Introdução à Engenharia Mecânica - tradução da 2a edição norte-americana

Jonathan Wickert

INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICAJ

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Outras obras

aCálculo Volumes 1 e 2 – 6 EdiçãoJames Stewart

DinâmicaArthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

EstáticaArthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Mecânica dos MateriaisJames M. Gere

Mecânica dos FluidosMerle C. Potter e David C. Wiggert

aPré-Cálculo – 2 Edição revista e atualizadaValéria Zuma Medeiros (Coord.)

Probabilidade e Estatística para Engenharia e CiênciasJay L. Devore

–

Este livro traz uma abordagem introdutória ao campo da Engenharia Mecânica e proporciona aos estudantes uma visão de como os engenhei-ros projetam máquinas e ferramentas, as quais contribuem para o avanço de nossa sociedade.

Equilibrando habilidades de resolução de problemas, análise e exe-cução de projetos, aplicações ao mundo real e à tecnologia prática, o autor fornece aos estudantes uma base contínua para o estudo futu-ro na engenharia mecânica.

O texto traz aplicações diversas, como motores a explosão, fabricação rápida de protótipos, projetos de engenharia auxiliados por computador, nanotubos de carbono, robótica, imagem produzida por ressonância magnética, motores a jato, transmissões automáticas e energia solar. A obra conta ainda com muitos exemplos e ilustrações que facilitam o aprendizado, além de diversos problemas e exercícios para revisão.

Aplicações

Livro recomendado para a disciplina introdução à engenharia mecânica nos cursos de graduação em Engenharia Mecânica.

aTRADUÇÃO DA 2 EDIÇÃO NORTE-AMERICANA

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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Wickert, JonathanIntrodução à engenharia mecânica / Jonathan

Wickert ; tradução Oxbridge Centro de Idiomas Ltda. ;revisão técnica Demetrio C. Zachariadis. —São Paulo : Cengage Learning, 2007.

Título original: An introduction to mechanicalengineering.

Bibliografia

ISBN 85-221-1031-X (livro eletrônico)ISBN 978-85-221-1031-5 (livro eletrônico)

1. Engenharia mecânica I. Título.

06-8060 CDD-621

Índice para catálogo sistemático:

1. Engenharia mecânica 621

Requisitos do sistema : Windows, Mac e Linux web browsers; JavaScript, cookies e pop-ups devem estar habilitados.Modo de acesso : Web

INTRODUÇÃO À

ENGENHARIA MECÂNICATradução da 2a edição norte-americana

Jonathan WickertCarnegie Mellon University

TraduçãoOxbridge Centro de Idiomas Ltda.

Revisão TécnicaDemetrio C. Zachariadis

Engenheiro Naval, Mestre em Engenharia Naval, Doutor em Engenharia Mecânica.Professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos

Introdução à engenharia mecânica

Jonathan Wickert

Gerente Editorial: Patrícia La Rosa

Editora de Desenvolvimento: Ligia Cosmo Cantarelli

Supervisor de Produção Editorial: Fábio Gonçalves

Supervisora de Produção Gráfica:

Fabiana Alencar Albuquerque

Revisão: Sueli Bossi

Diagramação: ERJ – Composição Editorial e Artes Gráficas Ltda.

Capa: FZ. Dáblio Design

Título do Original: An Introduction to Mechanical Engineering – 2nd edition

ISBN: 0-534-55297-8

Tradução: Oxbridge Centro de Idiomas Ltda.

Revisão técnica: Demetrio C. Zachariadis

Copidesque: Marcos Soel de Oliveira Santos

© 2006 Nelson© 2007 Cengage Learning Edições Ltda.

Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro po-derá ser reproduzida, sejam quais forem os meios empregados, sem a permissão, por escrito, da Editora.Aos infratores aplicam-se as sanções previstas nos artigos 102, 104, 106 e 107 da Lei no 9.610, de 19 de fevereiro de 1998.

© 2007 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.

ISBN-13: 978-85-221-0540-3ISBN-10: 85-221-0540-5

Cengage LearningCondomínio E-Business Park Rua Werner Siemens, 111 – Prédio 20 – Espaço 04 Lapa de Baixo – CEP 05069-900 – São Paulo – SP Tel.: (11) 3665-9900 – Fax: (11) 3665-9901SAC: 0800 11 19 39

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P R E F Á C I O A O E S T U D A N T E X I

P R E F Á C I O A O P R O F E S S O R X I I I

S O B R E O A U T O R X V I I

1. A P R O F I S S Ã O E N G E N H A R I A M E C Â N I C A 11.1 Visão Geral 1

1.2 O que É Engenharia? 3

1.3 Quem São os Engenheiros Mecânicos? 6

1.4 Opções da Carreira 17

1.5 Programa Típico de Estudo 20

Resumo 23

Auto-Estudo e Revisão 23

Problemas 23

Referências 25

2. S O L U Ç Ã O D E P R O B L E M A S E H A B I L I D A D E S D E C O M U N I C A Ç Ã O 2 62.1 Visão Geral 26

2.2 Um Erro de Unidades a Caminho de Marte 28

2.3 Sistemas e Conversões de Unidades 30

Sistema Internacional de Unidades (SI) 30

Unidades de Base e Derivadas 30

Sistema Internacional de Unidades 30

Sistema de Unidades Usual Norte-Americano (United States CustomarySystem Units) 33

Conversão de Unidades entre o SI e o USCS 37

Sumário

v

2.4 Algarismos Significativos 41

2.5 Coerência Dimensional 42

2.6 As Estimativas na Engenharia 49

2.7 A Apresentação de Cálculos de Engenharia 52

2.8 Habilidades de Comunicação na Engenharia 54

Comunicação Escrita 55

Comunicação Gráfica 56

Apresentações Técnicas 56

Resumo 56


Problemas 57

Referências 62

3. A S F O R Ç A S A P L I C A D A S À S E S T R U T U R A S E M Á Q U I N A S 6 33.1 Visão Geral 63

3.2 Forças em Componentes Retangulares e Polares 65

Componentes Retangulares 66

Componentes Polares 66

3.3 Resultante de Várias Forças 67

Método da Álgebra Vetorial 68

Método do Polígono Vetorial 69

3.4 Momento de uma Força 73

Método da Alavanca Perpendicular 73

Método das Componentes do Momento 74

3.5 O Equilíbrio das Forças e dos Momentos 79

Partículas e Corpos Rígidos 79

Diagramas de Corpos Livres 81

3.6 Aplicação em Projeto: Mancais de Rolamentos 88

Rolamentos de Esferas 89

Rolamentos de Rolos Cilíndricos 90

Rolamentos de Rolos Cônicos 90

Mancais de Rolamentos Axiais 92

vi Introdução à Engenharia Mecânica

Sumário vii

Resumo 97


Problemas 98

Referências 109

4. M A T E R I A I S E T E N S Õ E S 1 1 04.1 Visão Geral 110

4.2 Tração e Compressão 112

4.3 Comportamento dos Materiais 118

4.4 Cisalhamento 128

4.5 Materiais Utilizados na Engenharia 132

Metais e suas Ligas 133

Cerâmica 135

Polímeros 136

Materiais Compostos 137

4.6 O Fator da Segurança 140

Resumo 144


Problemas 147

Referências 155

5. E N G E N H A R I A D E F L U I D O S 1 5 65.1 Visão Geral 156

5.2 Propriedades dos Fluidos 158

5.3 Pressão e Força de Flutuação 164

5.4 Fluxos Laminar e Turbulento de Fluidos 170

5.5 O Escoamento de Fluido em Tubulações 174

5.6 Força de Arrasto 180

5.7 Força de Sustentação 189

Resumo 193


Problemas 195

Referências 199

6. S I S T E M A S T É R M I C O S E D E E N E R G I A 2 0 06.1 Visão Geral 200

6.2 Energia Mecânica, Trabalho e Potência 201

Energia Potencial Gravitacional 201

Energia Potencial Elástica 202

Energia Cinética 203

O Trabalho de uma Força 203

Potência 204

6.3 O Calor como Energia em Trânsito 208

Poder Calorífico 209

Calor Específico 210

Transmissão de Calor 212

6.4 Conservação e Conversão de Energia 220

6.5 Motores Térmicos e Eficiência 225

6.6 Estudo de Caso 1: Motores de Combustão Interna 228

Ciclo do Motor de quatro Tempos 230

Ciclo do Motor de dois Tempos 233

6.7 Estudo de Caso 2: Geração de Eletricidade 234

6.8 Estudo de Caso 3: Motores a Jato 243

Resumo 246


Problemas 248

Referências 251

7. T R A N S M I S S Ã O D E M O V I M E N T O E P O T Ê N C I A 2 5 27.1 Visão Geral 252

7.2 Movimento de Rotação 255

Velocidade Angular 255

Trabalho e Potência na Rotação 256

7.3 Aplicação de Projeto: Engrenagens 260

Engrenagens Cilíndricas 261

Cremalheira e Pinhão 265

viii Introdução à Engenharia Mecânica

Engrenagens Cônicas 265

Engrenagens Helicoidais 267

Engrenagens sem Fim 268

7.4 Velocidade, Torque e Potência das Transmissões de Engrenagens 269

Velocidade 270

Torque 271

Potência 272

7.5 Trens de Engrenagem Simples e Compostos 273

7.6 Aplicação de Projeto: Acionamento por Correia e Corrente 279

7.7 Sistema Planetário de Engrenagens 285

Resumo 292


Problemas 294

Referências 301

8. O P R O J E T O M E C Â N I C O 3 0 28.1 Visão Geral 302

8.2 Projeto de Alto Nível 303

8.3 Processos de Fabricação 308

8.4 Patentes de Engenharia 314

8.5 Estudo de Caso sobre Projeto Conceitual: Veículos Movidos a Ratoeira 318

Primeiro Conceito: A Mola e a Alavanca 319

Segundo Conceito: Trem de Engrenagens Composto 320

Terceiro Conceito: Engrenagem com EngrenamentoParcial ou Intermitente 321

8.6 Estudo de Caso em Projeto Auxiliado por Computador: Produção Não-Invasiva deImagens Médicas 323

8.7 Estudo de Caso de Projeto de Máquina: A Transmissão Hidramática 327

Acoplamento de Fluido 330

Trens de Engrenagens Planetárias 331

Freios de Correia e Trava de Inversão 331

Embreagens 331

Sistema de Controle Hidráulico 332

Sumário ix

Resumo 334


Problemas 336

Referências 337

Apêndice A O A L F A B E T O G R E G O 3 3 9

Apêndice B R E V I S Ã O D E T R I G O N O M E T R I A 3 4 0B.1 Graus e Radianos 340

B.2 Triângulos Retângulos 340

B.3 Identidades 342

B.4 Triângulos Oblíquos 342

Í N D I C E R E M I S S I V O 3 4 5

U N I D A D E S D E R I V A D A S N O S I 3 5 6

U N I D A D E S D E R I V A D A S N O S I S T E M A U S C S 3 5 6

F A T O R E S D E C O N V E R S Ã O E N T R E O S S I S T E M A S U S C S E S I 3 5 7

x Introdução à Engenharia Mecânica

O B J E T I V O

O objetivo deste livro é apresentar ao estudante o campo da Engenharia Mecânica e auxiliá-lo a ava-liar como os engenheiros projetam máquinas e equipamentos, contribuindo com a sociedade. Como otítulo deste livro sugere, ele não é nenhuma enciclopédia nem um tratado exaustivo da disciplina. Éimpossível cumprir uma tarefa dessas em um livro dirigido a estudantes e, ademais, minha perspecti-va é que o currículo tradicional da graduação seja apenas um de vários passos dados ao longo de umacarreira para toda a vida. Na leitura deste livro, você irá descobrir a “floresta” da Engenharia Mecânica,examinando algumas de suas “árvores” e, ao longo do caminho, conhecerá elementos interessantes epráticos de uma profissão chamada Engenharia Mecânica.

A B O R D A G E M E C O N T E Ú D O

Este livro foi escrito para estudantes do primeiro ou segundo ano de Engenharia Mecânica em umafaculdade ou universidade, ou em um curso afim. Procurei abordar de maneira equilibrada as habilidadesnecessárias para solucionar problemas, os projetos, as análises de Engenharia e a tecnologia prática.Inicialmente há uma descrição sobre o trabalho dos engenheiros mecânicos (Capítulo 1), bem comosobre as técnicas usadas para solucionar problemas e habilidades de comunicação, especialmente emrelação a valores numéricos e sistemas de unidades (Capítulo 2). Seis “elementos” da EngenhariaMecânica são enfatizados subseqüentemente no Capítulo 3 (As Forças Aplicadas às Estruturas eMáquinas), Capítulo 4 (Materiais e Tensões), Capítulo 5 (Engenharia de Fluidos), Capítulo 6 (SistemasTérmicos e de Energia), Capítulo 7 (Movimento e Transmissão de Força) e Capítulo 8 (O ProjetoMecânico). Algumas das aplicações que você encontrará neste livro incluem os motores a explosão, afabricação rápida de protótipos, os projetos de Engenharia auxiliados por computador, os nanotubos decarbono, a robótica, a imagem produzida por ressonância magnética, os motores a jato, as transmissõesautomáticas e a energia solar.

O que você poderia aprender com este livro? Em primeiro lugar, descobrirá quem são os enge-nheiros mecânicos, o que fazem e que tipo de tecnologia criam. A seção 1.3 traz detalhes sobre a listadas dez maiores conquistas da profissão. Por que não correr os olhos nessa seção agora, para ver algu-mas das tecnologias da Engenharia Mecânica e compreender como essa profissão tem contribuídopara sua vida cotidiana e para a sociedade em geral? Em segundo lugar, você aprenderá a fazer algunsdos cálculos e aproximações rápidas que os engenheiros mecânicos precisam fazer. Para realizar seutrabalho melhor e mais rápido, os engenheiros mecânicos combinam matemática, ciência, ferramentasde projeto mecânico auxiliado por computador e habilidades práticas. Em terceiro lugar, você desco-brirá que a Engenharia Mecânica representa um esforço prático, com o objetivo de projetar instrumentosque funcionem, tenham uma produção econômica e sejam seguros e responsáveis em relação aoimpacto ambiental.

Prefácio ao Estudante

xi

Após a leitura deste livro, você não irá se tornar um perito em Engenharia Mecânica, mas essanão é a nossa intenção e nem deveria ser a sua. Se o nosso objetivo for atingido, porém, você assenta-rá uma fundação sólida no que se refere às habilidades para solucionar problemas, projetar equipamen-tos e conduzir análises. Tais habilidades poderão representar a base para a sua futura contribuição àprofissão de engenheiro mecânico.

xii Introdução à Engenharia Mecânica

A B O R D A G E M

Este livro destina-se a um curso que forneça uma introdução à Engenharia Mecânica durante o primei-ro ou segundo ano. Na última década, muitas faculdades e universidades renovaram o conteúdo pro-gramático de seus cursos de Engenharia, com o objetivo de posicionar o conteúdo dos cursos mais parao início dos programas. Especialmente para o primeiro ano do curso, as formas variam amplamente epodem incluir seminários sobre “quem são os engenheiros mecânicos” e “o que realizam”, experiên-cias em projetos, habilidades para solucionar problemas, análises básicas e estudos de casos. Em geral,já no segundo ano do curso, enfatizam-se elaborações de projetos, contato com ferramentas computa-cionais que auxiliam à Engenharia, princípios da Ciência da Engenharia e uma dose saudável demáquinas e equipamentos produzidos pela Engenharia Mecânica.

Os cursos nucleares da grade curricular da Ciência da Engenharia (por exemplo, resistência dos mate-riais, mecânica dos fluidos e dinâmica) progrediram desde a Segunda Guerra Mundial e atingiram seusestados presentes, relativamente amadurecidos. Por outro lado, pouca ou nenhuma padronização existeentre os cursos introdutórios de Engenharia Mecânica. Com limitados materiais didáticos específicos paratais cursos, creio que ainda exista uma boa oportunidade para atrair estudantes, motivando-os com umavisão do que se espera deles mais adiante e fornecendo-lhes uma base para o desenvolvimento de habili-dades importantes para a condução de análises, resolução de problemas e realização de projetos.

O B J E T I V O S

Durante o desenvolvimento das duas edições deste livro, meu objetivo foi proporcionar uma fonte deinformações, que pode ser utilizada pelos professores que apresentam a Engenharia Mecânica aos estu-dantes do primeiro e segundo anos do curso. Espero que a maioria dos cursos inclua o material apre-sentado no Capítulo 1 (A Profissão Engenharia Mecânica), Capítulo 2 (Solução de Problemas eHabilidades de Comunicação) e Capítulo 8 (O Projeto Mecânico). Com base no nível e nas horas dedi-cadas ao curso, os professores podem selecionar tópicos adicionais do Capítulo 3 (As Forças Aplicadasàs Estruturas e Máquinas), Capítulo 4 (Materiais e Tensões), Capítulo 5 (Engenharia de Fluidos),Capítulo 6 (Sistemas Térmicos e de Energia) e Capítulo 7 (Movimento e Transmissão de Força). Porexemplo, a seção 4.5, sobre a escolha de materiais, é totalmente independente e oferece ao aluno dosprimeiros anos do curso uma visão geral das classes diferentes de materiais utilizados na EngenhariaMecânica. De modo similar, as descrições das seções 6.6 e 6.8 sobre os motores de combustão inter-na, estações de energia elétrica e motores a jato são de natureza explanatória, podendo incluir essematerial em estudos de casos, para demonstrar a operação de algumas máquinas e equipamentosimportantes da Engenharia Mecânica. Nas seções 3.6, 7.3 e 7.6 encontram-se considerações sobremancais de rolamentos, engrenagens e acionamentos por correia e correntes.

Este livro reflete minhas experiências e filosofia em relação ao vocabulário, habilidades, aplica-ções e motivações dos estudantes iniciantes diante da profissão de Engenharia Mecânica. Esta obra foi

Prefácio ao Professor

xiii

xiv Introdução à Engenharia Mecânica

motivada, em parte, pelo meu magistério na cadeira de Fundamentos da Engenharia Mecânica, umcurso extenso na Universidade Carnegie Mellon, aberto tanto aos estudantes universitários do curso deEngenharia Mecânica como aos de outros cursos. O curso de Fundamentos da Engenharia Mecânicainclui palestras, realização de um projeto auxiliado por computador e planejamento de um processo defabricação, além da elaboração de um projeto em equipe (um exemplo do qual pode ser visto na seção8.5, no contexto da conceituação do projeto). Vários exemplos e estudos de casos também são discuti-dos para demonstrar aos estudantes a realidade do que estão aprendendo, inclusive a lista das principaisconquistas da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (seção 1.3), a perda da sonda espacialOrbitador Climático de Marte (Mars Climate Orbiter) (seção 2.2), o erro durante o reabastecimento dovôo 143 da Air Canada (seção 2.3), o desastre do Hotel Hyatt, em Kansas City (seção 3.5), os nanotu-bos de carbono (seção 4.5), os dispositivos microfluídicos (seção 5.2), o fluxo sanguíneo no interior docorpo humano (seção 5.5), a geração de energia solar (seção 6.7), as patentes na área da EngenhariaMecânica (seção 8.4), a Engenharia auxiliada por computador (seção 8.6) e a primeira transmissãoautomática empregada em veículos (seção 8.7). Os destaques intitulados “Foco em ...”, em cada capí-tulo, são utilizados para ressaltar alguns dos tópicos mais interessantes ali considerados.

C O N T E Ú D O

Minha intenção não é, de forma alguma, que este livro esgote as matérias do campo da EngenhariaMecânica, e estou certo de que ele não será lido com esse objetivo. Ao contrário, ao ensinar alunos deprimeiro e segundo anos, estou ciente de que “menos realmente significa mais”. Na medida do possí-vel, resisti ao impulso de acrescentar mais uma seção em um determinado assunto e tentei manter oaspecto útil e cativante do material, segundo a perspectiva do leitor. De fato, muitos tópicos, cujoconhecimento é importante para os engenheiros mecânicos, foram simplificados ou nem foram incluí-dos neste livro. E isso foi proposital. Entretanto, estou confiante de que, no devido tempo ao longo docurso de Engenharia Mecânica, os alunos serão expostos aos assuntos que foram aqui omitidos.

Do Capítulo 2 ao 8, foi selecionado um subconjunto de “elementos” da Engenharia Mecânica, quepode ser suficientemente apreendido pelos alunos dos primeiros anos do curso a fim de que possamdesenvolver as habilidades para realizar análises, fazer projetos e resolver problemas. Escolhi abran-ger esses tópicos para facilitar o uso deste livro dentro dos limites dos cursos, que acabam assumindovários formatos. Como há mais conteúdo neste livro do que seria possível abranger em um semestrede curso, os professores encontrarão uma razoável fonte de matéria, que poderá ser utilizada de acor-do com seus critérios. Em especial, esse conteúdo foi selecionado para:

1. combinar formação, maturidade e interesses dos alunos logo no início dos estudos daEngenharia;

2. auxiliar os alunos a pensar de modo crítico e aprender boas habilidades para resolução deproblemas, em especial no que diz respeito às aproximações de ordem de magnitude, revi-são de resultados e aferição de unidades;

3. ensinar aspectos da ciência da Engenharia Mecânica e o empirismo, os quais podem ser apli-cados já nos níveis de primeiro e segundo anos do curso;

4. expor os alunos a uma ampla variedade de máquinas e equipamentos e à natureza prática daEngenharia;

5. motivar por meio de aplicações que abranjam o projeto auxiliado por computador, imagensmédicas, aeronaves, naves espaciais, transmissões de automóveis, geração de energia nucleare assim por diante.

Na medida do que é possível para os níveis de primeiro e segundo anos, a exposição, os exem-plos e os problemas indicados para resolução em casa foram elaborados a partir de aplicações reais.Você não achará massas em planos inclinados ou sistemas de blocos e equipamentos neste livro. Creio

que a Engenharia é uma atividade visual e gráfica, por isso, enfatizo especialmente a qualidade e impor-tância das ilustrações, muitas das quais foram fornecidas por meus colegas na indústria, nas agênciasfederais e no magistério. O objetivo desta obra é destacar a realidade e motivar os alunos por meio deexemplos interessantes que lhes confiram um vislumbre do que poderão estudar nos cursos subseqüen-tes e, após isso, exercer ao longo de suas carreiras.

N O V I D A D E S D A S E G U N D A E D I Ç Ã O

Na preparação da segunda edição, erros foram corrigidos, seções foram reescritas e reorganizadas,novos materiais foram introduzidos e alguns removidos. A filosofia da primeira edição foi mantida, ouseja, motivar os estudantes nos seus primeiros anos de estudo, por enfatizar a solução organizada deproblemas e as aplicações práticas das máquinas e equipamentos.

Esta edição contém um capítulo novo sobre a engenharia de fluidos e novas seções sobre assun-tos relativos à habilidade da boa comunicação, escolha de materiais e aos processos de fabricação. NoCapítulo 2, a discussão sobre o Sistema de Unidades Usual Norte-Americano (USCS) e o SystèmeInternational d’Unités foi ampliada consideravelmente. Os mancais de rolamentos recebem atenção noCapítulo 3, no contexto das forças que suportam. Os equipamentos de transmissão de força por meiode vários tipos de dispositivos de acionamento por engrenagem, correias e correntes são consideradosno Capítulo 7.

Assim como na primeira edição, o conteúdo é facilmente acessível a qualquer estudante que tenhauma formação secundária normal em matemática e física. Os assuntos tratados neste livro não depen-dem de conhecimentos matemáticos além da álgebra, geometria e trigonometria (revistas no ApêndiceB) e, em especial, evitou-se utilizar produtos vetoriais, integrais, derivadas ou equações diferenciais.De modo coerente, não foi incluído, propositadamente, nenhum capítulo que trate de sistemas dinâmi-cos nem de vibrações mecânicas. O foco foi mantido nos alunos iniciantes do curso de EngenhariaMecânica, muitos dos quais estudarão cálculo simultaneamente. Por manter esse foco, elevar o nívelde complexidade matemática somente iria contrariar a missão geral deste livro.

Além do acréscimo de conteúdo, a organização de cada capítulo foi aprimorada. No início de cadaum, os objetivos foram definidos e utilizou-se um exemplo para ilustrar como o conteúdo do capítulose encaixa no estudo geral da Engenharia Mecânica. Na seção do resumo de cada capítulo, foramincluídas tabelas para reunir os novos símbolos, dimensões e equações apresentadas. Exemplos e pro-blemas para os alunos resolverem fora da sala de aula foram acrescentados ao longo de todo o livro.

Todos os exemplos foram colocados em um formato pedagógico melhorado, contendo o enunciadodo problema, a abordagem, a solução e uma discussão. Em especial, a parte da discussão destina-se adestacar o porquê de a resposta numérica ser interessante ou fazer sentido de modo intuitivo.Apresentam-se equações literais ao longo dos cálculos numéricos. Em todo o livro, as dimensões queaparecem nesses cálculos são manipuladas e simplificadas explicitamente, para reforçar as boas habi-lidades utilizadas na solução dos problemas.

Os novos destaques apresentados com o título “Foco em...” contêm a matéria conceitual ou apli-cada em forma de tópicos, a qual amplia a abrangência do livro sem desviar de seu rumo. Entre outrosassuntos, aborda a distinção entre massa e peso, aerodinâmica nos esportes, energia hidrelétrica, ruí-dos do trem de engrenagem, trabalho em equipe e computadores utilizados em projetos.

A G R A D E C I M E N T O S

Teria sido impossível desenvolver ambas as edições deste livro sem as contribuições de várias pessoase organizações e, portanto, em primeiro lugar, gostaria de expressar meu apreço por elas. Apoio gene-roso me foi dado pelo Centro Marsha e Philip Dowd, cujo objetivo é fomentar as iniciativas educacio-

Prefácio ao Professor xv

nais na área de Engenharia. Adriana Moscatelli, Jared Schneider, Katie Minardo e Stacy Mitchell, quesão agora membros do corpo docente da Universidade Carnegie Mellon, auxiliaram na realização desteprojeto, produzindo as várias ilustrações. O auxílio perito de Jean Stiles, que fez a revisão textual dolivro.

Meus colegas, alunos do curso de graduação e assistentes de ensino na Universidade CarnegieMellon forneceram muitos comentários e sugestões valiosos enquanto produzíamos ambas as edições.Gostaria de agradecer especialmente a Adnan Akay, Jack Beuth, Paul Steif, Allen Robinson, ShelleyAnna, Yoed Rabin, Burak Ozdoganlar, Parker Lin, Elizabeth Ervin, Venkataraman Kartik, MatthewBrake, John Collinger, Annie Tangpong e Matthew Iannacci por seus comentários. Sinto-me igualmen-te agradecido aos alunos de meu curso Fundamentos da Engenharia Mecânica. O interesse coletivo,feedbacks e entusiasmo sempre forneceram o precioso momento de ânimo para que eu prosseguisse.Joe Elliot e John Wiss bondosamente ofereceram as informações sobre o dinamômetro de motores e apressão de cilindros utilizadas na discussão sobre os motores a explosão, no Capítulo 6. As soluçõesde vários dos problemas propostos para resolução extraclasse foram esboçadas por Brad Lisien eAlbertCosta, dos quais aprecio muito o bom trabalho e esforços conscientes.

Além disso, os seguintes revisores da primeira e segunda edições nos permitiram tirar proveitode suas perspectivas e experiência de ensino: John R. Biddle, da Universidade Politécnica do Estado daCalifórnia (em Pomona); Robert Hocken, da Universidade da Carolina do Norte (em Charlotte);Damir Juric, do Instituto de Tecnologia da Geórgia; Pierre M. Larochelle, do Instituto de Tecnologiada Flórida; Anthony Renshaw, da Universidade de Colúmbia; Gloria Starns, da Universidade Estadualde Iowa; Per Lundqvist, do Real Instituto de Tecnologia (Estocolmo); William Hallet, daUniversidade de Ottawa; Kemper Lewis, da Universidade Estadual de Nova York (Buffalo); KennethA. Kline, da Universidade Estadual de Wayne; Terry Brown, da Universidade de Tecnologia(Sydney); Peter Burban, da Universidade de Cedarville; Terry Berreen, da Universidade de Monash;David J. Thum, da Universidade Politécnica Estadual da Califórnia (San Luis Obispo); Petru Petrina,da Universidade Cornell; Steven Y. Liang, do Instituto de Tecnologia da Geórgia; Bruce Karnopp, daUniversidade de Michigan; Timothy W. Simpson, da Universidade Estadual da Pensilvânia; e DavidF. Chichka, da Universidade George Washington. Sou muito grato por seus comentários detalhados esugestões úteis.

Aprecio muito interagir com a equipe editorial da Nelson, a divisão da Thomson Canada Limited.Na qualidade de editores do livro, Bill Stenquist e Chris Carson estiveram comprometidos com odesenvolvimento de um produto de alta qualidade, e tem sido motivo de grande prazer colaborar comessas pessoas. A equipe de produção da segunda edição incluiu Susan Calvert, Renate McCloy,Kamilah Reid Burrell, Angela Cleur e a equipe dos RPK Editorial Services. Eles administraram a pro-dução com grande habilidade e profissionalismo, prestando bastante atenção aos detalhes. A todos eles,expresso meus sinceros agradecimentos pelo excelente trabalho.

Colegas das seguintes indústrias e organizações acadêmicas e estatais foram de notável auxílio emuito pacientes ao fornecer fotografias, ilustrações e informações técnicas: General Motors, Intel,Fluent, General Eletric, Enron Wind, Boston Gear, Mechanical Dynamics, Caterpillar, Nasa, Centro dePesquisas Glenn (Nasa), W. M. Berg, FANUC Robotics, Agência de Reclamações dos EUA, NiagaraGear, Velocity11, Stratasys, Consórcio Nacional de Engenharia Robótica (EUA), Lockheed-Martin,Algor, MTS Systems, Westinghouse Electric, Timken, Sandia National Laboratories, Hitachi GlobalStorage Technologies, Segway LLC, Ministério do Trabalho dos EUA e Ministério da Energia dosEUA. Sam Dedola e John Haury, da Medrad Incorporated, foram além e desenvolveram várias ilustra-ções para a discussão dos projetos auxiliados por computador, na seção 8.6. Certamente não relacioneitodas as pessoas que me ajudaram neste projeto e aproveito para me desculpar por tais omissões.

Por fim, mas não menos importante, expresso sincera gratidão à Karen e Rebecca, pela paciênciae incentivo que me deram ao longo deste projeto.

Jonathan Wickert

xvi Introdução à Engenharia Mecânica

Jonathan Wickert é professor de Engenharia Mecânica na Universidade Carnegie Mellon, onde leciona edirige a realização de pesquisas nas áreas de mecânica aplicada, dinâmica e vibrações mecânicas. Comopesquisador e consultor, tem trabalhado com empresas e agências federais em uma ampla variedade deproblemas de engenharia relacionados com motores de acionamento dos mecanismos (drives) de com-putador e fitas de armazenamento de dados; fabricação de metal laminado, fibra de vidro, polímeros eprodutos químicos industriais; freios automotivos; turbinas a gás de fluxo radial; e vários produtos deconsumo, entre outros. Graduou-se e recebeu seu título deMestre e Doutor em Engenharia Mecânica pelaUniversidade da Califórnia, em Berkeley, e fez pós-doutorado pela Universidade de Cambridge. É editorassociado de revistas de engenharia, diretor da divisão da Sociedade Americana de EngenheirosMecânicos e presidente do programa de graduação em Engenharia Mecânica na Universidade CarnegieMellon. Recebeu prêmios em reconhecimento de seu magistério e suas pesquisas outorgados pelaSociedade de Engenheiros da Indústria Automotiva, Sociedade Norte-Americana para o FomentoEducacional da Engenharia e o Consórcio das Indústrias deArmazenamento de Informações.Além disso,foi eleito como conselheiro da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.

Sobre o Autor

xvii

OBJETIVOS DESTE CAPÍTULO

• Descrever algumas diferenças entre engenheiros, matemáticos e cientistas.

• Considerar o tipo de trabalho que os engenheiros mecânicos realizam e relacionar algumas questões téc-nicas que eles têm de enfrentar.

• Identificar algumas indústrias e agências estatais que empregam engenheiros mecânicos.

• Relacionar alguns produtos, processos e equipamentos que os engenheiros mecânicos projetam.

• Reconhecer como as principais conquistas da profissão do engenheiro mecânico contribuíram para oprogresso da nossa sociedade e melhoraram a vida das pessoas.

• Compreender os objetivos e o formato do currículo típico dos cursos de Engenharia Mecânica.

1.1 V I S Ã O G E R A L

Neste capítulo introdutório, descrevemos quem são os engenheiros mecânicos, o que fazem, quais sãoos desafios com que se confrontam e suas recompensas, e quais têm sido suas notáveis conquistas. AEngenharia é o esforço prático no qual as ferramentas da Matemática e da Ciência são aplicadas parao desenvolvimento de soluções econômicas e eficientes aos problemas tecnológicos enfrentados pelanossa sociedade. Os engenheiros projetam muitos produtos de consumo que você usa todos os dias.Também criam um grande número de outros produtos que você não necessariamente vê ou ouve falar,porque são utilizados nas áreas empresariais e industriais. Enfim, fazem importantes contribuições ànossa sociedade. Os engenheiros desenvolvem as máquinas necessárias para a produção da maioria dosprodutos, as fábricas que os produzem e os sistemas de controle de qualidade, que garantem a seguran-ça e o desempenho dos produtos. A Engenharia tem tudo a ver com a fabricação de objetos úteis, quefuncionam.

A disciplina Engenharia Mecânica preocupa-se em parte com os “elementos” das forças, mate-riais, fluidos, energia, movimento e desenho. Os engenheiros mecânicos inventam máquinas e estrutu-ras que exploram esses elementos para servir a um propósito útil e resolver problemas. O desenho ori-ginal e o aspecto prático de se fazer algo que funcione são os temas motivadores de qualquer esforçoda Engenharia. O engenheiro cria uma máquina ou um produto para auxiliar alguém a solucionar umproblema técnico.

C A P Í T U L O 1

A Profissão Engenharia Mecânica

1

Ele talvez inicie a partir de uma folha de papel em branco, em que concebe uma nova idéia. Então, desen-volve e aprimora a, para que essa nova idéia seja funcional e confiável, satisfazendo, durante todo o tempoem que estiver em uso, os requisitos de segurança, custos e viabilidade de produção.

Os sistemas robotizados de solda (Figura 1.1), motores a explosão, equipamentos esportivos,mecanismos de acionamento dos discos rígidos de computadores, membros artificiais, automóveis,aeronaves, motores a jato, ferramentas cirúrgicas e turbinas eólicas são algumas das centenas de tec-nologias em cujo desenvolvimento a Engenharia Mecânica está diretamente envolvida. Não seria exagero dizerque, para cada produto que você imagine, um engenheiro mecânico esteve envolvido, em algum ponto do proces-so, no projeto, escolha de materiais, controle de temperatura, garantia da qualidade ou produção. Aindaque não tenha sido a própria Engenharia Mecânica que tenha concebido ou projetado o produto, pode-se afirmar, sem receio, que foi um engenheiro mecânico que projetou as máquinas que construíram,testaram ou embalaram determinado produto.

A Engenharia Mecânica é definida como a profissão que pesquisa, projeta e fabrica máquinas queproduzem e que consomem energia. De fato, os engenheiros mecânicos desenvolvem máquinas que pro-duzem ou consomem energia na escala consideravelmente ampla, mostrada na Figura 1.2, entre mili-watts (mW) e gigawatts (GW). Poucas profissões exigem que uma pessoa trabalhe com unidades físi-cas em tantas ordens de magnitude (um trilhão de vezes ou um fator de 1.000.000.000.000) como

Motorultrassônico Máquinas-ferramentas

Bombade combustível

de foguetes

10 -3 hp 1 hp 103 hp 10 hp6

Horse-power

10–3 W 1 W 103 W 10 W610 W9

AtletaMotor de

automóvelHidrelétrica

Watts

FIGURA 1.2 Os engenheiros mecânicos trabalhamcom máquinas queproduzem ou consomem uma faixaconsideravelmenteampla de energia.

FIGURA 1.1 Os robôs são usadosamplamente nas linhasde montagem automatizadas dasmontadoras de automóveis, onde seexige precisão na execução de tarefasrepetitivas, tais comoa soldagem a arco.

Reimpresso compermissão da Fanuc RoboticsNorth America Inc.

2 Introdução à Engenharia Mecânica

CAPÍTULO 1 • A Profissão Engenharia Mecânica 3

a Engenharia Mecânica. Na extremidade inferior da escala de energia, os motores pequenos ultrassô-nicos de precisão, como os utilizados em lentes de câmeras dotadas de autofoco, produzem aproxima-damente 0,02 watts (W) de potência mecânica. Em níveis superiores, um atleta usando equipamentospara exercícios físicos, como um remo mecânico ou um stair climber, pode produzir até várias cente-nas de watts (cerca de 0,25 a 0,5 de um HP) durante um período longo de tempo. O motor elétrico deuma furadeira industrial pode desenvolver 1.000 W, e o motor de um veículo esportivo pode produzircerca de 100 vezes essa potência. Próximo à extremidade superior da escala, a turbo-bomba de com-bustível de alta pressão dos motores primários de uma nave espacial (Figura 1.3) – não os própriosmotores, mas apenas a bomba de combustível deles – desenvolve 73.000 HP. Por fim, uma hidroelétri-ca comercial pode gerar um bilhão de watts de potência, que é uma quantidade suficiente para suprircom energia elétrica uma comunidade de 800 mil casas.

1.2 O Q U E É E N G E N H A R I A ?

A palavra “engenharia” deriva da raiz latina ingeniere, que significa desenhar ou projetar, e da qualderiva também a palavra “engenhoso”. Essas acepções descrevem bem as características de um bomengenheiro. Dito da forma mais simples, os engenheiros aplicam seus conhecimentos em Matemática,Ciência e materiais – bem como suas habilidades comunicativas e comerciais –, para desenvolver novase melhores tecnologias. Em vez de apenas experimentar por tentativa e erro, os engenheiros são ins-truídos a usar os princípios matemáticos e científicos, além das simulações computadorizadas (Figura1.4), como ferramentas para conceber projetos mais rápidos, precisos e econômicos.

Nesse sentido, o trabalho de um engenheiro é diferente do trabalho do cientista, que normalmenteenfatiza mais a descoberta de leis físicas do que a aplicação de tais fenômenos no desenvolvimento denovos produtos. A Engenharia é essencialmente uma ponte entre uma descoberta científica e suas apli-cações em produtos. A razão da Engenharia não é o desenvolvimento ou a aplicação da Matemática, daCiência ou da Computação como fim em si mesmas. Antes, ela é um instrumento para a promoção docrescimento social e econômico e uma parte integral do ciclo comercial. Com essa perspectiva, oMinistério do Trabalho dos Estados Unidos resume a profissão da Engenharia da seguinte maneira:

Os engenheiros aplicam as teorias e os princípios da Ciência e da Matemática para pesquisar e desen-volver soluções econômicas a problemas técnicos. O trabalho que realizam é a ligação entre as neces-sidades socialmente percebidas e as aplicações comerciais. Os engenheiros projetam produtos, as

FIGURA 1.3 Destaque do motorprincipal de uma naveespacial durante testede pivotamento, paraavaliar o desempenhode manobrabilidadeem condições de vôo.

Reimpresso com a permissão daNasa.


máquinas utilizadas para a fabricação destes, as instalações nas quais eles são fabricados e os sistemasque garantem a qualidade dos produtos e a eficácia da mão-de-obra e do processo de fabricação. Osengenheiros projetam, planejam e supervisionam a construção de edifícios, estradas e sistemas de trá-fego. Desenvolvem e implementam meios aprimorados de extração, processamento e utilização dematéria-prima, como petróleo e gás natural. Desenvolvem novos materiais que tanto melhoram odesempenho dos produtos como tiram proveito dos avanços da tecnologia. Controlam a energia do Sol,da Terra, dos átomos e da eletricidade, para suprir as necessidades de energia da nação e criar milhõesde produtos que utilizam energia. Analisam o impacto dos produtos que desenvolvem ou dos sistemasque projetam no ambiente e nas pessoas que utilizam esses produtos. O conhecimento da Engenhariaé aplicado para melhorar várias coisas, incluindo a qualidade dos serviços de saúde, a segurança dosprodutos alimentícios e as operações do sistema financeiro.

Vários estudantes começam um curso de Engenharia porque se sentem atraídos pelas áreas daMatemática e da Ciência. Outros optam pela Engenharia porque são motivados por interesses na tec-nologia e no modo como as coisas do cotidiano funcionam ou, talvez, com mais entusiasmo, como ascoisas nem tanto cotidianas funcionam. De qualquer modo, é importante reconhecer que a Engenhariadistingue-se da Matemática e da Ciência. No fim do dia, o objetivo do engenheiro é ter construído umequipamento que realize uma tarefa que antes não podia ser concluída ou ser realizada de modo preci-so, rápido ou seguro. A Matemática e a Ciência fornecem algumas das ferramentas e dos métodos uti-lizados pelo engenheiro para testar protótipos rudimentares, refinando os projetos no papel e, por meiode simulações computadorizadas, antes de cortar os metais ou construir o equipamento. Conformesugerido na Figura 1.5, a Engenharia pode ser definida como a intersecção de atividades relativas àMatemática, à Ciência, às simulações computadorizadas e a equipamentos.

Aproximadamente 1,5 milhão de pessoas está registrado como engenheiro nos Estados Unidos. Avasta maioria trabalha em indústrias e menos de 10% está empregada pelo governo municipal, estaduale federal. Os engenheiros que são funcionários federais também, em geral, estão associados a umaorganização como a Agência Aeroespacial Norte-americana (Nasa) ou o Ministério da Defesa,Transportes e Energia. Cerca de 3% a 4% de todos os engenheiros são autônomos e trabalham, princi-palmente, na área de consultoria e capacitação empresarial.

A Engenharia é, em geral, dividida em cinco campos tradicionais: Engenharia Mecânica, Elétrica,de Materiais, Civil e Química. Na próxima seção, consideraremos a Engenharia Mecânica mais deta-lhadamente, mas parece apropriado apresentar as demais áreas. A Engenharia Elétrica trabalha emáreas como projeto e produção de circuitos integrados, redes de comunicação sem fio, componenteseletrônicos utilizados na Aviação, sistemas de controle de robôs e transmissão e distribuição de ener-gia elétrica. Os engenheiros de materiais trabalham no limite da Engenharia e da Ciência para desen-volver novos compostos de matéria, usados nas aplicações relacionadas a semicondutores, lasers, ligas

FIGURA 1.4 No dia-a-dia, os engenheiros mecânicos usamferramentas computadorizadassofisticadas para projetar, visualizar,simular e melhorar os produtos.

Reimpresso com a permissão daMechanical Dynamics,Incorporated.

avançadas de aço e alumínio e até mesmo mídias magnéticas, usadas para armazenar informações nodisco rígido de um computador. Entre suas outras atividades, os engenheiros civis projetam e cons-troem estradas, edifícios, aeroportos, túneis, barragens, pontes e sistemas de fornecimento de água. Aspreocupações ambientais, em geral, estão no centro das preocupações dos engenheiros civis – incluin-do a biologia ambiental –, para reduzir a contaminação da água do subsolo, do solo e da atmosfera. Osengenheiros químicos são responsáveis pela produção em larga escala de produtos químicos e farmacêu-ticos, e pela administração dos subprodutos das operações das indústrias de petróleo, eletrônicas e de bio-tecnologia. Mesmo nessas disciplinas, há literalmente dezenas de outras especialidades. A Figura 1.6mostra a distribuição dos engenheiros nos cinco campos tradicionais, bem como as várias especialidades.Mais de duas dezenas de especialidades são reconhecidas pelas sociedades profissionais de engenheiros.

Os engenheiros desenvolvem suas habilidades, primeiro, pelo estudo formal em um curso de cincoanos, em uma faculdade ou universidade credenciada e, depois disso, por meio da experiência adqui-rida no trabalho prático sob a supervisão de engenheiros mais experientes. Ao iniciar novos projetos,os engenheiros normalmente confiam no bom senso, intuição física, habilidades práticas e discerni-mento que ganharam em experiências técnicas anteriores. Eles realizam cálculos rápidos para respon-der a questões como: “Um motor de 10 HP é suficientemente potente para acionar este compressor dear?” ou “Quantos g’s de aceleração a pá do turboalimentador deve suportar?”.

Quando a resposta para uma determinada questão não é conhecida ou mais informações sãonecessárias para finalizar o trabalho, o engenheiro realizará pesquisas adicionais, usando livros dereferência, revistas técnicas e publicações comerciais de uma biblioteca técnica; irá basear-se tambémem conferências de engenheiros e exposições de produtos, patentes e dados de fornecedores indus-triais. O processo de formação de um bom engenheiro é um empreendimento que dura a vida toda eé uma mistura de instrução e experiência. Alguém pode argumentar que não é possível construir umacarreira vitalícia apenas com o que se aprende na faculdade. Na medida em que as tecnologias, osmercados e a economia se desenvolvem com grande rapidez, os engenheiros estão constantementeaprendendo novas abordagens e técnicas de solução de problemas, bem como informando outrossobre suas descobertas.

Matemática

Máquinas eequipamentos Ciência

Simulaçãopor computador

Engenharia

FIGURA 1.5Os engenheiros combinam suas habilidades emMatemática,Ciência,computação e equipamentos.


1 . 3 Q U E M S Ã O O S E N G E N H E I R O S M E C Â N I C O S ?

O campo da Engenharia Mecânica abrange as propriedades das forças, dos materiais, da energia, dosfluidos e do movimento, e a aplicação desses elementos no desenvolvimento de produtos que melho-ram a sociedade e a vida das pessoas. O Ministério do Trabalho dos Estados Unidos descreve essa pro-fissão da seguinte maneira:

Os engenheiros mecânicos pesquisam, desenvolvem, projetam, fabricam e testam ferramentas, moto-res, máquinas e outros dispositivos mecânicos. Trabalham em máquinas que produzem energia, taiscomo geradores de eletricidade, motores a explosão, turbinas a vapor e a gás, e motores a jato parafoguetes. Também desenvolvem máquinas que utilizam energia, como equipamentos de refrigeração econdicionamento de ar, robôs usados em processos de fabricação, máquinas-ferramentas, sistemas demanuseio de materiais e equipamentos de produção industrial.

Os engenheiros mecânicos são conhecidos pela ampla perícia e por trabalharem com uma gran-de variedade de máquinas. Alguns poucos exemplos incluem os sensores microeletromecânicos deaceleração usados nos air bags de carros; sistemas de aquecimento, ventilação e condicionamentode ar dos edifícios comerciais e escritórios; equipamentos pesados de construção projetados para usofora de vias públicas (off-road); veículos híbridos movidos a gás e eletricidade; geradores, rolamen-tos e outros componentes mecânicos (Figura 1.7); implantes de quadris artificiais; navios utilizadospara pesquisas no fundo do mar; sistemas de fabricação que utilizam robôs; válvulas cardíacas artifi-ciais; equipamentos não invasivos para detecção de explosivos e naves para exploração espacial(Figura 1.8).

FIGURA 1.6Porcentagem dos engenheiros que trabalham nos campos tradicionais da Engenharia e suas especialidades.Compilado pelo Ministério do Trabalho dos Estados Unidos.

Civil, 15,4

Elétrico-eletrônico, 19,8

Mecânico, 14,5Industrial, incluindo saúde

e segurança, 13,1

Aeroespacial, 5,3

Equipamentos de informática, 5

Meio ambiente, 3,2

Químico, 2,2Materiais, 1,6

Nuclear, 1,1Petróleo, 0,9

Biomedicina, 0,5

Minas, mineração e ciênciasgeológicas, incluindo segurança da mineração, 0,4

Engenheiros e arquitetos navais, 0,3

Agricultura, 0,2Todos os demais engenheiros, 16,4


Com base nas estatísticas de emprego, a Engenharia Mecânica representa a terceira maior disci-plina, entre os cinco campos tradicionais da Engenharia, e, geralmente, é descrita como a disciplinaque oferece a maior flexibilidade de escolhas na carreira. Em 2002, aproximadamente 215 mil pessoasestavam empregadas como engenheiros mecânicos nos Estados Unidos, uma população que represen-ta 15% de todos os engenheiros. A disciplina relaciona-se de perto com as áreas da EngenhariaIndustrial (194 mil pessoas), Aeroespacial (78 mil) e Nuclear (16 mil), uma vez que todos esses cam-pos apresentam uma evolução histórica como ramos da Engenharia Mecânica. Juntas, as EngenhariasMecânica, Industrial, Aeroespacial e Nuclear são responsáveis por cerca de 34% de todos os engenhei-ros. As outras especialidades encontradas com freqüência na profissão da Engenharia Mecânica

FIGURA 1.8O Mars ExplorationRover é um laboratório móvel geológico usado paraestudar a história daágua em Marte. Osengenheiros mecânicos contribuíram para odesign, propulsão,controle térmico eoutros aspectos dessesveículos robóticos.

Reimpresso com a permissão daNasa.

FIGURA 1.7Os engenheirosmecânicos projetam máqui-nas e equipamen-tos de transmissãode energia, usandoos vários tipos de engrenagens comocomponentes de construção.Reimpresso com permissão da NiagaraGear Corporation, BostonGear Corporation e W. M.Berg, Incorporated.


incluem a Engenharia Automotiva e a Engenharia de Fabricação. Ao passo que geralmente é conside-rada o mais amplo entre os campos tradicionais da Engenharia, há muitas oportunidades de especiali-zação em certos segmentos industriais ou tecnológicos que possam interessar a você. Por exemplo, umengenheiro do segmento da aviação pode focalizar sua carreira nas tecnologias avançadas de resfria-mento das pás das turbinas dos motores a jato ou nos sistemas de pilotagem por transmissão elétricade comandos (fly-by-wire), para o controle de vôo de uma aeronave.

Acima de tudo, os engenheiros mecânicos constroem máquinas e equipamentos que funcionam.A contribuição que um engenheiro mecânico faz para uma empresa ou outra organização é avaliada,em última análise, com base na funcionalidade do produto, ou seja, se este funciona como deveria. Osengenheiros mecânicos projetam equipamentos que são produzidos pelas empresas e posteriormentevendidos ao público ou a uma indústria. No processo desse ciclo de negócios, algum aspecto da vidado cliente é melhorado e a sociedade se beneficia dos avanços técnicos e das oportunidades adicionaisoferecidas pela pesquisa e pelo desenvolvimento realizados pela Engenharia.

A Engenharia Mecânica não significa números, cálculos, computadores, engrenagens e graxa. Emseu âmago, a profissão é motivada pelo desejo de contribuir para o avanço da sociedade por meio da apli-cação da tecnologia. A Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME) fez uma pesquisa entreseus membros para identificar as maiores conquistas da Engenharia Mecânica. Essa sociedade profissio-nal é a organização mais importante, destinada a representar interesses da comunidade dos engenheirosmecânicos nos Estados Unidos e em âmbito internacional e a servir a esses interesse. Essa lista das dezprincipais conquistas, resumidas na Tabela 1.1, será útil para você compreender melhor quem são osengenheiros mecânicos e avaliar as contribuições que eles têm proporcionado ao mundo. Em ordemdecrescente do impacto que tais conquistas tiveram sobre a sociedade, a pesquisa identificou os seguin-tes marcos.

Fonte: Compilado da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.

1. O automóvel. O desenvolvimento e a comercialização dos automóveis foram consideradosa conquista mais importante da Engenharia Mecânica no século XX. Dois fatores responsá-veis pelo crescimento da tecnologia automotiva foram os motores leves de alta potência e osprocessos eficientes para a fabricação desses motores em massa. Atribui-se ao engenheiroalemão Nicolaus Otto o projeto do primeiro motor eficiente de combustão interna de quatrotempos. Após um esforço enorme dos engenheiros, esse é o principal motor utilizado comofonte de energia para a maioria dos automóveis (Figura 1.9). Além dos avanços do motor, acompetição no mercado de automóveis levou a avanços na área de segurança, economia decombustível, conforto e controle de emissão de poluentes. Uma das mais recentes tecnolo-gias inclui os veículos híbridos movidos a gás-eletricidade, freios com dispositivo que evitao travamento, pneus de esvaziamento limitado, air bags, amplo uso dos materiais compos-tos, sistemas de controle computadorizado de injeção de combustível, sistemas de navegaçãopor satélite, temporização variável de válvulas e células de combustível.

1. O automóvel 6. A produção em massa de circuitos integrados

2. O programa Apolo 7. O condicionamento do ar e a refrigeração

3. A geração de energia 8. A tecnologia da engenharia auxiliada por computador

4. A mecanização na agricultura 9. A Bioengenharia

5. O avião 10. Os códigos e as normas técnicas

TABELA 1.1 As dez principais conquistas da Engenharia Mecânica.


A ASME reconheceu não apenas a invenção do automóvel, mas as tecnologias por trás dele.Quanto às tecnologias, milhões de veículos foram produzidos por um valor suficiente, para que todasas famílias pudessem comprar um automóvel. Além dos seus esforços de projetar veículos, Henry Fordfoi o pioneiro no emprego das técnicas para produção em massa de veículos, em uma linha de monta-gem, que permitiu aos consumidores de todos os níveis econômicos comprar seus próprios veículos.Por gerar empregos nas indústrias de máquinas-ferramentas, matéria-prima e serviços, o automóveltornou-se um elemento-chave da economia mundial. De fato, a produção do automóvel constitui amaior indústria manufatureira dos Estados Unidos; empregou cerca de um milhão de pessoas e gerou345 bilhões de dólares para a economia, em 1999. Nenhum outro campo da tecnologia criou tantasempresas de revenda ou ofereceu tantas oportunidades de emprego como a indústria automotiva. Desdeminivans a carros esportivos e de luxo, o automóvel – uma das maiores contribuições da EngenhariaMecânica – tem exercido uma influência ubíqua em nossa sociedade e cultura.

2. O programa Apolo. Em 1961, o presidente John Kennedy desafiou os Estados Unidos aenviarem um homem à Lua e trazê-lo de volta à Terra são e salvo. A primeira parte do obje-tivo foi realizada menos de dez anos mais tarde, quando a Apolo 11 pousou na superfície daLua, em 20 de julho de 1969. A tripulação, composta de três homens, Neil Armstrong,Michael Collins e Buzz Aldrin, retornou à Terra alguns dias depois sã e salva. Devido aosavanços tecnológicos e ao profundo impacto cultural, o programa Apolo foi escolhido comoa segunda conquista mais influente do século XX (Figura 1.10).

O programa Apolo baseou-se em três desenvolvimentos principais da Engenharia: o grande veículoespacial de três estágios, Saturn V, que produziu um empuxo da ordem de 7,5 milhões de libras nadecolagem, o módulo de comando e serviço e o módulo de excursão lunar, que foi o primeiro veículoprojetado para voar apenas no espaço. É impressionante observar o desenvolvimento rápido da Apoloquando traçamos sua história. Por centenas de anos, o homem sonhara voar. Esse sonho não foi reali-zado até 1903, quando Wilbur e Orville Wright* – dois despretensiosos mecânicos de bicicleta, de

FIGURA 1.9Os engenheiros mecânicos projetam,testam e produzemmotores a explosão,como este motor de 8cilindros e 5,7 litros.

© 2001 General MotorsCorporation. Usado com permissão dos Arquivos de Mídia da GM.


* NRT: Alberto Santos Dumont, brasileiro, nascido em 20 de julho de 1873, na cidade de Palmira (atual Santos-Dumont), em Minas Gerais, projetou, construiu e pilotou um avião autopropelido motorizado, por ele denomi-nado 14-Bis, com o qual realizou, em 23 de outubro de 1906, o primeiro vôo mecânico autônomo do mundo,devidamente homologado, alcançando a distância de 60 m, em vôo nivelado a uma altura que variava entre 2m e 3 m, cuja duração foi de 7 segundos.

Dayton, Ohio – declararam ter feito o seu primeiro vôo motorizado. Esse vôo, teria durado doze segun-dos e percorrido 120 pés – distância equivalente a, aproximadamente, um terço do comprimento danave espacial Apolo. Apenas 66 anos mais tarde, milhões de pessoas em todo planeta testemunharamo primeiro pouso em solo lunar, ao vivo, pela televisão.

O programa Apolo talvez seja único entre as conquistas da Engenharia, no sentido de que combi-nou os avanços tecnológicos, o espírito de exploração e o patriotismo. De fato, as fotografias da Terra,tiradas do espaço, mudaram o modo como víamos a nós mesmos e nosso planeta. A Apolo, a explora-ção planetária, os satélites de comunicação e mesmo os satélites utilizados para a previsão do temposeriam impossíveis sem a iniciativa e os esforços dedicados de centenas de engenheiros mecânicos.

3. Geração de energia. Um aspecto da Engenharia Mecânica envolve projetar máquinas queconvertem energia de uma forma em outra. Energia abundante e barata é reconhecida comoum fator essencial para o crescimento econômico e a prosperidade, e a geração de energiaelétrica é reconhecida como um grande aprimoramento no padrão de vida de bilhões de pes-soas ao redor do globo. No século XX, sociedades inteiras foram mudadas à medida que aeletricidade era produzida e distribuída para casas, empresas e indústrias. Pense nas muitasmaneiras em que a energia elétrica contribui para as suas atividades cotidianas. Como seriasua vida se você não pudesse depender da eletricidade no momento e no local em que preci-sasse dela? Realmente, nós consideramos a energia elétrica algo natural, e a falta dela é vistacomo algo incomum e intolerável.

Os engenheiros mecânicos desenvolvem tecnologias eficientes, utilizadas para converter várias for-mas de energia armazenada em eletricidade que pode ser distribuída mais facilmente. Os engenheirosmecânicos manipulam a energia química armazenada em elementos combustíveis como o carvão, o gásnatural e o óleo; a energia cinética do vento, que aciona turbinas que produzem eletricidade; a energianuclear em usinas elétricas, navios, submarinos e aeronaves; e a energia potencial dos reservatórios deágua, que alimentam as hidroelétricas. Algumas das questões ligadas à geração de energia são o custodo combustível, o custo da construção de estações e usinas de eletricidade, as emissões de poluentes eo impacto potencial sobre o meio ambiente e a confiabilidade e segurança permanentes. A geração emgrande escala de eletricidade é um exemplo típico da necessidade de os engenheiros equilibrarem a tec-nologia com as considerações sobre o impacto ambiental e a economia. Ao passo que os recursos natu-rais diminuem e os combustíveis se tornam mais caros por causa do custo do próprio elemento e doimpacto ambiental, a Engenharia Mecânica ficará mais envolvida no desenvolvimento de tecnologiasavançadas de geração de energia, incluindo a energia solar, dos oceanos e eólica (Figura 1.11).

FIGURA 1.10O astronauta JohnYoung, comandante damissão Apolo 16,caminha sobre a superfície lunar nosítio de pousoDescartes, enquantosaúda a bandeira dosEstados Unidos. O veículo de exploraçãolunar está parado emfrente ao módulo lunar.

Reimpresso compermissão da Nasa.


4. Mecanização na agricultura. No início dos anos 1900, um agricultor norte-americanoque usava as ferramentas agrícolas e os métodos existentes naquela época era capaz de pro-duzir alimento apenas para um pequeno grupo de pessoas. Com as tecnologias mais eficien-tes do século XX, um agricultor hoje pode produzir o suficiente para alimentar 130 pessoas.Esse aumento da produtividade na ordem de 40 vezes deve-se, principalmente, ao abandonoda tração animal em favor da mecanização. A quarta conquista mais importante da profissãorelaciona-se ao desenvolvimento de tecnologias por engenheiros mecânicos, para melhorar aeficiência da indústria agrícola. A automação teve início, efetivamente, com a introdução dostratores motorizados em 1916 e o desenvolvimento das colhedeiras, que simplificaram muitoo processo de colheita de grãos. Décadas mais tarde, as pesquisas avançaram no sentido dese desenvolver a capacidade das máquinas para realizar colheitas automatizadas de campos,sem a intervenção do homem (Figura 1.12). Outros avanços incluem as observações e previsões

FIGURA 1.12Os veículos-robôs emdesenvolvimentopodem aprender o formato e o tipo deterreno de uma plantação de grãos, efazer a colheita dosgrãos sem praticamente nenhuma supervisãohumana.

Reimpresso com permissão do National RoboticsEngineering Consortium.

FIGURA 1.11Os engenheiros mecânicos projetammáquinas para gerareletricidade a partir deuma variedade de fontes renováveis deenergia. O campo degeração de energiaeólica mostrado aquiincorpora várias turbinas de um milhão de watts.

Reimpresso com a permissão da Enron Wind.


aprimoradas das condições meteorológicas, bombas de irrigação de alta capacidade, orde-nhadeiras automatizadas e bancos de dados informatizados para a gestão de colheitas e con-trole de pragas. À medida que essas tecnologias se tornam comuns, as pessoas passam a sebeneficiar das oportunidades sociais, intelectuais e de emprego nos setores da economia,além da agricultura. A tecnologia da mecanização na agricultura pode ser vista como umfator que torna muitos outros avanços possíveis.

5. O avião. O desenvolvimento do avião e das tecnologias relacionadas, que tornam o vôomotorizado mais seguro, também foi reconhecido pela Sociedade Americana deEngenheiros Mecânicos como uma conquista importante da profissão. A aviação comercialde passageiros criou oportunidades de viagem para fins comerciais e recreativos, e, emespecial, as viagens internacionais tornaram o mundo um lugar muito menor e mais inter-relacionado. O advento da viagem aérea possibilitou às famílias separadas geograficamen-te se reunirem com mais freqüência. Os negócios comerciais são conduzidos em reuniõesface a face entre as empresas localizadas em lados opostos de um país ou mesmo do outrolado do mundo. Os exploradores e colonizadores do passado levavam seis meses para cru-zar a América do Norte em carros de tração animal; as jornadas levavam dois meses porbarco a vapor e diligências; e um trem conseguia completar a viagem em cerca de quatrodias. Hoje, a viagem leva seis horas por avião comercial e é mais segura e confortável doque nunca.

Os engenheiros mecânicos desenvolveram ou contribuíram para o desenvolvimento de praticamentetodos os aspectos da tecnologia da aviação. Uma das principais contribuições deu-se na área da pro-pulsão. Os aviões antigos eram movidos por motores a explosão movidos por pistões, como o motorde 12 HP usado durante os experimentos dos irmãos Wright. Em contraste, os motores da GeneralElectric Corporation, que movimentam alguns dos aviões Boeing 777, podem desenvolver um empu-xo máximo de mais de 100 mil libras. Os avanços na aviação militar de alto desempenho incluem osmotores turbofan vetoriais, que permitem ao piloto redirecionar o empuxo do motor para decolagens epousos verticais (Figura 1.13). Os engenheiros mecânicos projetam os sistemas de combustão, as tur-binas e os sistemas de controle desses avançados motores a jato. Eles também lideraram a descobertae a evolução de materiais aeroespaciais leves, incluindo as ligas de titânio e os compostos de epóxireforçados com fibra de grafite.

FIGURA 1.13Este modelo em escalade uma aeronave estásendo preparado paraser submetido a testesem um túnel de ventosubsônico.

Reimpresso com permissão daNasa.


6. Produção em massa de circuitos integrados. A indústria de componentes eletrônicosdesenvolveu tecnologias notáveis para miniaturizar circuitos integrados, chips de memória decomputadores e microprocessadores. A Engenharia Mecânica fez contribuições importantesdurante o século XX para os métodos de produção envolvidos na fabricação de circuitos inte-grados. O processador de ótima qualidade 8008, vendido inicialmente pela Intel Corporationem 1972, possuía 2.500 transistores; no processador 386TM, disponível nos anos 1980, havia275 mil, e no microprocessador Pentium ® 4, introduzido em 2001, existiam mais de 40 milhõesde transistores (Figura 1.14). Circuitos integrados com milhões de transistores são hoje um itemcomum. Essa razão exponencial do incremento do número dos componentes que podem sermontados em um chip de silicone é geralmente chamada de lei de Moore, em homenagem aoco-fundador da Intel Gordon Moore. Com base nos desenvolvimentos passados, essa observa-ção prevê que o número de transistores que podem ser colocados em um circuito integradodobrará a cada 18 meses. Essa previsão foi feita em 1965 e ainda é verdadeira, embora os enge-nheiros e cientistas estejam trabalhando para avançar os limites fundamentais da física.

Um processo importante na produção de dispositivos semicondutores é a litografia, na qual os padrõesde circuitos intricados são reduzidos a miniaturas e transferidos de um padrão (chamado de máscara)para uma placa de silicone. O aprimoramento dessa tecnologia implica a diminuição do tamanho e daespessura dessas placas, e o aumento da capacidade de memória e de processamento de cálculos emum determinado espaço. As ferramentas litográficas mais avançadas atualmente empregam a radiaçãoultravioleta para imprimir fios tão finos quanto 100 bilionésimos de um metro (100 nanômetros ou 100nm). Para termos uma idéia do que significa esse tamanho minúsculo, o diâmetro de um cabelo huma-no é, aproximadamente, mil vezes a espessura desses fios. Os engenheiros mecânicos projetam máqui-nas, sistemas de alinhamento, controle de temperatura e isolamento de vibração, para tornar possível afabricação de circuitos integrados tão pequenos e precisos.Além de projetar automóveis, aviões e outros sistemas de dimensão macroscópica, os engenheiros mecâ-nicos também constroem máquinas de tamanho realmente microscópico. Esses “sistemas micromecâni-cos” são fabricados pela utilização de várias técnicas litográficas e de isolamento de contaminação usa-das na produção de circuitos integrados, mas o produto final é um mecanismo ou uma estrutura mecânica,em vez de um dispositivo elétrico. Por meio do emprego dessas técnicas, podem-se construir máquinascom peças móveis tão pequenas que são imperceptíveis ao olho humano, podendo ser vistas apenas atra-vés de um microscópio. Como mostra a Figura 1.15, pode-se fabricar engrenagens individuais e depoismontá-las em trens de engrenagens que não são maiores que uma partícula de pólen.

FIGURA 1.14Os engenheiros mecânicos fizeramimportantes contribuições para odesenvolvimento dastecnologias necessárias à fabrica-ção de milhões decomponentes eletrônicos de dispositivos, tais comomicroprocessadores.

Reimpresso com permissão daIntel Corporation.


Jonathan Wickert

INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICAJ

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Outras obras

aCálculo Volumes 1 e 2 – 6 EdiçãoJames Stewart

DinâmicaArthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

EstáticaArthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Mecânica dos MateriaisJames M. Gere

Mecânica dos FluidosMerle C. Potter e David C. Wiggert

aPré-Cálculo – 2 Edição revista e atualizadaValéria Zuma Medeiros (Coord.)

Probabilidade e Estatística para Engenharia e CiênciasJay L. Devore

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Aplicações

Livro recomendado para a disciplina introdução à engenharia mecânica nos cursos de graduação em Engenharia Mecânica.

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Introdução à Engenharia Mecânica - tradução da 2a edição norte-americana