DESAFIO JOVEM ENGENHEIRO

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
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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
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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
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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
1s =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.