DESAFIO JOVEM ENGENHEIRO
2015
Criativando
Fernando Bryan Frizzarin
Luis Gustavo de Souza
Matheus Marini de Francesco
Pedro Victor Alves Ferreira
1.Introdução
Nesse ultimo desafio tentamos mostrar ao máximo todo o conhecimento
aprendido no Desafio Jovem Engenheiro e ao longo do Ensino Médio.
Tentamos manter nosso pensamento de engenheiro, aprendido no desafio, para
pesquisar sempre que possível e trabalhar com o máximo de hipóteses para
sair da teoria e começar a prática.
Esse desafio foi marcado pela grande dificuldade de desenvolver
dispositivos que transformassem energias primárias em, muitas vezes,
mecânica. Embora planejado o desafio nos propôs um dinâmica de tentativa e
erro, no entanto, nossa equipe soube lidar bem com essa situação, já que
persistimos em consertar nossas falhas.
Nos atentamos na ideia de utilizar produtos domésticos e fazer o mais
próximo de um experimento caseiro, no entanto, embora caseiro, sempre
mantemos o conhecimento científico e tentamos provar através de cálculos
nossa teoria.
2.Materiais
Os materiais usados nessa etapa final foram, em muitas vezes, doados
pelos membros da equipe e conhecidos.
2.1 Materiais comprados pela equipe
Palitos de picolé - 50 uni. - R$ 2,90 qtde: 4
Palitos de churrasco - 100 uni. - R$ 4,10 qtde: 1
Refil de cola quente - R$ 1,20 qtde: 5
Bolinha de isopor - R$ 0,80 qtde: 2
Linha elástica - 2m - R$ 1,00 qtde: 1
2.2 Materiais doados pelos membros
Colher plástica - 12 uni.
Barbante
Palitos de picolé - 50 uni. - qtde: 1
Palitos de churrasco - 100 uni. - qtde: 1
Parafusos - qtde: 4
Cabo de vassoura - qtde: 2
Latinha 269ml - qtde: 2
Latinha 250ml - qtde: 1
Garrafa de vidro 355ml - qtde: 1
Tampa de desodorante - qtde: 1
Elásticos - qtde: 4
Folha de fichário - qtde: 10
Roldanas de armário - qtde: 4
Cano PVC - 4m
Cotovelo PVC - qtde: 2
Fita isolante - qtde: 1
Lata de leite em pó - qtde: 1
DUREPOX - qtde: 1
Pastilha de Peltier - qtde: 1
Pote de achocolatado em pó - qtde: 2
Tampa de desodorante - qtde: 1
2.3 Materiais doados pelo campus
Caixas de papelão - qtde: 4
Bexiga - qtde: 6
Arame – 4m
Driver de DVD quebrado
3.Dispositivos
3.1 Moinho de Água
- Energia utilizada
Nesse dispositivo utilizamos a energia potencial da água,
portanto, simulamos uma represa que, em nosso caso, transformou a energia
potencial da água em energia mecânica.
- Funcionamento
Esse dispositivo funciona em duas etapas. Na primeira a energia
potencial da água faz com que um moinho gire, e então, enrola um barbante
em seu eixo, que por sua vez exerce uma força em uma corda que por um
sistema simulando uma polia fixa troca o sentido da força para nossa
catapulta. Na segunda etapa a energia potencial do elástico faz com que a
bolinha de isopor voe.
-Mecanismo
Moinho de Água
Sua estrutura, feita de palitos de picolé e churrasco, é baseada
em um hendecágono que possui 12 ângulos internos, onde,
neles, estão presentes as colheres plásticas que servem para
barrarem a água. Com a força das colheres move a estrutura a
que por sua vez gira o eixo (cabo de vassoura) que traciona o
fio. A estrutura b serve apenas para o apoio.
Catapulta
Sua base é feita apenas de palitos de picolé e uma tampa de
desodorante ( para suporte da bolinha ), é para impulsionar a
bolinha é usado um elástico.
-Calculos
A energia potencial é calculada por :
m*g*h
Onde :
m – massa da água
h – altura da água
g – gravidade
Adotaremos a gravidade sendo 9.8 m/s² , a altura como 2m
(altura que a caixa de água se encontra da torneira) e a massa de água sendo
750kg (3/4 do reservatório de 1000L cheio). Logo, temos:
EPG = 750 x 2 x 9.8
EPG = 14 700 J
Com um teste simples calculamos qual é a vazão da água por
minuto. Com uma garrafa PET de 2 litros e com um cronometro vimos
quantos litros de água são fornecidos por segundo já que em 9.37 segundos
enchemos a garrafa.
9.37 s = 2000 ml
1 s = X
X = 213ml
Identificamos então que tínhamos 213ml em um segundo, e
então, constatamos em quantos segundos eram necessários para se dar uma
volta.
Para ver isso, usamos de um barbante de um metro preso no eixo
do moinho e então ao coloca-lo em prática vimos que demoramos X segundos
para ter um metro enrolado.
O raio do eixo é de 1cm ou seja, sua circunferência (2 x PI x
0,01m) é de 0,06m. Nesse teste demos 16 e 2/3 de voltas(desconsideraremos
os 2/3) em 11 segundos, logo:
11s = 16v
1s = Xv
Xv = 1,45
1,45*60 =87 rpm
Temos então que seu rpm é de 87 voltas por minuto.
Cálculos das forças de nossa catapulta
Com a equação da força elástica calculamos a constante de nosso
elástico. A equação é:
Eelastica = (k*x²)/2
Onde:
K – constante elástica
X – deformação do elástico
Para obter o valor de k que é N/m fizemos um experimento simples.
Medimos o elástico sem aplicar força alguma e tinha 7cm. Logo depois
colocamos um objeto de massa conhecida (237g) amarrado no elástico e
obtivemos uma deformação de 3,5 cm.
Entao:
K = (0.237*9.8) / 0.035
K = 66,36N/m
Com este resultado sabíamos a constante k. Então nos bastou apenas a
usar na equação na Energia elástica para saber quanto de energia seria
fornecido para a bolinha.
O x da equação foi calculado pela deformação máxima possível em
nossa catapulta que foi de 6cm.
A energia necessária para ter a catapulta carregada no máximo:
Eelas = (66,3 * 0,06²) / 2
Eelas = 0,11J
E a força necessária para puxar tudo isso era de:
Felas = (66,3 * 0,06) / 2
Felas = 1.9N
-Problemas enfrentados
Nesse primeiro dispositivo os problemas foram muitos. Apenas tivemos
que reforçar a base e também reforçar sua ponta de apoio, pois ao testar
percebemos que seu peso onde água batia fazia com que a mesma tombasse.
Então com apenas alguns pedaços de palitos de picolés resolvemos o
problema.
Um outro grande problema foi nosso sistemas de roldanas que não foi
usado no desafio por apresentar problemas na hora de puxar. O sistema era
simples pois havia apenas 2 roldanas fixas e uma móvel. A ideia era fazer com
que nosso moinho precisasse de apenas metade da força para puxar a
catapulta, no entanto essa ideia não foi concretizada.
No entanto nosso principal problema foi foi utilizar cola quente para fixa-la e
quando a molhou os palitos absorveram água e soltaram a cola, então, foi só uma questão
de tempo até que tudo fosse ao chão.
3.2 Catavento
- Energia utilizada
Em nosso terceiro dispositivo utilizamos a energia eólica que foi
transformada para mecânica. Transformamos então energia limpa em energia
útil.
- Funcionamento
Esse dispositivo funciona de forma simples. Primeiro uma série
de 4 hélices faz com que um eixo (cabo de vassoura) gire e assim tracione um
fio, fazendo-o se desenrolar em um lado e enrolar em outro, assim assim
locomovendo uma espécie de teleférico onde a bolinha se encontra.
-Mecanismo
Este mecanismo, embora simples, traz uma estrutura complexa
para o compensamento de peso. A parte b é a parte de sustentação do eixo
solto que serve apenas para comportar e segurar o outro lado do teleférico. Já
a parte a é a parte onde contém o cata-vento e seu eixo que puxa a corda a seu
favor. Nessa parte que se encontra a maior parte deste experimento pois é nela
que há a troca de energias de energia primária eólica para energia mecânica.
-Cálculos
Para iniciarmos os cálculos, começaremos com o calculo de
quantos rpm no cata-vento faz. Para o esse teste faremos semelhante ao teste
aplicado no moinho de água. Com uma circunferência de 0,06m fizemos o
teste com uma linha de 0,3m que isso representava 5 voltas no eixo. Com 2.41
s foram dadas as 5 voltas ou seja, em um minuto seriam dadas 124 voltas
(rpm).
Para que a bolinha ande seus 50 cm é necessário apenas 10 voltas,
ou seja, 5segundos é o tempo ( em condições iguais aos dos testes) para a
bolinha atravessar de um lado para o outro do cata-vento.
-Problemas enfrentados
Nesta etapa enfrentamos alguns problemas. O esperado era que, ao
invés de um teleférico, fizéssemos uma esteira que pela qual a bolinha seguiria
mesma finalidade chegaria ao outro lado. No entanto, ao começar os primeiros
testes foi visto que o nosso catavento não possuía força suficiente para rodar a
esteira feita de folha de fichário. Em uma segunda tentativa, fizemos essa
esteira mais leve e menor (usando metade das folhas) no entanto enfrentamos
mais um problema pois o eixo começou a girar em falso. Então colocamos
elásticos no eixo para assim aumentar o atrito e girar a esteira, mas novamente
falhamos, pois após alguns segundos de uso percebemos que o mesmo
enroscava. Retiramos os elásticos e tentamos por sua vez, fazer uma espécie
de sistemas de engrenagens, onde na parte de baixo da esteira havia pedações
de palitos de churrascos e no eixo também, assim os dois se atracavam e um
puxava o outro. Dessa maneira tudo funcionou bem, a não ser o meio da
esteira que pendia ao chão com tanto peso dos palitos. Então, nossa equipe
decidiu fazer o teleférico por com um sistema fácil de deslocamento e sendo
leve fez com que logo nos primeiros testes já fosse decidido que o usaríamos.
-OBS
Esse foi o nosso melhor de dispositivo pois foi nele em que obtivemos
nosso melhor desempenho.
3.3 Motor Stirling
- Energia utilizada
No ultimo dispositivo utilizamos a energia biomassa.
- Funcionamento
Um pistão feito de palha de aço se move por dentro de meia lata
de alumínio com o calor da fonte de calor. Ao se deslocar para cima o mesmo
gira um eixo que pressiona o arda bexiga para baixo, assim, o ar frio vai para o
pistão novamente fazendo com que o mesmo esfrie e vá para baixo assim
recomeçando o processo.
Ao fazer este processo o movimento feito pelo arame faz com que
gire um CD, que por sua vez, roda um linha que faz com que um carrinho se
desloque com a bolinha.
-Mecanismo
O mecanismo é feito com duas latas de alumínio (550 ml), com
um cotovelo de pvc, durepox, arame e uma bexiga.
-Problemas enfrentados
Com certeza esse foi nosso dispositivo de maior dificuldade. Ao todo
foram feitos 3 motores stirling. Gastamos mais de 8 dias para a a confecção do
mesmo, e quando fizemos, o motor não rendeu o esperado e permaneceu
rodando por apenas 5 voltas. Queríamos por ele, mostrar os conhecimentos
aprendidos em nossa jornada DJE no entretanto nossa falta de noçoes
mecânicas nos dificultou a terminar esse dispositivo.
3.4 Gerador de Peltier
- Energia utilizada
No ultimo dispositivo utilizamos a energia biomassa,
representado pelo água quente da lata.
- Funcionamento
Duas latas de azeite são acopladas uma a outra e entao a pastilha
de peltier é posta ao meio. Em uma lata colocamos água fria, e em outra água
quente. Utilizamos do processo inverso da pastilha e tornamos energia térmica
em energia elétrica. Assim, com a energia feita, ligamos em uma motor de
driver de DVD onde ele se movimenta.
-Mecanismo
O mecanismo é dividido em duas partes : latas com água e
motorzinho.
Latas com água
As latas de azeite foram coladas face a face para assim
podermos colocar a pastilha entre as duas e então obter o
processo inverso.
Motorzinho
Com um motor de dvd fizemos um tipo de roda gigante onde
leva a bolinha de um lado até o outro sem nenhum problema.
-Cálculos
Para essa etapa calculamos tudo de forma simples. Como o motorzinho
de dvd precisa deslocar a bolinha por, no mínimo, 50cm, fizemos uma conta
simples. Se utilizamos apenas os primeiros 180 graus para deslocar a bolinha
o raio da roda gigante deveria ser:
50cm = PI * r
15,9 = r
Com apenas palitos de churrasco fizemos nossa roda gigante.
-OBS
Esse foi considerado pela nossa equipe o dispositivo mais encantador de
se trabalhar. O fato dele transformar calor em energia elétrica foi algo que nos
surpreendeu
3.5 Gêiser enlatado
- Energia utilizada
No ultimo dispositivo utilizamos a energia geotérmica,
representado pelo vapor que sai da lata, uma energia tão limpa quanto a eólica
mas em situações reais muitas vezes de difícil acesso.
- Funcionamento
As duas partes desse ultimo desafio são: a parte onde a bolinha
anda (barquinho) e a parte onde gera a energia (latinha). Colocamos a latinha
com mais ou menos 100ml de água em cima de uma fonte de calor onde ela
atinge 100ºC e começa sua ebulição. Quando o vapor começa a sair pelo furo
a uma forca, esse vapor leva um barquinho a navegar sobre a água por 50cm.
-Mecanismo
Nessa ultima etapa o mecanismo não é difícil de entender. Ele
está separado em duas etapas: lata com água e barquinho.
Lata com água
Uma lata de refrigerante de 250ml com 100ml de água (a) é
colocada em cima de uma fonte de calor a partir de um suporte
c.O local onde a fonte de calor é acessa é a base de uma lata de
alumínio de 550ml (c) onde o combustível posto. Seu suporte
foi feito com 4 parafusos, dois pedaçes de 12cm de cabo de
vassoura e com mais ou menos 50cm de arame (b).
Barquinho
Como o barquinho não é nosso principal alvo nessa etapa
fizemos ele de maneira simples apenas utilizando papel e
alguns palitos de churrasco.
-Cálculos
Os cálculos que fizemos nesse experimento foi a da quantidade de calor
necessária e o tempo necessário partindo da nossa fonte de calor.
Para sabermos a quantidade de calor necessária para esquentar a água e
depois evapora-la adotamos algumas condições do dia do experimento.
Considerando que a água estava a 22ºC inicialmente primeiro
precisávamos calcular quanto de energia era necessário para chegar ao seu
ponto de ebulição. Usamos desta equeção:
Q = m * c * Δθ
Onde:
Q – quantidade de calor senível
m- massa do corpo
Δθ – variação de temperatura
C - calor específico da substância que constitui o corpo
Já que usamos apenas 100ml de água em nossa lata, faremos os
cálculos.
Q = 100 * 1 * (100 – 22)
Q = 7 800 cal
Passando para jaules:
1 cal = 4,186 J
7 800 cal = X
X = 32 650,8J
Então apenas para deixar a água a 100ºC foi preciso 32kJ. Então
calculamos quanto seria preciso para transformar a água em vapor pela
equação:
Q = m * l
Onde:
Q – quantidade de calor
M – massa
l – calor latente ( buscado na internet)
Com nossos dados fica:
Q = 100 * 540
Q = 54 000cal
Passando para jaules:
1 cal = 4,186 J
58 000 cal = X
X = 242 788J
Então a total energia necessária para transformar a água em vapor
era de 275 438,8J.
Com os conceitos aprendidos no desafio 2 para calcular a partir
da fonte de calor:
q = m * PCI
Onde:
Q – quantidade de calor
M – massa queimada
PCI - poder calorífico inferior do combustível
Nossa fonte de calor era álcool que tem PCI igual a 5 500 Kc/L.
Então para sabermos quanto de alccol seria necessário para evaporar
toda a água, fizemos:
90 650,8cal = m * 5500
M = 0,16kg
Constatamos que seria preciso 0,16kg de álcool para água entrar
em ebulição. (isso em um sistema ideal onde a queima é de 100%).
Como nosso sistema tinha rendimento de 40% então precisaríamos de
400 g para fazer a ebulição da água.
-Problemas enfrentados
O ultimo dispositivo foi resolvido sem muitos problemas. O único
problema enfrentado foi a falta de energia da fonte de calor, pois antes era
feito com uma fogueira e a mesma não conseguia fornecer o calor necessário
para tão transformação.
4.Conclusão
Concluímos que: não só nesse desafio, mas com todo o DJE, que
engenharia não é apenas teoria e sim uma prática muitas vezes não tão exata.
Fomos posto a prova de todos os conhecimentos adquiridos ao longo do nosso
ensino médio e vimos que realmente sair das quatro paredes da teoria escolar
pode ser muito bom.
O que nos marcou nessa jornada foi a amplitude das áreas da engenharia
e isso fez com que nossos olhos fossem abertos e descobríssemos essa
maravilhoso mundo exato. Compreendemos que ser engenheiro pode ser algo
muito trabalhoso entretanto é algo muito gratificante também e pela primeira
vez, em nosso mundo acadêmico, tivemos que utilizar nossos conhecimentos
aprendidos em 3 anos em um único desafio e isso foi realmente incrível.
Infelizmente o fato de nossos membros serem de cidades diferentes fez
com que tivéssemos um total problema para gravar o vídeo final e é com
muita tristeza que o entregamos assim e embora não tivemos êxito em
terminar por completo o ultimo desafio, nosso objetivo foi atingido pois desde
de a primeira atividade queríamos apenas aprender mais sobre engenharia.
Gostaríamos de deixar claro também que não conseguimos entregar o vídeo
não por falta de tempo da tarefa e sim por falta de tempo de nós, alunos. Nos
dedicamos muito para essa final e tentamos muito fazer com que o DJE fosse
uma marca em nossa vida academica.