APS – ATIVIDADE PRATICA SUPERVISIONADA ENGENHARIA CIVIL 4° SEMESTRE CAMPUS – ANCHIETA 2014 UNIP – Universidade Paulista Guindaste Hidráulico Trabalho de conclusão do semestre, APS- Atividades práticas supervisionadas, apresentado a banca examinadora da UNIP- Universidade Paulista, no curso de Engenharia básico. São Paulo, 2014 TURMAS EC4R39 EC4S39 Integrantes ADRIANO SANTOS BARBOSA RA B58845-4 CARLOS YANO RA B852DD-0 CRISTIAN PAPA ZUCHI RA B8055J-2 DOUGLAS DA SILVA RA T31229-9 EDUARDO ALVES PEREIRA RA B86651-9 ELIZANDRA SAMPAIO RA B58EDJ-2 MARCOS PAULO BATISTA RA B87240-3 MARINA MARTINS FERNANDES DA SILVA RA B69CJJ-3 RAFAEL PAULINO RA B80JBI-1 VICTOR ANDRÉ DE PAULA E SILVA RA B79564-6 Índice Introdução 5 Objetivo 6 Princípio de funcionamento de um eletroímã 7 Desenvolvimento Teórico: Braço Hidráulico 11 Materiais e cálculos 16 Desenho técnico (esquema hidráulico e elétrico) 19 Etapas de construção 20 Testes Preliminares 21 Planilha de Custos 22 Conclusão 23 Bibliografia 24 Introdução Será abordado no Projeto do APS – Atividade Pratica Supervisionado, o tema de pesquisa “Guindaste Hidráulico”, ilustrando o conceito e destacando a importância da realização das atividades propostas, como instrumento de divulgação dos resultados obtidos. Tendo como princípio os fundamentos obtidos na matéria Fenômenos de transporte, complementos de física, dinâmica do sólido. O Projeto refere-se em seu ponto principal ao desenvolvimento de um guindaste hidráulico, o qual deverá ser executado de acordo com alguns requisitos pré-estabelecidos, como: para a construção o guindaste, deverá ser montado sobre uma base (fornecida pelo aluno) e com o sistema hidráulico composto por seringas descartáveis, mangueiras, controle do sistema hidráulico do guindaste, o material que será utilizado para a construção do guindaste é de livre escolha. Objetivo O Projeto APS – Atividade Pratica Supervisionada, tem como objetivo projetar e construir um protótipo de guindaste movido a fluido (água). Através do proposto, o Projeto também envolve como gerenciar e executar um projeto que visa encontrar soluções para um determinado problema, bem como trabalhar em grupo, abordando a organização, prazos, viabilidade, análise relacionada à qualidade, através de planejamento, pesquisa e execução do projeto. Elaboração de relatórios abordando o tema do projeto de pesquisa. Princípio de um eletroímã O eletroímã é um dispositivo formado por um núcleo de ferro envolto por um solenoide (bobina). Quando uma corrente elétrica passa pelas espiras da bobina, cria-se um campo magnético, o qual faz com que os imãs elementares do núcleo de ferro se orientem, ficando assim imantado e, consequentemente, com a propriedade de atrair outros materiais ferromagnéticos. Abaixo temos um eletroímã e um imã com suas respectivas linhas de campo. No eletroímã as linhas de campo entram em uma extremidade e saem na outra, já no imã, elas entram em um polo (polo sul) e saem no outro (polo norte) de maneira praticamente igual. Foi por esse motivo, de apresentar comportamento semelhante ao de um imã quando percorrido por uma corrente elétrica, que esse dispositivo ficou conhecido como eletroímã. O fato de ter um núcleo (barra de ferro) no interior da bobina gera um campo magnético muito intenso e devido a essa propriedade os eletroímãs têm muitas aplicações, dentre elas, podemos destacar: nos motores, nas campainhas, nos telefones, na indústria de construção naval e no guindaste eletromagnético. O eletroímã é um dispositivo que utiliza corrente elétrica para gerar um campo magnético, semelhantes àqueles encontrados nos ímãs naturais. É geralmente construído aplicando-se um fio elétrico espiralado ao redor de um núcleo de ferro, aço, níquel ou cobalto ou algum material ferromagnético. Quando o fio é submetido a uma tensão, o mesmo é percorrido por uma corrente elétrica, o que gerará um campo magnético na área a este aspecto, espira através da Lei de Biot-Savart. A intensidade do campo e a distância que ele atingirá a partir do eletroímã dependerão da intensidade da corrente aplicada e do número de voltas da espira. A passagem de corrente elétrica por um condutor produz campos magnéticos nas suas imediações e estabelece um fluxo magnético no material ferromagnético envolto pelas espiras do condutor. A razão entre a intensidade do fluxo magnético concatenado pelas espiras e a corrente que produziu esse fluxo é a indutância. Eletroímã O pedaço de ferro apresenta as características de um ímã permanente, enquanto a corrente for mantida circulando, e o campo magnético pode ser constante ou variável no tempo dependendo da corrente utilizada (contínua ou alternada). Ao se interromper a passagem da corrente o envolto pelas espiras pode tanto manter as características magnéticas ou não, dependendo das propriedades do mesmo. · Só exerce ação magnética enquanto circula corrente elétrica; · Sua imantação pode ser aumentada ou diminuída facilmente, basta aumentar ou diminuir a intensidade da corrente elétrica; · Sua polaridade pode ser facilmente invertida, basta inverter o sentido da corrente elétrica. Campo magnético em um eletroímã Campo magnético existe em todos os fios que transportam eletricidade, dá para comprovar isso com um simples experimento: Coloque a bússola sobre a mesa e, com o fio perto da bússola, conecte, por alguns segundos, o fio entre as extremidades positiva e negativa da pilha. O que você vai perceber é que a agulha da bússola se desloca. Inicialmente, a bússola irá apontar para o polo norte da Terra, ao conectar o fio à pilha, a agulha da bússola oscila, visto que essa agulha é um pequeno ímã com um polo norte e um polo sul. Considerando que a agulha é pequena, ela é sensível a campos magnéticos pequenos. Então, o campo magnético criado no fio, pelo fluxo de elétrons, afeta a bússola. Aplicações Guindaste eletromagnético em operação. Eletroímãs são usados em diversos aparelhos, como motores, faróis de carro, campainhas e discos-rígidos. Nos autofalantes, são usados dois ímãs: um permanente e um eletroímã, que é ligado e desligado na frequência adequada, indo para a frente e para trás, como um pistão, fazendo o cone vibrar e produzir o som. Eletroímãs mais poderosos são utilizados para separar o lixo em ferros-velhos, ou nos portos para colocar contêineres em navios. Disjuntores O disjuntor é um eletroímã que funciona como interruptor de circuitos. É usado quando se quer proteger um dispositivo qualquer M de correntes muito elevadas. Esse dispositivo M é ligado em série com a bobina do eletroímã, de maneira que a mesma corrente i que passa por M também passa pela bobina. A armadura A do eletroímã é sustentada pela mola m de tal maneira que para valores admissíveis de i ela não se desloca para os polos. Telégrafo Funcionamento do telégrafo O princípio de funcionamento de um telégrafo é o seguinte: são colocados em série um gerador G, um eletroímã E e um interruptor C. Esse interruptor tem uma mola M que mantém o circuito aberto. Para fecharmos o circuito precisamos apertar o “botão” B do interruptor. Quando um operador fecha o circuito em C, o eletroímã atrai a sua armadura A. Então a haste AD gira ao redor do ponto O, e um estilete, colocado em D, encosta em uma fita de papel que se desenrola de um cilindro P. Esse estilete fica encostado no papel durante todo o tempo em que o interruptor C permanecer fechado. Assim, se se fechar o interruptor por um instante, aparecerá na fita de papel um ponto. Se se fechar C por algum tempo aparecerá na fita um traço. Como se sabe, em telegrafia as letras do alfabeto são representadas por combinações de traços e pontos. Assim, um observador, atuando no interruptor C pode mandar uma mensagem a outro que receba junto ao eletroímã, colocado à distância muito grande. Nas instalações telegráficas, em vez de se usarem dois fios para a condução da corrente, uma para ida e outro para volta, usa-se um só, o outro fio é substituído pela terra. Desenvolvimento Teórico: Guindaste Hidráulico MÁQUINAS HIDRÁULICAS Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham provendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento. Classificação: As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em: · Máquinas operatrizes – Insere no líquido em escoamento a energia externa, ou seja, transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor elétrico, por exemplo) em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade (exemplo: bombas hidráulicas). · Máquinas Motrizes – Transformam energia do líquido e a transferem para o exterior, isto é, transformam energia hidráulica em outra forma de energia (exemplos: turbinas, motores hidráulicos, rodas d’água e etc.). · Mistas – Máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui (exemplos: os ejetores e carneiros hidráulicos). O princípio básico de qualquer sistema hidráulico é muito simples: a força que é aplicada em um ponto é transportada para outro ponto por meio de um fluido incompressível. O fluido é quase sempre algum tipo de óleo. A força é quase sempre amplificada no processo. As máquinas hidráulicas são instrumentos capazes de multiplicar forças aplicadas ao sistema. Bombas Hidráulicas Volumétricas São máquinas operatrizes que cedem energia ao líquido com o objetivo de transportá-lo de um ponto a outro. Normalmente recebem energia mecânica e transformam em energia hidráulica. As bombas hidráulicas volumétricas, ou de deslocamento positivo são aquelas em que a movimentação do líquido é causada pela movimentação de um dispositivo mecânico de bomba, cujo movimento, que vai de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, direciona o deslocamento do líquido na direção que se deseja ter na máquina ou dispositivo. São exemplos de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas. GUINDADESTES HIDRÁULICOS O Princípio de Pascal Os guindastes hidráulicos possuem uma construção bem simples, mas podem executar tarefas difíceis que de outra forma pareceriam impossíveis. Em questão de minutos, essas máquinas são capazes de levantar vigas de muitas toneladas para pontes em autoestradas, equipamento pesado em fábricas ou até mesmo erguer casas de praia sobre pilastras. Apesar das diferentes aplicações, todas as máquinas hidráulicas têm em comum a possibilidade de serem explicadas a partir do princípio de Pascal. O princípio de Pascal foi enunciado, em 1652, pelo famoso físico e matemático Blaise Pascal, o qual, por meio de experimentos com líquidos, verificou que o aumento de pressão em um ponto do líquido é igual ao aumento provocado em outro ponto. Pascal enunciou esse fato da seguinte forma: “A pressão aplicada a um fluido enclausurado é transmitida sem atenuação a cada parte do fluido e para as paredes do reservatório que o contém”. Esse é um princípio muito importante, pois explica o funcionamento das máquinas hidráulicas. Aplica-se uma força de intensidade F sobre o pistão de menor área provocaremos um acréscimo de pressão no líquido, de forma que esse acréscimo vai se distribuir por todos os pontos do fluido até chegar ao pistão de maior área. Ao alcançar este, surgirá uma força de baixo para cima fazendo com que o objeto que está do outro lado seja suspenso. Esse princípio de funcionamento se aplica aos freios hidráulicos dos automóveis e a presa hidráulica, por exemplo. Sabemos que a diferença de pressão entre dois pontos (A e B) de um líquido pode ser escrita como: PA - PB = d.g.h Essa fórmula é descrita na Lei de Stevin, que está relacionada com verificações que podemos fazer sobre a pressão atmosférica e a pressão nos líquidos. Nos estudos no campo da hidrostática, quando consideramos um líquido qualquer que está em equilíbrio, temos grandezas importantes a observar, tais como: massa específica (densidade), aceleração gravitacional local (g) e altura da coluna de líquido (h). Quando aplicamos uma força na superfície do líquido, ambos os pontos sofrerão um acréscimo de pressão (ΔPA e ΔPB), aumentando o valor das pressões iniciais para um valor Pfinal. PAfinal = PA + ΔPA PBfinal = PB + ΔPB Em líquidos incompressíveis, a distância (h) que os pontos A e B guardavam, inicialmente, continua constante. Então podemos escrever que: ΔPA - ΔPB = d g h Muitos líquidos podem ser considerados incompressíveis, logo apresentam forças reativas às forças de compressão através de variações imperceptíveis no espaçamento entre suas moléculas. A força de compressão a que nos referimos relaciona-se à pressão sofrida pelo líquido que é dada pela fórmula geral, P = F/A: Onde a pressão é igual à pressão, F é a variação da força aplicada no sistema e A é a área da superfície de interesse. Ou seja, se aumentarmos a pressão em um ponto do fluido, esta será sentida em todo e qualquer ponto com a mesma intensidade. O Funcionamento do Guindaste Hidráulico No presente estudo, o guindaste hidráulico funcionará da seguinte forma: No guindaste, a articulação é montada com duas tiras de madeira e uma dobradiça, há metade de um cano PVC colado à cada um dos lados de uma das tiras de madeira, que age como suporte às seringas, que estão fixadas no cano e na outra tira de madeira sem o suporte do cano, fazendo com que as seringas, posicionando-se de forma horizontal. Da ponta dessa seringa, sai um tubo fino, que se liga à outra seringa que não está diretamente ligada ao guindaste. Essa seringa “externa” contém água. A força (medida em Newtons) feita seringa “externa”, pressiona o êmbolo das seringas ligadas ao guindaste. Quando o fluido (água) é pressionado para o outro êmbolo, ele produz uma força também proporcional a esta área. Quando se pressiona o êmbolo da seringa “externa”, é extremamente difícil de impedir que o êmbolo ligado ao guindaste maior suba, pois, como já foi explicado pelo princípio de Pascal, a força nele é muito maior. Há também um eletroímã ligado a extremidade da tira de madeira que não contém os canos PVC acoplados. Este eletroímã auxilia o guindaste a “pegar” objetos (no caso, metálicos) para que possa levantá-los. O sistema explica os Princípios de Pascal e Stevin e simula o funcionamento de qualquer dispositivo hidráulico, como freios de automóveis, direção hidráulica e braço mecânico hidráulico, por exemplo Materiais e Cálculos Materiais: · Cano de PVC 2" · Seringa comum · Tinta guache · Parafuso com porca · Parafuso universal · Parafuso em L · Rolamento de skate · Tabua de MDF · Mangueira para aquário · Cinta plástica · Cola para tubos e conexões · Abraçadeiras · Pilha Grande · Fio esmaltado · Botão tic-tac Cálculos: Calculo da pressão no cilindro (movimento vertical do braço). Cilindro 120ml – fixo no braço Diâmetro = 26,65mm = 2, 665 cm A = A = = 5,58 cm² Cilindro 20ml – controlado pelo operador d=21,80mm = 2,18cm A = A = = 3,73 cm² P = P = 2,41 N/cm² ( pressão exercida pelo cilindro do operador ) F= A.P F=5,58. 2,41 F= 13,45 N ( força transmitida para o cilindro fixo no braço). Calculo da pressão no cilindro (movimento vertical do antebraço) Foto ilustrativa. Detalhe da posição dos cilindros A e B. 12 Cilindro 20ml – fixo no braço Diâmetro = 14,50 =1,45 cm A = A = = 1,65 cm² Cilindro 20ml – controlado pelo operador Diâmetro = 14,50 =1,45 cm A = A = = 1,65 cm² P = P = 5,45 N/cm² ( pressão exercida pelo cilindro do operador ) F= A.P F=5,45. 1,65 F=9 N (força transmitida para o cilindro fixo no Braço). Calculo da pressão no cilindro Cilindro 20ml – fixo no braço Diâmetro = 14,50 =1,45 cm A = A = = 1,65 cm² Cilindro 20ml – controlado pelo operador d=14,50mm = 1,45cm 13 A = A = = 1,65 cm² P = 5,45 N/cm² (pressão exercida pelo cilindro do operador) F= A.P F=1,65. 5,45 F=9 N (força transmitida para o cilindro fixo no Braço). Calculo da pressão no cilindro Cilindro 20ml – fixo no braço Diâmetro = 12,60 =1,26 cm A = A = = 1,25 cm² Cilindro 20ml – controlado pelo operador Diâmetro = 12,60 =1,26 cm A = A = = 1,25 cm² P = P = 7,2 N/cm² (pressão exercida pelo cilindro do operador) 14 F= A.P F=1,25. 7,2 F=9 N (força transmitida para o cilindro fixo no Braço). Desenho técnico (esquema hidráulico do braço, e elétrico do eletroímã) Etapas de Construção 1º Levantamento dos materiais necessários; 2º Construção da Base em MDP incluindo o campo de Prova; 3º Recorte das tubulações (PVC); 4º Montagem do braço e acoplamento do rolamento para dar o seu giro de 90°; 5º Instalação da parte Hidráulica (Seringas); 6º Passagem do fio esmaltado por todo o braço; 7º Instalação das pilhas e chaveta (tic-tac); 8º Ligação final do fio esmaltado, prego e pilhas. Testes Preliminares Esperamos que o projeto Guindaste Hidráulico consiga movimentar objetos na vertical, com auxilio do eletroímã aplicando uma força na seringa com diâmetro menor, assim transmitindo a força através do fluido (água) para a seringa de diâmetro maior para que o movimento se complete. Custo de projeto Custos do projeto - Braço Hidráulico Materiais Preço Seringa Comum R$ 12,00 Tinta Guache R$ 2,00 Parafuso com porca R$ 9,90 Parafuso Universal R$ 9,90 Parafuso em L R$ 9,90 Mangueira para aquário R$ 12,00 Cinta plástica R$ 3,55 Abraçadeiras R$ 8,69 Pilha Grande R$ 29,90 Botão tic tac (já tínhamos) R$ - Fio esmaltado (já tínhamos) R$ - Cola para tubos e conexões (já tínhamos) R$ - Tabua de MDF (já tínhamos) R$ - Rolamento de skate (já tínhamos) R$ - Cano de PVC (já tínhamos) R$ - Total R$ 97,84 Conclusão Concluímos que (APS) é uma atividade que envolveu criatividade, e faz com que o aluno adquira conhecimento teórico e prático. O guindaste hidráulico nos mostra que o princípio básico de qualquer sistema hidráulico, será, a força que é aplicada em um ponto é transportada para outro ponto por meio de um fluido incompressível, e essa força é quase sempre amplificada no processo. Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham provendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento. Trabalhamos também, com o eletroímã que têm muitas aplicações, pelo motivo de ter um núcleo no interior da bobina gerando um campo magnético muito intenso. Referências Bibliográficas: Braço Hidráulico e Aplicação do Princípio de Pascal – ENGLER, Guilherme. GOMES, Luís E. SICCO, Mayara S. e Cia. – Simpósio de Bases Experimentais de Ciências Naturais – Universidade Federal do ABC (UFABC), 2011. Acesso em 06 de Novembro de 2014.Disponível em: < http://becn.ufabc.edu.br/guias/energia/resumo/EN_E1_N_03.pdf> Aplicação Do Braço Hidráulico Como Aula Prática - MARTINATTO, Kael. MIELKE, Fernanda – 12º Mostra de Produção Universitária – RS, Outubro de 2013. Acesso em 06 de Novembro de 2014. Disponível em: < www.propesp.furg.br/anaismpu/cd2013/ens/2320.doc> Máquinas Hidráulicas – DEHA – Universidade Federal do Ceará. Acesso em 06 de Novembro de 2014. Disponível em: Braço Mecânico Hidráulico – Acesso em 06 de Novembro de 2014. Disponível em: Máquinas Hidráulicas: a Aplicação do Princípio de Pascal – SILVA, Marco A. – Brasil Escola – Acesso em 06 de Novembro de 2014. Disponível em: Como Funcionam as Máquinas Hidráulicas – BRAIN, Marshal – How Stuff Works – Acesso em 06 de Novembro de 2014. Disponível em: Como Funcionam os Guindastes Hidráulicos – BONSOR, Kevin – How Stuff Works – Acesso em 06 de Novembro de 2014. Disponível em: < http://ciencia.hsw.uol.com.br/guindastes-hidraulicos.htm> RESNICK, HALLIDAY, KRANE – Fundamentos de Física 2. 5º Edição, Editora LTC. MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de física. 5ª ed. São Paulo: Scipione, 2000. CARVALHO NETO, C. Z. OMOTE, N. & PUCCI, L. S. Física vivencial. São Paulo: Laborciência Editora, 1998. 20