APS - Carrinho de Propulsão à Vapor

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Atividade Prática Supervisionada – APS 
Carro Propulsão a Vapor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Santana de Parnaíba 
2018 
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Atividade Prática Supervisionada – APS 
Carro Propulsão a Vapor 
 
Bruno Ribeiro do Carmo – RA N807FA5 / EP5P06 
Caio Sampaio Ribeiro – RA N919JB5 / EP5P06 
César Leandro dos Santos Filho – RA D040FE6 / EP5P06 
Gleicy Kelly dos Santos – RA D049JH7 / EP5P06 
Guilherme Henrique Brito Rodrigues – RA N814CB8 / EP5P06 
Isac Rodrigues de Moura – RA C9357G7 / EP5P06 
Janaína Leite dos Santos – RA C861HA8 / EP5P06 
Jhonnatan Gomes de Souza – RA N824EG9 / EP5P06 
Natalia Leticia Guedes Martins – RA N742ED8 / EP4P06 
Rafael Viana Sales – RA C225AE6 / EP5P06 
 
Santana de Parnaíba 
2018 
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Sumário 
1. Objetivo do Trabalho 
2. Pesquisa sobre Propulsão à Vapor 
2.1 Máquina Térmica 
2.1.1 Máquina de Propulsão Externa 
2.1.2 Máquina de Propulsão Interna 
3. Eolípia 
4. Energia 
4.1 Energia Potencial 
4.2 Energia Cinética 
5. Primeira Lei de Newton 
6. Terceira Lei de Newton 
7. Força de Atrito 
7.1 Coeficiente de Atrito Dinâmico 
7.2 Coeficiente de Atrito Estático 
8. Velocidade Angular 
9. 2ª Lei da Termodinâmica 
10. Conversão de Calor em Trabalho (Máquina Térmica) 
11. Descrição e desenvolvimento do projeto 
12. Conclusão 
13. Comentários de Sugestões 
14. Bibliografia 
 
 
Santana de Parnaíba 
2018 
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1. Objetivo do Trabalho 
 
O objetivo deste trabalho é projetar um carrinho de movido à propulsão a 
vapor, que suporte tracionar uma carga de 1kg, através de um trajeto pré-
estabelecido em um certo tempo cronometrado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. Pesquisa sobre Propulsão à Vapor 
A propulsão à vapor é processo de alteração do movimento de um corpo a partir 
do repouso, a maioria das vezes, que utiliza a queima de combustível sob uma 
determinada pressão num sistema de cadeira. 
Este tipo de indução ao movimento é baseado na 3ª Lei de Newton, que diz 
que “para toda ação sobre um objeto, em resposta à interação com outro 
objeto, existirá uma reação de mesmo valor e direção, mas com sentido 
oposto”. 
No início, eram utilizados como combustíveis: petróleo, pedra, lenha, carvão e 
fissão atômica. As primeiras máquinas, trabalhavam com a 
condensação/expansão do vapor no vácuo. As principais máquinas utilizadas 
são: turbina de movimento rotativo, pistão e movimento alternado. Elas são 
classificadas como: combustão externa e combustão interna. 
2.1 Máquina Térmica 
A máquina térmica converte calor (Q) em trabalho , ou seja, energia térmica 
em energia mecânica, através de ciclos e fontes de temperatura quente (recebe 
o calor) e temperatura fria (expele o calor rejeitado). 
 
Figura 1 - Representação de um motor à vapor (Eolípia) 
 
2.1.1 Máquina de Propulsão Externa 
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O processo de combustão do fluido é realizado separadamente da mistura 
ar/combustível. O calor da combustão é transferido por uma caldeira (ou 
reservatório), para o motor a vapor. 
 
Figura 2 - Motor de combustão externa 
2.1.2 Máquina de Propulsão Interna 
O processo de combustão do fluido é convertido em energia mecânica. O 
resultado da combustão, são inseridos na mistura ar/combustível, que são 
confinados em uma câmara de combustão. 
 
Figura 3 - Motor de combustão interna 
 
 
 
 
 
 
 
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3. Eolípia 
Conhecida também como “Máquina de Heron”, era abastecida por água na 
parte inferior, produzindo vapor através do aquecimento, que realizava o 
movimento. 
Criada por Heron de Alexandria, foi a primeira máquina térmica da história. 
Thomas Savery foi quem aprimorou o uso da máquina térmica em larga escala, 
com o objetivo de bombear água do interior das minas de carvão inundadas. E, 
por volta do século XVI, Thomas Newcomen e James Watt, aperfeiçoaram a 
máquina térmica, possibilitando a criação da locomotiva. 
 
 
Figura 4 - Locomotiva à Vapor 
4. Energia 
É a capacidade de realizar trabalho. Existem diversos tipos, algumas delas são: 
cinética, térmica, potencial, química, elétrica e nuclear. Além disso, também há 
transferência de energia entre os corpos, e logo após o calor se transforma em 
energia térmica enquanto o movimento de transforma em energia mecânica. 
Energia Mecânica = Energia Potencial + Energia Cinética 
No sistema, não há perda de energia e sim a transformação dela para os 
diferentes casos que é submetida. 
4.1 Energia Potencial 
Energia que dá posição a um objeto, ou seja, é o tipo de energia existente 
quando o objeto está “parado”. 
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Energia Potencial Gravitacional: EPG = m.g.h 
Onde: 
- M: Massa; 
- G: Aceleração da gravidade; 
- H: Altura; 
4.2 Energia Cinética 
Energia que dá movimento ao objeto, ou seja, é o tipo de energia existente 
quando o objeto está em movimento. 
Energia Cinética: Ec = mv²/2 
5. Primeira Lei de Newton 
A Primeira Lei de Newton indica que “a tendência que os corpos possuem em 
permanecer em seu estado natural de repouso ou em movimento retilíneo e 
uniforme” a menos que seja submetido a uma força que altere seu estado 
natural de velocidade constante. 
6. Terceira Lei de Newton 
“Para toda força existe uma força de reação que são iguais, mas em sentidos 
opostos”, ou seja, com o movimento de uma superfície é gerada uma reação 
em sentido oposto que “empurra para trás” a superfície em movimento. 
As forças dependem da força de atrito, porque é resultado da reação realizada 
pela superfície em movimento. 
7. Força de Atrito 
É a força gerada entre duas superfícies que estão em contato quando deslizam 
uma sobre a outra (realizam movimentos contrários). Forças afetadas pela 
superfície e quantidade de força aplicada para realizar o movimento. Está 
relacionado a desaceleração. 
Força de Atrito: Fat = µ.N 
Onde: 
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- µ: constante de atrito do material; 
- N: força normal; 
7.1. Coeficiente de atrito dinâmico 
Ocorre quando o objeto está no limite da energia potencial (prestes a se 
deslocar) ou no início do deslocamento. 
7.2. Coeficiente de atrito estático 
Uma das irregularidades de duas superfícies aumentará para evitar o 
movimento. CAE > CAD. 
8. Velocidade angular 
É necessário saber o ângulo da roda para calcularmos a velocidade angular 
sobre um tempo. 
𝜔 =
𝜃
𝑡
 
Onde: 
- θ: velocidade angular; 
- T: tempo; 
9. 2ª Lei da Termodinâmica 
A Segunda Lei da Termodinâmica possui uma ligação direta com as máquinas 
térmicas, visto que é responsável para dimensionar o rendimento das mesmas. 
Segundo Clausius, “o calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo 
de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura menor”, ou seja, o 
fluxo seguido pelo calor (Q), naturalmente é do calor quente (Q1) para o calor 
frio (Q2). Para que este processo seja inverso, é necessário aplicação de um 
trabalho externo. 
Já segundo Kelvin-Plank, “é impossível construir uma máquina térmica 
operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-
lo integralmente em trabalho”, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica, 
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não pode ser de 100%, porque há uma quantidade de calor que não é 
convertida em trabalho, e sim, “perdida do sistema. 
 
10. Conversão de Calor em Trabalho (Máquina Térmica) 
Baseado no que Carnot estabeleceu, para que haja conversão de trabalho, o 
ciclo deverá ter 2 tipos de fontes térmicas (quente e fria). Sendo que, a fonte 
quente retira calor, transforma em trabalho e rejeita para a fonte fria. Descrito 
pela seguinte fórmula: 
 
Onde: 
- N: rendimento da máquina; 
- T: trabalho útil obtido; 
- Q1: calor retirado da fonte quente. 
Com isso, obtemos a seguinte fórmula de rendimento. 
 
Onde: 
- N: rendimento da máquina; 
- Q1: calor retirado da fonte quente. 
- Q2: calor rejeitado à fonte fria; 
 
 
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11.Descrição e desenvolvimento do projeto 
O motor a ser construído é caracterizado como à vapor de dupla atuação, porqueé necessária de vapor alternará entre dois lados do cilindro. 
A válvula corrediça faz com que o vapor em alta pressão entre em qualquer lado 
do cilindro. A haste é conectada a uma ligação com a cruzeta, de modo que a 
válvula deslize no seu funcionamento. 
 A cruzeta geralmente se liga a uma haste motriz que são acopladas nas rodas 
do carrinho. 
 
 
Figura 5 - Motor à Vapor 
O vapor do reservatório possui energia potencial. Quando liberado, se 
transforma em energia cinética que movimenta o carrinho. Segundo a 1ª Lei de 
Newton, teoricamente tenderá a permanecer em movimento caso não haja 
interferência externa de alguma força aplicada, que neste caso, haverá força de 
atrito (entre as rodas, superfície, ambiente). 
 
O projeto terá rodas com o diâmetro maior para que a velocidade do eixo seja a 
mesma em ambas as rodas para que o carrinho não derrape. 
 
A velocidade menor na roda gera uma menor velocidade do centro de massa e 
uma menor velocidade no carrinho, que irá aumentar o atrito em relação a 
superfície. 
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▪ Válvula 
 
Figura 6 – Representação da Válvula 
 
 
▪ Caldeira 
 
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Figura 7 - Representação da Caldeira 
▪ Braço articulado 
 
Figura 8 - Representação do Braço Articulado 
Componente conectado a haste do pistão. 
▪ Virabrequim 
 
Figura 9 - Representação do Virabrequim 
Onde será acoplada as rodas motrizes do projeto. 
▪ Chassis do “carrinho” a vapor 
 
Figura 10 - Representação do Chassis do projeto 
 
 
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12. Conclusão 
Concluímos com a realização deste trabalho que a máquina à vapor transformam 
qualquer tipo de energia, em energia mecânica. Além disso, no sistema é 
possível incluir polias, correias, pistões e engrenagens para a dissipação da 
energia gerada. 
Um sistema elétrico na caldeira, gera o combustível e o calor realizado pelo 
vapor d’água é acumulado em um reservatório, fazendo com que seja liberado 
parcialmente na válvula de saída, fazendo com que as rodas se movimentem e 
converta a energia potencial em energia cinética para movimentar o 
experimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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13.Comentários e sugestões 
Este trabalho possibilitou colocarmos em prática o que estudamos no decorrer 
do curso. Possui ligação direta com matérias como Termodinâmica Básica, 
Mecânica da Partícula, Desenho Técnico, entre outras. 
Houve uma dificuldade na realização do projeto, por conta de ser necessário 
este semestre, somente o esboço do projeto. Não conseguimos realizar 
alterações no esboço e cálculos de acordo com as dificuldades encontradas na 
montagem do projeto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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14.Bibliografia 
• https://brasilescola.uol.com.br/fisica/terceira-lei-newton.htm 
• https://www.franciscogomesdasilva.com.br/as-maquinas-a-vapor-e-a-propulsao-a-
roda-de-pas-e-de-helices/ 
• http://aprender-mat.info/portugal/historyDetail.htm?id=Heron 
• http://estudio01.proj.ufsm.br/cadernos/ifsul/tecnico_biocombustivel/motores_comb
ustao_interna_e_seus_sistemas.pdf 
• https://pt.wikipedia.org/wiki/Eol%C3%ADpila 
• https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_vapor_de_Thomas_Savery 
• https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodina
mica.php 
 
 
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/terceira-lei-newton.htm
https://www.franciscogomesdasilva.com.br/as-maquinas-a-vapor-e-a-propulsao-a-roda-de-pas-e-de-helices/
https://www.franciscogomesdasilva.com.br/as-maquinas-a-vapor-e-a-propulsao-a-roda-de-pas-e-de-helices/
http://aprender-mat.info/portugal/historyDetail.htm?id=Heron
http://estudio01.proj.ufsm.br/cadernos/ifsul/tecnico_biocombustivel/motores_combustao_interna_e_seus_sistemas.pdf
http://estudio01.proj.ufsm.br/cadernos/ifsul/tecnico_biocombustivel/motores_combustao_interna_e_seus_sistemas.pdf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Eol%C3%ADpila
https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_vapor_de_Thomas_Savery%2016:14
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodinamica.php
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodinamica.php