Foguetes de Garrafa Pet (1)

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FOGUETE DE GARRAFA PET
Cleber Ronaldo Farias
 Micheli Fernanda Pereira
Ricardo Laufer
Prof. Israel Willian Voigt
Centro Universitário Leonardo da Vinci - UNIASSELVI
Engenharia de Produção (ENG 0033) - Seminário Interdisciplinar
01/12/2017
RESUMO
Os foguetes de garrafa PET proporciona uma atividade de montagem simples e atrativa para os alunos que estejam cursando engenharia, uma vez que utiliza conceitos de Física e alguns de Química. Neste trabalho de pesquisa, descreve-se a construção deste foguete utilizando-se garrafas descartáveis de refrigerante (PET) de dois litros e a montagem de um sistema de propulsão que funciona com vinagre e bicarbonato de sódio. Mostram-se também alguns fatores que podem interferir na estabilidade do foguete durante seu lançamento e o vôo propriamente dito, como por exemplo, uma ótima relação entre centro de massa e centro de pressão. Na Mecânica dos Sólidos, utilizam-se as leis de Newton, Momento Linear, Centro de Massa, Centro de Gravidade, etc. Na Mecânica dos Fluídos, utiliza-se as propriedades dos fluídos, a equação da continuidade e a equação de Bernoulli. Com uma montagem relativamente simples, porém cuidadosa, pode-se ter uma boa propulsão de lançamento.
Palavras-chave: Foguete - Física - Engenharia.
1 INTRODUÇAO
1.1 ORIGEM DE LANÇAMENTO
Segundo a terceira lei de Newton, quando dois corpos interagem aparece um par de forças como resultado dessa interação, ou seja, a ação que um corpo exerce sobre outro. Estas forças são comumente chamadas de par ação-reação. Este é o principal princípio utilizado no lançamento de foguetes.
1.2 PRINCÍPIO DOS FOGUETES
O conceito foguete aplica-se a um motor que impulsiona um veículo expelindo gases de combustão por queimadores situados em sua parte traseira. Difere de um motor a jato por transportar seu próprio oxidante, o que lhe permite operar na ausência de um suprimento de ar. Os motores de foguetes vêm sendo utilizados amplamente em voos espaciais, nos quais sua grande potência e capacidade de operar no vácuo são essenciais, mas também podem ser empregados para movimentar mísseis, aeroplanos e automóveis. 
 Toda a construção de um foguete de garrafa PET tem como objetivo a demonstração de alguns conceitos físicos e químicos estudados principalmente na disciplina de Física como: Impulso, quantidade de movimento, leis de Newton, aceleração dos corpos, etc., e da Química, principalmente a parte referente a reações químicas. Os resultados práticos (lançamento e vôo) são bastante interessantes, o que mostra na prática a teoria estudada.
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 O FOGUETE
 O princípio de funcionamento do motor de foguete baseia-se na terceira lei de Newton, a lei da ação e reação, que diz que “a toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário”.
O foguete de garrafa PET aborda uma grande quantidade de fenômenos físicos, e assim, permitindo a interação entre diversas áreas da Física e da Química.
Imaginemos uma câmara fechada onde exista um gás em combustão. A queima do gás irá produzir pressão em todas as direções. A câmara não se moverá em nenhuma direção, pois as forças nas paredes opostas da câmara irão se anular
A pressão exercida nas paredes laterais opostas continuará não produzindo força, pois a pressão de um lado anulará a do outro. Já a pressão exercida na parte superior da câmara produzirá empuxo, pois não há pressão no lado de baixo.
Assim, o foguete se deslocará para cima por reação à pressão exercida pelos gases em combustão na câmara de combustão do motor. Por isto este tipo de motor é chamado de propulsão por reação.
Como no espaço exterior não há oxigênio para queimar com o combustível, o foguete deve levar armazenado em tanques não só o propelente (combustível), mas também o oxidante (comburente).
A magnitude do empuxo produzido (expressão que designa a força produzida pelo motor de foguete) depende da massa e da velocidade dos gases expelidos pelo bocal. Logo, quanto maior a pressão dos gases expelidos, maior o empuxo. A equação abaixo representa a reação química que ocorre no interior do foguete antes do lançamento.
 2 H3C – COOH(aq) + Na2CO3(s) → 2H3C – COONa(aq) + H2O(l) + CO2(g)
Segundo a reação, a solução aquosa de ácido etanóico (vinagre) reage com bicarbonato de sódio sólido para formar etanoato de sódio aquoso, água liquida e dióxido de carbono gasoso.
O dióxido de carbono é o responsável pela elevação da pressão no interior do aparelho e, ao ser liberada da trava de segurança do lançador o impulsiona no sentido contrário ao seu sentido de escape, conforme previsto pela lei da ação-reação de Newton.
Tudo se inicia com a reação química que ocorre entre o vinagre (ácido acético) e o bicarbonato de sódio. Tal reação libera CO2 (gás carbônico) com um progressivo aumento da pressão no interior da garrafa. A pressão aumenta a ponto de a rolha escapar. Quando isso acontece, a água e o ar são violentamente expulsos (ação) e empurrando (reação) a garrafa na mesma direção e sentido oposto.
O foguete funciona, pois o vinagre e o bicarbonato de sódio (que este embrulhado na trouxinha de papel) reagem entre si formando CO2. Quanto mais gás é liberado, maior a pressão no interior da garrafa. A pressão chega a um ponto tal, que a rolha é forçada a sair. Quando isso ocorre, o vinagre é empurrado para fora em alta velocidade, fazendo com que a garrafa seja empurrada para cima.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
 3.1MATERIAIS
Este projeto foi desenvolvido através da construção de protótipos, onde se evidenciou a possibilidade de lançamento de um foguete construído com garrafas PET de dois litros pela propulsão produzida pela reação química bicarbonato de sódio e vinagre.
Basicamente utilizaram-se, garrafas PET, materiais e equipamentos de baixo custo, tais como madeira compensada, canos de PVC, vinagre e bicarbonato de sódio.
As duas garrafas PET são os principais componentes do foguete, pois serão utilizadas para a construção da sua fuselagem, que é composta pela câmara de combustão (que chamaremos de câmara de compressão) e pelo nariz, região frontal do foguete.
Para a câmara de compressão utilizou-se uma garrafa inteira sem alterações. Esta é a parte do foguete em que estará contido o seu combustível. Para o nariz, utilizou-se apenas a parte de cima da garrafa, cônica, como mostra a figura 1. Essa peça tem a função de minimizar o atrito do ar durante o vôo do foguete, fornecendo ao mesmo um formato mais aerodinâmico.
O próximo passo é a construção das aletas do foguete. Elas são fundamentais para sua estabilidade durante o voo. Recortam-se as bandejas de isopor de alta densidade no formato de trapézios, de modo que eles se encaixem na parte cônica da garrafa inteira. O formato das aletas é arbitrário, mas utilizaram-se trapézios por conter somente retos e ser mais fácil de manipular durante o corte.
A utilização destes materiais se deveu ao fato da concepção de que se pode mostrar o princípio de funcionamento de equipamentos e máquinas sofisticadas como um foguete, utilizando materiais de baixo custo.
 
 
3.2MÉTODOS
Para encontrar o melhor ângulo em que a plataforma deveria estar para que o foguete alcance a maior distância, vários testes foram realizados com ângulos de lançamento diferentes. Para este trabalho, utilizaram-se os ângulos de 30 e 45 graus.
As técnicas de construção utilizadas foram a construção de um modelo de foguete com garrafas PET e utilizando a reação química entre o vinagre e bicarbonato de sódio para produzir a força propulsora de lançamento.
Também deve-se observar também alguns cuidados na montagem para garantir que o foguete tenha uma boa velocidade e aceleração na partida, o que poderá leva-lo a grandes alturas.
 
4 CONCLUSÃO
 Neste trabalho descreveu-se a construção de um foguete utilizando garrafas descartáveis de refrigerante (PET) de 2 litros e a montagem de um sistema de propulsão que funciona com vinagre e bicarbonato de sódio
 Mostraram-se também vários fatores que influenciamna estabilidade do foguete durante o voo, como a obtenção e relação entre centro de massa e centro de pressão. Apresentou-se ainda a teoria envolvida durante o lançamento por meio de algumas aproximações, mostrando a aplicabilidade de assuntos comuns no Ensino Médio como as leis de Newton, conceito de momento linear, velocidade relativa e movimento de um fluido utilizando-se o conceito de pressão, a equação de Bernoulli e a equação de continuidade.
 Desta forma, pode-se concluir que a pesquisa alcançou os resultados esperados, mostrando assim que os conteúdos de várias disciplinas podem estar interligados e trabalhados de forma interdisciplinar, com alternativas de metodologias práticas e simples motivadoras para os estudantes propiciando que eles entendam melhor os fenômenos que os cercam. 
 Assim, a pesquisa procurou demonstrar a modelagem de fabricação de foguetes (princípio de funcionamento) utilizando reações químicas como força propulsora, um modelo bastante simples com conceitos já conhecidos pelos alunos de Engenharia de Produção.
 Ressalta-se neste trabalho, que é necessário que se traga o conteúdo da Física e da Química de uma maneira pratica visando despertar os interesses dos estudantes sobre os aspectos do universo e as leis que o regem de um modo “palpável” que possa influenciar de maneira estimuladora para o desenvolvimento de novos jovens cientistas que com o estimulo certo serão o futuro e o progresso das Ciências. 
5 REFERÊNCIAS
ASSIS, André K. T. Arquimedes, o Centro de Gravidade e a Lei da Alavanca. Apeiron, Montreal, 2008. 
SCHNETZLER, R. P. A pesquisa em ensino de química no Brasil. Química Nova, v. 25, suplemento 1, p. 14-24, 2002. SOUZA, J. A. 
NUSSENSVEIG. Moisés H. Curso de Física Básica: Fluidos, Oscilações, Ondas e Calor. V. 2, 4. Ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2002.
Relatório de foguete movido a vinagre e bicarbonato de sódio. Disponível em: www.ebah.com.br. Acesso em 25/04/2013. 
SANTOS, W. L. P. Educação científica na perspectiva de letramento como prática social: funções, princípios e desafios. Revista Brasileira de Educação, v. 36, p. 474-550, 2007.