Máquina de Rube Goldeberg

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UNIVATES

Bruna Luana Eckhardt

28.09.2019

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Ciência dos Materiais

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UNIVERSIDADE DO VALE DO TAQUARI - UNIVATES
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - CETEC
Ciência e Tecnologia dos Materiais e Química Geral

DESAFIO QCTM

LA MÁQUINA DO TENDEL

Bruna Luana Eckhardt (627444)
Bruno Becchi Christ (622191)
Eduardo Henrique Eckhardt (651040)
Gabriel Carlos Orbach (626637)
João Augusto Nichele (573857)
Samuel Pulu dos Santos (637070)

LAJEADO, SETEMBRO DE 2019
LÍDERES DA EQUIPE
Ciência e Tecnologia dos Materiais: Bruna Luana Eckhardt.
Química Geral: Gabriel Orbach.

INTRODUÇÃO
O mercado atual exige cada vez mais engenheiros capacitados e qualificados a exercer
suas atividades, a melhorar e desenvolver processos e produtos a partir da seleção de
materiais adequados, de forma economicamente e ambientalmente correta. Para tal, é
necessário que no ensino nas áreas da engenharia ocorra uma integração entre teoria e prática,
visto que os engenheiros deverão atuar no planejamento e desenvolvimento de processos e
serão responsáveis pela resolução de problemas dos mais variados (BATISTA et. al, 2017).
Em conjunto, a busca constante das instituições de ensino superior em aprimorar suas
metodologias de ensino, e fazer os estudantes se depararem com situações que futuramente
possam vir a enfrentar em sua carreira profissional, motiva a realização de desafios como o
proposto neste trabalho. Conforme Cavalcante e Souza (2013) é de grande importância as
instituições de ensino desenvolverem metodologias que incentivem e promovam um
aprendizado mais participativo do estudante, ao decorrer da graduação.
Desta forma, se propõe através deste trabalho um desafio inspirado na máquina de
Rube Goldberg, um máquina projetada para realizar uma simples tarefa de forma complexa,
através de uma sequência de movimentos. Para o comprimento do desafio, estipulou-se como
questão problema: como acender uma caixa luminária utilizando materiais alternativos?
A máquina teve seu projeto executado na garagem de uma residência situada na
cidade de Lajeado e contou com a utilização dos mais diversos materiais, englobando
principalmente sucatas e materiais de uso cotidiano, disponibilizados pelos integrantes do
grupo.

OBJETIVO GERAL
O objetivo geral da construção da máquina Rube Goldberg é acionar um circuito
elétrico que acenda a luz presente no interior de uma caixa de MDF, que irá se iluminar com
a identificação do grupo, através de uma sequência de movimentos disparados por uma
reação química.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS
São designados como objetivos específicos:
- Acionar a luz interna da caixa através da utilização de mecanismos elétricos, reações
químicas e físicas, assim como materiais reutilizáveis, ao decorrer do percurso.
- Elencar as propriedades de alguns dos materiais abordados na disciplina de Ciência
e Tecnologia dos Materiais e utilizados ao longo do percurso.
- Aplicar conceitos químicos, voltados principalmente às reações químicas
envolvidas, relacionando-as à disciplina de Química Geral.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A máquina de Rube Goldberg segue na direção oposta aos conceitos de facilitar as
tarefas, enquanto grande parte das máquinas tem por seu objetivo facilitar tarefas complexas,
os projetos de máquina Rube Goldberg visam tornar tarefas simples em situações complexas.
O conceito desse projeto estimula buscar uma solução criativa para os problemas
inesperados, como a utilização de materiais de fácil acesso e reutilizáveis, mas que sejam
funcionais e que atinjam o objetivo final (OLIVEIRA et. al, 2017). Para execução de uma
máquina de Rube Goldberg, além de movimentos mecânicos, é possível incrementar
dispositivos elétricos e efeitos químicos, como por exemplo, reações químicas.
Uma reação química é o processo no qual uma substância se transforma em outra. As
moléculas presentes nessas substâncias sofrem alterações gerando novas moléculas. Toda
reação química é composta por reagentes, que são as substâncias que entram em contato e
reagem entre si, formando os produtos, as novas substâncias formadas a partir da reação.
Reações químicas ocorrem o tempo todo ao nosso redor. O preparo de alimentos e a própria
digestão dos alimentos pelo organismo. Ocorrem quando acendemos um fósforo, damos a
partida no carro, entre tantas demais situações. Assim como grande parte dos processos
industriais envolvem reações químicas, produção de plásticos, fibras sintéticas, fertilizantes e
muitos outros materiais (BETTELHEIM et. al, 2012).
Uma reação química bastante conhecida e na qual tem-se fácil acesso aos reagente
necessários, é a reação utilizando vinagre e bicarbonato de sódio. O vinagre é composto por 4
a 10% de ácido acético (CH₃COOH), que será o componente responsável por realizar a
reação com bicarbonato de sódio (NaHCO ₃). A reação tem como produtos o acetato de sódio,
água e o gás dióxido de carbono, podendo ser traduzida pela seguinte equação química:
NaHCO₃ (s) + CH₃COOH (aq) → NaCH ₃COO (aq) + H ₂O (l) + CO ₂ (g)
O ácido acético é um ácido orgânico, já o bicarbonato de sódio é um sal de caráter
básico, formado pela neutralização incompleta de hidróxido de sódio, que é uma base forte, e
pelo ácido carbônico, que é um sal fraco. Quando se dissocia, o bicarbonato de sódio forma
Na+ e HCO₃¯. O ânion reage com um cátion de hidrogênio e forma H₂CO₃, o qual se
dissocia em H₂O e CO₂. O cátion reage com o ácido acético formando acetato de sódio e
sendo assim neutralizado a reação. O gás carbônico liberado pela reação pode ser utilizado
para encher um balão, conforme será apresentado ao decorrer do projeto da máquina.
Além da reação química, a máquina conta com a utilização de metais, dentre os quais:
bolinha de metal, latas de alumínio, martelo e fios de cobre. Os metais geralmente são
materiais rígidos, resistentes, dúcteis por apresentarem uma estrutura atômica bem definida.
São bons condutores térmicos e elétricos, devido a sua nuvem de elétrons, os elétrons livres.
Nas latas de alumínio, os principais elementos de liga são o magnésio, que dá à liga de
alumínio um maior limite de resistência e aumenta sua dureza, devido a estas ligas se
caracterizam pela maior resistência a corrosão e pela excelente usinabilidade, boa resistência
a impactos. O alumínio comercial, utilizado para fabricação das latas de bebidas possui um
teor de 99,0% a 99,5% de alumínio. As latas são fabricadas a partir de três diferentes partes: o
corpo feito a partir da liga 3004, que apresenta boa resistência à corrosão, boa
conformabilidade e moderada resistência mecânica. A tampa feita de liga 5182, e anel feito
de liga 5082, que são dúcteis no estado recozido, mas endurecem rapidamente sob trabalho a
frio, possuem alta resistência à corrosão em ambientes marítimos e quanto maior os teores de
Magnésio, maior sua resistência mecânica (TIVELLI, 2012).
Os fios de cobresão amplamente utilizados, pois o elemento cobre é o metal que
possui a mais alta condutividade elétrica entre os demais metais na engenharia. Além de que
as ligas de cobre podem ser utilizadas para condução térmica, onde a boa resistência à
corrosão compensa a perda de condutividade com o aumento da liga. As ligas de cobre
também são muito resistentes a corrosão que é causada por água e vapor, além da corrosão
em ambientes rurais, marinhos e industriais (RODRIGUES et al., 2012).
Outro material utilizado é o atilho de borracha, que em nossa máquina tem a função
de disparar uma catapulta. Por ser elástico, ele se enquadra na categoria de elastômeros, que
são materiais flexíveis e bastante elásticos. Os elastômeros, também conhecidos com
borrachas, são composto por longas cadeias de moléculas, que são altamente flexíveis.
Devido a escassez de borracha natural durante as guerras (Primeira e Segunda Guerra
Mundial), ocorreu um grande avanço para a produção de borrachas sintéticas, poli(isopreno),
poli(butadieno), copolímeros de estireno-butadieno (SBR) e etileno-propileno (EPM), entre
outros (BONDAN, 2014). Quando submetido à tensão, os elastômeros deformam-se
elasticamente, podendo chegar a mais de 1000% do comprimento útil original, mesmo
quando submetidos a valores relativamente altos de tensão. A deformação elástica, é um
processo reversível devido o deslocamento de átomos de níveis de energia mais baixos para
os níveis mais altos, dessa forma, ao cessar a tensão, o elastômero volta a sua forma inicial.
Os materiais cerâmicos apresentam propriedades mecânicas superiores a outros
materiais, no entanto, algumas de suas características são ruins. Mesmo tratando-se de
materiais com alta dureza, o fato de serem materiais frágeis, impede a sua utilização em
aplicações estruturais da engenharia. Normalmente os cerâmicos apresentam pequena
resistência a impactos e assim, uma baixa tenacidade. Grande parte dos materiais cerâmicos
sofre ruptura de maneira frágil, com pouco ou sem deformação plástica (ZANOTTO, 1991).
Com base em tais dados, este trabalho visa aplicar as propriedades dos materiais
citados, através da construção de uma máquina de Rube Goldberg, de forma a observar o
comportamento dos materiais estudados na prática.

METODOLOGIA
Para realização do desafio, o grupo de reuniu em aula para discutir as ideias iniciais e
realizar um esboço da série de movimentos a serem realizados pela máquina. Selecionou-se
os principais materiais a serem utilizados e estipulou-se o local para construção da máquina.
A máquina teve seu projeto executado na garagem de uma residência situada no bairro
Conventos, em Lajeado.
Primeiramente analisou-se o local da construção para estipular a melhor ordem com a
qual os movimentos da máquina iriam ocorrer. Observou-se a presença de uma máquina de
lavar roupas em uma extremidade da garagem, a qual utilizamos para que o início do trajeto
ocorresse na altura necessária para desencadear os demais movimentos. Dois baldes e um
caixote, também presentes no local, auxiliaram atingir a altura. Devido a intervenção humana
ser permitida ocorrer somente ao início dos movimentos, o grupo estipulou que a máquina
iria ser iniciada com a reação química. Ao encher o balão com o gás liberado pela reação, são
liberadas duas bolinhas de gude, que correm por um tubo de metal e após por entre os
puxadores de um aéreo. As bolinhas se chocam com outra bolinha de aço, que cai em um
recipiente plástico fixado em uma alavanca de madeira. A alavanca é responsável por liberar
um atilho que está tensionando uma catapulta, arremessando uma bolinha de borracha contra
uma torre de latinhas de alumínio. Ao derrubar as latas, liberam-se duas bolinhas presentes
em canaletas de caixas de leite, as bolinhas realizam o percurso, caindo em um paredão
confeccionado com palitos de picolé. Uma tubulação é feita com garrafas PET e fixado na
parte interna de uma carreta de carga, as bolinhas correm por esta tubulação e ao final derruba
uma sequência de dominó, que será responsável por liberar um martelo, quebrando uma
lâmpada incandescente com água em seu interior. A água liberada é responsável por conduzir
um barquinho por um tubo de PVC, estourando ao final um balão. Ao estourar, o balão libera
uma bolinha de aço que aciona o interruptor da caixa luminária.

MATERIAIS
Para elaboração do desafio, foram estipulados alguns materiais que deveriam ser
utilizados ao decorrer do projeto, e eles são: um elastômero, um metal e um cerâmico. Além
destes materiais, ficou livre a escolha dos demais componentes da máquina, no entanto,
dando-se preferência para utilização de materiais recicláveis e de baixo custo. Diversos
materiais, das mais variadas categorias, foram utilizados para o desenvolvimento do desafio
além da construção de peças e “engenhocas” por parte do grupo.
Dentre as peças construídas pelo grupo, foi desenvolvida uma espécie de catapulta,
utilizando materiais recicláveis, madeira, pregos, e um atilho de borracha. O atilho fica
tensionado mantendo a catapulta acionada, e no momento em que uma bola de metal cai
dentro do recipiente plástico, preso em uma alavanca de madeira (também construída pelo
grupo), ela sai do equilíbrio, liberando o elastômero tensionado, e assim a catapulta dispara a
bolinha contra a torre de latas de alumínio. Estas latas, que se enquadram em outra categoria
de material solicitado, pois são feitas a partir do alumínio, um metal com a característica de
ser dúctil. Vê-se a presença de metais novamente mais a frente do percurso, com a presença
de um martelo e a fiação elétrica que liga a caixa de MDF. Os fios elétricos são feitos com
cobre, que é um metal que tem por característica ser um bom condutor de eletricidade.
O martelo citado anteriormente, foi responsável por se chocar contra o recipiente de
vidro, quebrando-o. Utilizamos o vidro para representar uma propriedade de um material
cerâmico: a fragilidade. Também utilizou-se uma lajota de cerâmico para impulsionar a queda
da marreta, que liberou o martelo.
Grande parte dos materiais utilizados para construção são oriundos de sucatas ou
materiais que cada integrante possuía em casa. Foi utilizado uma vasta gama de materiais:
vidros, metais, madeira, papéis, papelão, polímeros, borrachas, cerâmicos, entre outros. A
lista de todos materiais utilizados para elaboração da máquina segue no quadro 1, logo
abaixo:
Quadro 1 - Lista de materiais utilizados
Material Quantidade Origem
Máquina de lavar roupas 1 unidade Casa
Baldes 2 unidades Casa
Caixote de madeira 1 unidade Casa
Garrafa de vidro 1 unidade Fornecido por integrante
Balões 2 unidades Compra
Vinagre 100 mL Compra
Funil de plástico 1 unidade Confeccionado com PET
Corante 0,01 g Fornecido por integrante
Bicarbonato de sódio 15 g Fornecido por integrante
Bolinha de gude 4 unidades Fornecidopor integrante
Bolinha de aço 2 unidades Fornecido por integrante
Canhoto de rolos de papel toalha 4 unidades Reciclagem
Papelões diversos - Reciclagem
Pote plástico 1 unidade Reciclagem
Madeiras diversas - Fornecido por integrante
Bolinha de borracha 1 unidade Fornecido por integrante
Latinhas de alumínio 10 unidades Fornecido por integrante
Caixas de leite 13 unidades Fornecido por integrante
Palitos de picolé 15 unidades Compra
Garrafas PET 8 unidades Fornecido por integrante
Caixinhas de papelão diversas 7 unidades Reciclagem
Carreta de carga 1 unidade Fornecida por integrante
Marreta 1 unidade Fornecida por integrante
Martelo 1 unidade Fornecida por integrante
Lâmpada incandescente 1 unidade Fornecida por integrante
Isopor 1 unidade Fornecida por integrante
Alfinetes 6 unidades Fornecida por integrante
Tijolos 38 unidades Fornecida por integrante
Caixa luminária 1 unidade Fornecida por integrante
Fonte: Dos Autores.
Além dos materiais citados acima, foram utilizadas tesouras, fitas, cola quente,
barbantes, pregos e outros materiais necessários para construir as peças e fixar as estruturas
na parede e chão.

RESULTADOS
Para que o início do percurso ocorra na altura desejada, fez-se o uso de uma máquina
de lavar roupas, disponível no local, dois baldes e um caixote de madeira, sob estes, foi o
ponto de partida da máquina: a reação química que ocorreu entre o ácido acético, presente no
vinagre, e o bicarbonato de sódio (imagem 1). O vinagre é adicionado a um frasco de vidro e
acrescentado a ele uma pequena porção de corante, para dar cor ao líquido presente (imagem
2). No balão, são adicionadas aproximadamente duas colheres de chá de bicarbonato de
sódio, após fixa-se o balão na boca da garrafa e um integrante do grupo levanta-o,
colocando-o em posição vertical, de modo que o bicarbonato seja despejado no vinagre,
iniciando a reação. O gás liberado pela reação, é responsável por encher o balão, que ao
inflar, dispara uma bola de gude através de uma tubulação de metal. A bola realiza um
percurso por entre os puxadores de um armário aéreo (imagem 3), se choca com uma bola de
metal que desliza por uma tubulação confeccionada com rolos de papel toalha e cai em um
recipiente plástico fixado uma alavanca de madeira (imagem 4).
Na outra extremidade da alavanca, tem-se preso um barbante que está enrolado em
um palito de madeira. No momento em que a bolinha de metal cai dentro do recipiente
plástico, a alavanca sai do equilíbrio, puxando o palito de madeira que serve de apoio para
uma catapulta (imagem 5). A catapulta é acionada e uma bolinha é disparada em direção a
torre montada com latas de alumínio para bebidas (imagem 6). A lata do topo possui em seu
interior pedras para aumentar sua massa, pois esta lata está fixada a um barbante, o qual é
responsável por liberar duas bolinhas de gude presentes em uma canaleta confeccionada com
caixas de leite vazias (imagem 7). No momento em que a bola atinge as latas, as mesmas
caem e o fio preso na lata superior é puxado, liberando uma portinha de papelão, que mantém
as bolinhas paradas. Após liberadas, as bolinhas percorrem as canaletas de caixas de leite e
caem em um novo paredão feito com papelão e palitos de picolé (imagem 8). Uma estrutura
da máquina foi construída em cima de uma carreta de carga para automóveis, esta carreta está
próxima a parede e nela fica apoiado o paredão de palitos (imagem 9). Em suas paredes,
também encontra-se fixado um túnel confeccionado com garrafas PET. A bolinha cai por este
um túnel, ao final derrubando uma sequência de dominó feito com caixinhas de papelão,
rolinhos de papel higiênico, caixinha de papelão, garrafinha PET, uma lajota cerâmica e uma
marreta que está segurando um fio de barbante, o qual está segurando o martelo (imagem 10).
Ao final do dominó, a marreta cai, liberando o fio e consequentemente o martelo, que
se choca contra a lâmpada contendo água em seu interior (imagem 11). A lâmpada quebra,
liberando a água em seu interior, que escorre por uma tubulação feita com cano de PVC.
Nesta tubulação tem-se presente um “barquinho” de isopor com alguns alfinetes em sua ponta
(imagem 12). A água que escoa leva o barquinho até a extremidade inferior da tubulação, de
modo que os alfinetes estourem o balão (imagem 13). Este balão, ao ser estourado libera o
barbante na qual tem-se uma bolinha de aço na outra extremidade, a bolinha cai sobre o
interruptor, acendendo a caixa luminária (imagem 14).

Imagem 1 - Local de início da reação Imagem 2 - Reação química