ENGENHARIA AMBIENTAL

GABBOAT

Profª. Drª. Maria Lúcia Pereira Antunes

Alunos:

Gabriel Sanchez e Souza

Matheus Pazin

Matheus Rocha Freitas da Gloria

Vitor Kendi Aquinaga

Termo: 2º

Sorocaba

Data: 09/06/2017

1. OBJETIVO:

Neste relatório serão tratados os conceitos teóricos (físicos e do

projeto), montagem e a aplicação do projeto Gabboat. O objetivo deste

projeto foi construir um pequeno barco a vapor de material reciclável que

pudesse ser utilizado para o entretenimento de crianças e adolescentes,

além de oferecer outras margens de estudos sobre seu funcionamento.

2. INTRODUÇÃO:

Os conceitos físicos envolvidos no barco estão nas áreas de

Cinemática (envolvendo movimentação do barco na água), Hidrostática

(devido ao empuxo) e Termodinâmica (devido à propulsão do barco

trabalhar com água no estado gasoso).

2.1 O Empuxo:

Todo corpo que está imerso em um fluido sofre a ação de uma

força ascendente que tende a impedi-lo de afundar. Esta força é

chamada de Empuxo e possui direção vertical, sentido de baixo para

cima, representando uma força de sustentação de um fluido aos

corpos imersos.

Sabe-se que um corpo está em equilíbrio quando as forças

atuantes sobre ele se anulam. O empuxo acontece, portanto, devido

ao fato de as diferentes forças não se anularem sobre um corpo que

está parcialmente ou totalmente imerso. A figura 1 a seguir mostra

um corpo imerso em um líquido, porém este conceito se aplica a

qualquer fluido, seja líquido ou gás.

Figura 1: Corpo imerso em um líquido qualquer sujeito a várias

forças

Fonte: Autores

Nesta imagem há um conjunto de forças atuando sobre o corpo

imerso. A partir dos conceitos do Teorema de Stevin, onde a pressão

aumenta em função da profundidade, conclui-se que a força exercida

pelo líquido no corpo também aumenta. Essas forças estão em todas

as direções e não se anulam, visto que possuem diversas

componentes de intensidades diferentes.

Sobre um corpo imerso e em equilíbrio vertical atuam duas

principais forças de mesmo módulo e sentidos opostos, o Peso e o

Empuxo. Esse equilíbrio pode ocorrer com um corpo que está

parcialmente ou totalmente imerso, como é o caso do sólido na

Figura 1.

Além disso, pode-se calcular o peso do líquido deslocado a partir

da densidade e do volume do fluido deslocado, que é igual ao volume

do corpo imerso no líquido. Esta ideia pode ser demonstrada pela

figura a seguir:

Figura 2: O Volume do líquido deslocado é igual ao volume do

corpo imerso

Fonte: Autores

Considerando que o empuxo equilibra o peso de um corpo imerso

em um fluido, Arquimedes teria concluído que “todo corpo

mergulhado em um fluido recebe um empuxo vertical, dirigido para

cima equivalente ao peso do líquido deslocado”. Com esta afirmação

pode-se elaborar uma expressão para o cálculo do Empuxo:

Equação 1: Empuxo em função do Peso

Onde:

E = Empuxo;

P = Força Peso;

m = Massa do Corpo Imerso;

g = Aceleração da Gravidade.

2.2 Um breve conceito de pressão:

O planeta Terra está imerso em uma grande camada de ar

denominada atmosfera, a qual possui massa e está sujeita ao campo

gravitacional da Terra. Logo o ar possui um peso e exerce pressão sobre

os corpos que estão imersos nele, denominada pressão atmosférica.

Para medir essa pressão, um físico Italiano chamado Evangelista

Torricelli (1608~1647) usou um tubo de vidro de 1 metro de

comprimento cheio de mercúrio e uma cuba parcialmente cheia de

mercúrio, como mostra a Figura 3.

Figura 3: Experimento de Torricelli utilizando um tubo e uma

cuba, ambos com mercúrio.

Fonte: Referência [4]

Na imagem mostra o que Torricelli fez. Ele tampou com o dedo a

extremidade aberta do tubo, inverteu-o e o introduziu na cuba com

mercúrio. Após isso, destampou a extremidade imersa na cuba e

percebeu que o nível de mercúrio do tubo desceu, permanecendo em

equilíbrio na altura de 76 cm em relação à superfície do líquido da cuba.

Após analisar o experimento, ele deduziu que o equilíbrio da

coluna de mercúrio era mantido pela pressão atmosférica, que agia na

superfície do mercúrio da cuba. Logo ela valia 76 cm de altura de

mercúrio.

Torricelli realizou este experimento no nível do mar e, mais tarde,

Pascal realizou em uma altitude maior e constatou que a coluna de

mercúrio se estabiliza em uma altura diferente de 76 cm. Após diversas

repetições, em diferentes altitudes, ele concluiu que a pressão diminuía

com o aumento da altitude e aumentava com a diminuição da mesma.

Estes conceitos são fundamentais para a compreensão de

pequenos trechos do funcionamento do barquinho a vapor, pois a altura

dos tubos dentro da água influencia na movimentação.

2.3 A Termodinâmica no Gabboat:

A Termodinâmica é o ramo da Física que estuda principalmente a

transformação de energia térmica em trabalho, em movimento. O

conhecimento deste princípio básico deste ramo tão importante da Física

foi fundamental na elaboração do Gabboat.

Calor é um conceito utilizado para designar energia térmica em

trânsito, entre dois corpos. Quando se coloca comida quente em um

prato, observamos que esse prato esquenta e se o apoiarmos sobre uma

mesa, a região da mesa sob o prato também esquenta, devido à energia

térmica que transita entre os corpos, denominada calor.

Essa propagação ocorre de três maneiras distintas: condução,

convecção e irradiação.

● Condução: ocorre através do contato entre dois corpos,

quando um deles possui temperatura maior. A agitação

das moléculas do mais quente causa agitação nas

moléculas do outro corpo, de modo que sua temperatura

aumenta. Um exemplo clássico é quando colocamos uma

colher de alumínio numa panela ao fogo e sentimos a

colher esquentar.

● Convecção: a troca de calor ocorre devido à

movimentação de fluidos. Um exemplo bem didático é o

ar condicionado, que é colocado geralmente na parte

superior dos cômodos. O ar próximo a ele, mais frio e

mais denso, desce, deslocando o ar quente da parte de

baixo do cômodo para cima, fazendo com que este ar

esfrie e crie um ciclo.

● Irradiação: corresponde à transferência de energia por

meio de ondas eletromagnéticas, de modo que não é

necessário um meio material para que ela ocorra. O

aquecimento da Terra pelo Sol é provocado pela

irradiação.

A transferência de calor que ocorre no Gabboat é por condução.

Como mostra a Figura 4, onde as setas indicam a transferência da energia

térmica:

Figura 4: Esquema de Transferência de Calor

Fogo Lata Canudo Água

Fonte: Autores

A transferência de calor além de causar mudanças na temperatura,

também pode causar mudança de estado das substâncias.

No primeiro caso, a fórmula que descreve o aumento de

temperatura no corpo é:

Equação 2: Fórmula para Quantidade de Calor

Onde Q é o calor envolvido no processo, m é a massa do

corpo/substância, c é o calor específico da substância e o delta θ é a

variação de temperatura sofrida.

Para o caso de mudança de estado, temos:

Equação 3: Fórmula para o Calor Latente

Onde L representa o calor latente de fusão da substância.

No caso do Gabboat, o calor e o posterior aumento de

temperatura da água nos canudinhos causa a evaporação desta.

O vapor d’água, por ocupar maior volume, acaba sendo expelido

do canudinho, causando a propulsão do barco.

A utilização do vapor como força motriz, contemplada nas

famosas máquinas a vapor, ou motores a vapor (Figura 5), começou a ser

amplamente empregada após os trabalhos de James Watt em 1769, ao

aperfeiçoar as invenções já existentes neste ramo, acoplando um

condensador aos motores, diminuindo perdas de calor. Os motores a

vapor começaram a ser utilizados em barcos, locomotivas, fábricas,

minas de carvão e passaram assim a ser base da Revolução Industrial.

Figura 5: Esquema de máquina a vapor simples

Fonte: https://www.oficinadanet.com.br/post/14633-como-

funciona-a-energia-a-vapor

2.4 A Cinemática do barco:

A movimentação do barco está relacionada com diversos fatores.

Primeiramente dois pequenos canudos precisam ser esquentados, através

do calor que é transmitido pela lata de alumínio (motor do barquinho),

para que haja propulsão no barco pela parte de trás. O motivo para serem

utilizados dois canudinhos é que o sistema precisa estar preparado para

receber uma certa quantidade de calor. O barco apenas começa a se

movimentar na água quando o ar é expulso pela propulsão nos canudos.

Neste caso, os materiais do barco influenciaram muito no peso, o que

exigiu um terceiro canudo. Com mais ar armazenado no sistema do

motor é possível expulsar mais água evaporada no momento que a lata

for aquecida [3].

Outro ponto importante para ressaltar na cinemática é a questão

da gravidade. Como o barco fica boiando na superfície, os canudos ficam

submergidos na água. Este fator é fundamental para a movimentação do

barco. Se o barco tiver uma certa inclinação sob a água que permita que

os canudos estejam submergidos, a pressão exercida sobre eles fará com

que haja uma maior propulsão do ar pelos canudinhos. Isso mostra que,

mesmo com um barco pesado, o que mais influencia não é a questão da

força gravitacional atuando no barco, mas sim a mudança de pressão no

interior do motor.

3. Materiais e Métodos:

3.1 Materiais:

Para a produção do nosso GabBoat foram utilizados os materiais que serão

apresentados abaixo:

1. Lata de Refrigerante(lata de alumínio)

Figura 6: lata de alumínio

Fonte: https://walterwmf.wordpress.com/category/lata-de-refrigerante/

2. Três canudos sanfonados:

Figura 7: canudos sanfonados

Fonte:

http://labelafestas.com.br/index.php?route=product/product&product_id=1327

3. Bandeja de isopor:

Figura 8: bandeja de isopor

Fonte: http://www.casadasembalagens.com.br/bandeja-de-isopor-crl-003-

rasa-~229~9~2~bandejas~bandeja-de-isopor

4. Elásticos:

Figura 9: elásticos

Fonte:

http://carolpapelaria.com.br/index.php?route=product/product&product_id=220

5. Cola de secagem rápida (cola epóxi)

Figura 10: cola epóxi

Fonte:

http://valverdeatacadista.com.br/m/Produto.aspx?IdProduto=247&IdProdutoVer

sao=249

6. Pistola de cola quente e cola quente:

Figura 11: cola quente

Fonte: http://artesanato.culturamix.com/curiosidades/como-usar-a-pistola-

para-cola-quente-corretamente

7. Velas (tamanho pequeno)

Figura 12: velas

Fonte: http://www.brilhofesta.com.br/velas_aniversario.php

8. Estilete:

Figura 13: estilete

Fonte: http://m.lojadomecanico.com.br/subcategorias/31/281

9. Tesoura:

Figura 14: tesoura

Fonte: http://www.grampline.com.br/site/genialtech/products/tesoura-grande-g-

9908-21cm/

10. Fita:

Figura 15: fita

Fonte: http://lojavirtualeletrosol.com.br/3m-fita-crepe-25-x50-mts-cl-373

A marca dos materiais fica a critério dos produtores.

3.2 Métodos

Inicialmente, deve-se preparar a parte que será aquecida no barco,

ou seja, o motor do barco. Primeiro, deve realizar um furo com o estilete na

parte superior da lata e terminar de cortar com a tesoura, de modo que seja

possível retirar a “tampa” da lata de refrigerante. Depois de retirar a tampa,

corte com a tesoura até a parte inferior da lata, de modo que seja possível

retirar a parte da base da lata, com isso sobrará uma placa de alumínio como

representado na figura 16.

Figura 16: placa de alumínio

Fonte: Autores

Após obter-se a placa de alumínio, o próximo passo é juntar as duas

extremidades desta placa; ou seja, a lateral esquerda da figura 5 com sua lateral

direita, de modo que você consiga realizar um dobramento para obter uma

nova placa, mas agora com tamanho reduzido.

Agora, com a nova placa serão realizados dobramentos seguindo os

moldes da figura 17.

Figura 17 : molde para o motor

Fonte: Referência [5]

Com este molde em mãos, utilize a fita para pregá-lo na nova placa

de alumínio. Em seguida, recorte com uma tesoura as linhas cheias do

molde, com isso obterá um novo formato para a placa. Após o novo

formato, dobre as extremidades laterais da lata em direção as linhas

pontilhadas utilize um apoio firme para auxiliar no dobramento, com isso

obterá a estrutura representada na figura 18.

Figura 18: estrutura para montagem do barco

Fonte: Autores

Utilizando esta nova estrutura, pegue os três canudos sanfonados e

encaixe na parte aberta da estrutura, a parte sanfonado do canudo fica para

fora da estrutura; observe que será formada uma parte achatada e uma parte

curva na estrutura. Já com os canudos encaixados, fixe a estrutura utilizando

a fita em algum local firme. Agora, pegue a cola epóxi e misture as colas

dos dois tubos para prepará-las. Quando a cola estiver pronta, vede

totalmente a parte com os dobramentos, não deixa nenhum (a princípio

apenas o local com os canudos) local com saída de ar, caso vaze o ar,

compromete o funcionamento do barco. Após vedar toda parte superior,

retire os três canudos. Agora, utilizando apenas dois canudos, passe a cola

epóxi no início (parte que fica para dentro) do canudo até próximo a parte

sanfonada, e coloque estes dois canudos na parte aberta da estrutura.Com os

dois canudos colados na estrutura, vede também a parte que está

aberta(onde foi colocado os canudos), não deixando nenhum espaço com

vazamento de ar. Quando a cola estiver seca, realize um teste para ver se há

algum vazamento; pegue um copo cheio de água e mergulhe a estrutura de

alumínio toda dentro do compro, e sopre pelo canudo, caso vaze alguma

bolha de ar, retire a estrutura e passe mais cola, realize o teste até não existir

nenhum vazamento.

Agora, prepare a cola quente, e passe na parte sanfonada do

canudo, buscando um ângulo de dobramento de aproximadamente 45 graus.

Busque deixar parecido com o da figura 19.

Figura 19: Ângulo de dobramento

Fonte: Autores

O motor está pronto. Agora chegou a parte final, a parte em que

monta-se o barco. Baseado no molde da figura 21 (será fixado no final dos

métodos),recorte a bandeja de isopor utilizando a tesoura. Para facilitar fixe

o molde sobre a bandeja e recorte em cima das linhas cheias. Quando a

estrutura da bandeja estiver pronta, monte o suporte para as velas. Pegue

pedaços do alumínio que sobrou, e dobre contra a sua dobre original; em

seguida, faça pequenos corte (um em frente ao outro) na ponta do alumínio,

tanto do lado esquerdo como do direito; agora, dobre onde foi cortado para

cima e enrole. Chegando na estrutura representada na figura 20.

Figura 20: estrutura para vela

Fonte: Autores

Após todas estas estruturas estarem prontas, pegue o motor e

encaixe na parte da bandeja que tem o furo. Pegue um elástico e coloque

perto do furo de modo que ele prenda o canudo na bandeja. Com o auxilio

deste elástico, também prenda as duas estruturas da vela, de modo que a

vela fique virada para o alumínio. Com isso o barco estará pronto para

funcionar, representado na figura 22.

Para o barco funcionar, deve-se primeiro encher os canudinhos

com água, depois tampar os canudinho utilizando o próprio dedo, e ainda

com o canudo tampado colocar o barco na água; por fim, acenda as velas

utilizando um isqueiro, destampe o canudinho e o barco funcionará.

Figura 21: molde estrutura do barco

Figura 21: molde estrutura do barco

Figura 22: barco finalizado

Fonte: Autores

4. RESULTADOS:

Conforme o barco a vapor for montado e, posteriormente, testado é possível tirar

algumas conclusões. Primeiramente, se ao montar-se o barco for seguido todas os passos

descritos nos Materiais e Métodos, perceberam que o barco realmente navega pela água,

com isso é possível perceber a Teoria Do Empuxo acontecendo na prática, visto que o

barco não afunda enquanto navega.

Depois, também é possível comprovar como a Termodinâmica está envolvida com o

GabBoat, pois o barco funcionou conforme o aumento da temperatura. Mas como isso

ocorre? Inicialmente, existe a água no estado líquido dentro dos canudos, então as velas

são acesas e começam a esquentar o motor (placa de alumínio); conforme esta placa

recebe calor, ela passa a também transmitir o calor para o canudo e ,consequentemente,

para a água; com isso, após um determinado tempo a água terá recebido a quantidade de

calor suficiente para que ocorra sua mudança de fase para o estado gasoso. Como o

estado gasoso da água ocupa mais espaço que estado líquido da água, o vapor dentro do

canudo "expulsará" a água que está dentro/próximo do canudo, logo, ocorrerá uma

propulsão e o barco se moverá para frente. Isto ocorre ciclicamente, visto que após a

expulsão do vapor de água retornará água no estado líquido para dentro do canudo.

E por fim, como o barco a vapor consegue se locomover com o aumento da temperatura,

este barco passa a possuir uma determinada velocidade, logo é possível notar que no

barco também possui fatores que envolvem a cinemática.

5. DISCUSSÃO:

Após alguns problemas enfrentados e alguns dias dedicados a resolvê-los, estes

problemas e algumas dicas serão relatadas, para que futuros Construtores do GabBoat

possa ter uma rotina menos complicada.

Primeiramente, deve-se ressaltar que os construtores mais jovens com uma idade entre 9

e 12 anos tenho cuidado com a construção do motor do barco, visto que é necessário

manusear objetos cortantes, como estilete, tesoura e alumínio. Se você for uma criança

ou adolescente, peça ajuda aos seus pais para a construção do GabBoat.

Em segundo lugar, aconselha-se que utilize os mesmos materiais que foram listados nos

Materiais e Métodos caso o construtor queira construir seu barco rapidamente.

Em terceiro, tenha cuidado com a proporção dos materiais usados, pois caso queira

aumentar o barco ou pego alguma bandeja com um peso diferente, será necessário

também melhorar a propulsão do barco se não ele não navegará ou simplesmente irá

afundar.

Em quarto, mesmo os construtores que seguiram todos os passos descritos neste

relatório, tenha cuidado ao colocar o GabBoat na água, pois há uma técnica para realizar

isso. É necessário primeiro colocar água nos canudos, depois fechá-los utilizando os

dedos, e só por fim colocá-los na água. Caso este procedimento não seja seguida,

possivelmente o barco não navegue.

Em quinto, tenha cuidado quando o barco já estiver em funcionamento, pois com o

decorrer do tempo o alumínio esquentará e caso alguém encoste neste alumínio quente,

esta pessoa poderá se ferir.

E por fim, curta e aprecie o funcionamento do GabBoat, há muita dedicação e carinho

neste projeto!!!!

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

[1] Young HD; Freedman RA; Ford AL; University Physics: With modern physics, 13º

ed, Vol Único, San Francisco: Pearson, 2008.

[2] Silva CX; Benigno BF. Física aula por aula: mecânica dos fluidos, terminologia,

óptica. Ed – São Paulo: FTD, 2010, v. 2, p. 38-42

[3] “How things work: The Pop-Pop Boat”. 1997. Disponível em:

http://www.nmia.com/~vrbass/pop-pop/aapt/crane.htm. Acesso em: 03 de Junho de

2017.

[4] “Nature abhorns vaccum", 2016. Disponível em:

http://www.eoht.info/page/Nature+abhors+a+vacuum. Acesso em: 07 de Junho de 2017.

[5] “Como fazer um barquinho pop-pop”, 2012. Disponível em :

http://www.manualdomundo.com.br/2012/04/como-fazer-um-barco-a-vapor-barquinho-

pop-pop/ . Acesso em : 04 de Junho de 2017.