New DESAFIO JOVEM ENGENHEIRO · 2019. 9. 19. · 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

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.