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.