembre-se que  e  têm sentidos opostos, contudo  é negativo, pois a massa diminui com o tempo).
Síntese das formulações
	Com uma escolha apropriada de unidades, a segunda lei pode ser escrita de forma simplificada como
Sendo:
: aceleração de um ponto material;
: resultante de todas as forças aplicadas ao ponto material;
: massa de um corpo.
	A segunda lei de Newton também pode ser formulada de forma mais abrangente, utilizando-se para tal o conceito de movimento. Em um referencial inercial a taxa de variação da quantidade de movimento de um corpo é igual à resultante de todas as forças externas a ele aplicadas:
Sendo:
: quantidade de movimento;
: velocidade;
: tempo.
Observações referentes à segunda lei de Newton
	Quando existem várias forças em um ponto material, tendo em conta que o princípio da superposição aplica-se à mecânica, a segunda lei se escreve como:
Ou
	A segunda lei de Newton é válida apenas para velocidades muito inferiores a velocidade da luz, e em sistemas de referência inerciais. Para velocidades próximas à velocidade da luz, as leis são usadas são da ​​ teoria da relatividade. 
Terceira lei de Newton.
	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 patinadores exercem um sobre o outro são iguais em magnitude, mas agem em sentidos opostos, cada qual sobre um patinador. Embora as forças sejam iguais, as acelerações de 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: as forças na natureza aparecem sempre aos pares, e cada par é conhecido como uma par ação-reação. O par de forças ação-reação é a expressão física de uma interação entre dois entes físicos; há sempre um par de forças a agir em um par de objetos, uma força em cada objeto do par; e não há na natureza força solitária, ou seja, não há força (real) sem a sua contraparte.
Exemplo da terceira lei de Newton
	Considere o exemplo proposto por Newton: um cavalo que arrasta um bloco pesado por meio de uma corda (figura abaixo). Em termos de módulo, a corda exerce sobre o bloco a mesma força que o bloco exerce sobre ela, tencionando-a. Igualmente, a força que a corda exerce sobre o cavalo tem módulo igual ao da força que o cavalo exerce sobre a corda, tencionando-a. Em cada caso, o sentido da força na corda é oposto ao da força no objeto com a qual interage. Em uma usual aproximação, despreza-se a massa da corda, e nestes termos as duas forças, cada qual aplicada em uma de suas extremidades, têm módulos sempre iguais. Tal aproximação equivale a pensar que o cavalo interage diretamente com o bloco. É conveniente analisar por separado as forças que atuam no bloco e no cavalo, como mostra a figura abaixo. Se a velocidade com que o cavalo arrasta o bloco for constante, a segunda lei de Newton implicará que a soma das forças que atuam sobre o bloco e sobre o cavalo será nula. O peso do bloco, , atua no centro de gravidade do bloco. A corda puxa o bloco na direção em que está esticada, com uma força , como se mostra no lado esquerdo da figura ao lado. A resultante do peso e da força da corda é um vetor que aponta para baixo e para a direita. Uma vez que a resultante das forças no bloco é nula (aceleração nula), o chão deverá exercer uma força para cima e para a esquerda, força essa devida ao contato entre as superfícies do bloco e do chão. A corda puxa o cavalo para trás, com a força  oposta à força que atua no bloco. Nas duas ferraduras do cavalo que estão em contato com o chão haverá duas forças de contato,  e , que apontam para cima e para a frente. A resultante dessas duas forças, mais o peso do cavalo e a tensão na corda, deverá ser nula.
	As forças exercidas pelo chão são as 3 forças  e .
	Essas três forças de contato com o chão contrariam a tendência do bloco e do cavalo caírem sobre a ação da gravidade, travam o movimento do bloco e a empurram o cavalo para a frente. A corda está a travar o movimento do cavalo e ao mesmo tempo está a puxar o bloco para a frente, com a mesma força com que está a travar o cavalo (corda sem massa).
Sobre a Terra atuam em total 5 forças de reação, representadas na figura abaixo. As reações aos pesos do bloco e do cavalo, e, são as forças de atração gravítica do bloco e do cavalo sobre a Terra. Essas forças atuam no centro de gravidade da Terra (centro da Terra), mas foram representadas perto do chão na figura. As outras três forças são as forças exercidas sobre o chão pelo bloco e pelo cavalo. Se a velocidade do cavalo for constante (MRU), a soma dessas 5 forças será nula. Se o cavalo estivesse a acelerar, a soma das forças sobre o cavalo e o bloco seria uma força que apontaria para a direita. A soma das 5 forças que atuam sobre a Terra seria a reação daquela somatória de força; nomeadamente, sobre a Terra atuaria uma força igual e oposta, para a esquerda, que faria com que todo o planeta acelerasse para a esquerda. No entanto, como a massa da Terra é muitas ordens de grandeza superior à massa do cavalo e do bloco, a aceleração da Terra para a esquerda seria imperceptível em comparação com a aceleração para a direita do cavalo e do bloco. Como salienta Newton, o resultado dessas forças sobre o cavalo mais o bloco e sobre a Terra não seria o de produzir velocidades iguais e de sentidos contrários, mas sim quantidades de movimento iguais e de sentidos contrários.
Motor a reação
	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. Esta ampla definição de motor a jato inclui turbo jatos, turbofans, foguetes e estatorreatores. Em geral, o termo refere-se a uma turbina a gás que expele um jato em alta velocidade, gerando empuxo e, com isto, gerando força propulsora para diversos usos. 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. O invento nunca foi utilizado como fonte de energia mecânica, e os potenciais usos práticos da invenção de Heron não foram reconhecidos. Simplesmente foi considerado como uma curiosidade. 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.
Motor Turbo jato
	Um motor turbo jato é um tipo de motor de combustão interna normalmente usados 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 voo 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. A comparação entre motores a jato e motores a hélice é instrutiva. Um turbo jato 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 voos 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 turbos hélice pequenos estão ainda menores com o surgimento de melhorias na engenharia. O turbo jato 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 externo liga-se ao eixo da turbina. Estes, 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.
Motor Turbofan
	Grande parte dos aviões comerciais atuais são equipados com motores turbofans, 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. Quarenta anos atrás havia pouca diferença entre motores a jato civis e militares, à parte 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 combustível. Consequentemente 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. Os turbofans atuais, no entanto, tem um empuxo específico relativamente alto, para maximizar o empuxo para uma dada área frontal, e o barulho sendo uma pequena consequência. Os fans multe 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 frequentemente empregadas, o índice de passagem de ar secundário (by-pass) tende a ser baixo (normalmente significativamente inferior a 2.0).
Procedimento	
 A fabricação do carro de propulsão a ar comprimido foi iniciada com a construção das bases (rodas, e fixador pneumático das garrafas pet). Na construção das rodas foram utilizadas barras maciças de tecnil, onde a mesma fora retificada em um formato circular fino e perfurado ao centro para o encaixe dos rolamentos. Estes foram retirados de quatro HDs de computadores após alguns testes com vários tipos de rolamentos estes foram os que apresentaram maior tempo de rolagem e também seu formato facilitou o processo de montagem nas barras transversais (eixos). As rodas foram feitas de dimensões diferentes, as traseiras foram feitas de um diâmetro de 100 mm e as dianteiras com 80 mm de diâmetro. A base de fixação das garrafas pet (reservatórios) foi feita através de uma barra maciça de alumínio de 800 mm de comprimento em um formato triangular no qual facilitou a colocação das garrafas baseadas em v como nos motores a combustão interna popularmente chamada de motores v6, v8..., desta forma ficou mais compacta a fabricação do carrinho. Foram feitos 14 furos, 7 de cada lado onde foram fixadas as válvulas pneumáticas de união entre a base e as garrafas, no centro tem um furo vazado onde na frente foi colocado um manômetro de pressão e a traz uma válvula de descarga do ar comprimido juntamente com um reservatório que auxiliará na manutenção da pressão do ar comprimido.
 Os eixos foram feitos com barras de alumínio e nas pontas utilizou-se nylon retificado para fixação das rodas. O eixo traseiro foi levemente encurtado em relação ao eixo dianteiro a fim de melhorar a estabilidade e manter uma trajetória retilínea. Para a fixação dos eixos a base das garrafas foi utilizada parafusos e porcas sextavadas. 
Após testes feitos o carrinho foi desmontado e será remontado apenas no dia da competição, a fim de evitar danos a estrutura no manuseio do mesmo.
Planilha de custos
	Materiais
	Quantidades
	Valor (R$)
	Barra de alumínio
	1
	80
	Metalão de alumínio
	1
	10
	Rolamentos
	4
	20
	Válvula Esfera
	1
	20
	Manômetro
	1
	30
	Rodas de nylon
	4
	30
	Porcas
	28
	5
	Conexão
	14
	10
	Total
	54
	205 R$
Conclusão
 A propulsão constitui elementos de modo que a energia faz com determinado corpo se movimente de um lugar para outro com apenas ar comprimido, a realização deste trabalho movimenta um corpo que ao deslocar ganha uma aceleração através da fonte de energia criada pela propulsão.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.
 Sendo assim pode se perceber que a energia gerada pela propulsão, ela realiza trabalhos de extrema importância como no motor a jato esta energia mecânica realiza trabalho de grande importância.
Referência bibliográfica
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_rea%C3%A7%C3%A3o