terça-feira, 2 de outubro de 2012

Guindaste de Eletroímã

"A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original"
Albert Einstein 



Guindaste com Eletroímã


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.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.





Obs: A Lei de Biot-Savart é uma equação do Eletromagnetismo que fornece o campo magnético  gerado por uma corrente elétrica  constante no tempo. Essa equação é válida no domínio da Magnetostática. Podemos dizer que a Lei de Biot-Savart é o ponto de partida para a Magnetostática, tendo assim um papel semelhante à Lei de Coulomb na Eletrostática.


Objetivo do Trabalho

A montagem de um guindaste de eletroímã tem como objetivo, introduzir os conceitos básicos de campo magnético gerado por uma espira condutora acrescentando assim aos futuros pesquisadores diferentes modos de interagir com a ciência. Através desse trabalho os alunos poderão se aprimorar e ter um maior desejo pelo conhecimento, aplicando a teoria aprendida em sala de aula com a prática do dia-a-dia.


Materiais Utilizados
Para construção do Guindaste de eletroimã foram utilizados os seguintes materiais. 
  • Madeira (ripas e retalho de viga de 12)
  • Presilha de cabo coaxial
  • Molinete de pesca
  • Suporte plástico (segurar a pilha)
  • 200mm de cabo flexível de 1,5mm
  • Peça metálica (serrada e soldada)
  • 6 metros de fio esmaltado 1mm de diâmetro
  • Conector elétrico
  • Pilha grande de 1,5v

Construção do Guindaste de Eletroímã


Montagem da estrutura de sustentação do eletroímã, A carcaça foi construída de madeira (conforme a figura abaixo) 


Montagem da pilha com o suporte de sustentação da mesma e ligação do condutor de eletricidade da pilha (conforme mostra a foto abaixo)



Enrolar o fio esmaltado na peça metálica de forma uniforme (conforme mostra a figura abaixo)




Unir os 3 sub-conjuntos formando o guindaste.






Testes


1º teste

Com cabo flexível de 1,5mm
Resultado – geração de calor na extremidade da pilha e pouco campo magnético
Teste com 30 segundo de duração e foi pego 32 gramas de clipes


2º teste 

Com fio de 2,5mm (fio não flexível)
Resultado – geração de calor expressivo na extremidade da pilha e um ganho considerável no campo magnético
Teste com 20 segundo de duração e foi pego 67 gramas de clipes

3º teste 

Com fio esmaltado com dois metros de comprimento
Resultado – sem geração de calor e campo magnético considerável
Teste com quatro minutos e  foi pego 107 gramas de clipes


Descrição de 5 grandezas físicas envolvidas no projeto.

1- Corrente elétrica;
2- Eletromagnetismo;
3- Estática;
4- Carga elétrica;
5- Campo magnético.


Conclusão

Através da atividade desenvolvida demostramos o funcionamento de um eletroimã e explicamos experimentalmente a teoria eletromagnétiva envolvida neste dispositivo. Se uma pequena pilha de 1,5 Volts, através de uma equipamento artesanal tem a potência para sustentar uma quantidade enorme de clipes (os quais não têm centro gravitacional estável), devemos aguçar nossa mente para que possamos entender a fisica no cotidiano, pois tudo o que há ao nosso redor é física. E através da física podemos tornar o nosso ambiente de vivência em um lugar mais sustentável. 
 

quarta-feira, 13 de junho de 2012

Carrinho de Ratoeira


“A Conservação da Energia apenas pode ser compreendida se tivermos a fórmula para todas as suas formas.”

                                                                                          Richard Feynmann



Carrinho Movido a Ratoeira


Introdução:
A finalidade deste desafio é desenvolver métodos eficazes de transformação de energia potencial em cinética. Para isso, serão  aplicados conhecimentos sobre máquinas simples para construir um veículo que usará uma ratoeira para propulsão. A eficiência da máquina é crucial, pois vencerá a competição o veículo mais rápido e que não queime os limites da pista.


A física envolvida:


Energia
Desde o início do século XX, a humanidade tem passado por um processo de transformações sem precedentes na História. A produção industrial e agrícola cresce continuamente, as cidades tornam-se cada vez maiores e esse processo tem uma conseqüência: precisa-se cada vez mais de energia.

Com o aperfeiçoamento das máquinas, foi possível diminuir seu tamanho e aumentar sua potência. Inicialmente as máquinas eram usadas como bombas de água, depois passaram a ser usadas na indústria têxtil e serrarias. No final do século XVIII, surgem as primeiras locomotivas.


O que é energia?
Apesar de sua enorme presença na vida de todos e de sua importância como conceito científico nas explicações dos fenômenos naturais, é muito difícil expressar por meio de uma definição o que é energia.  Em física existe uma definição: energia é a capacidade de realizar trabalho. Mas essa definição não agrada nem mesmo aos físicos, pelas limitações que ela tem. Quando vemos uma lâmpada iluminando uma sala dizemos que ela está emitindo energia luminosa. É difícil imaginar como essa energia luminosa, emitida pela lâmpada e que se espalha pela sala, pode ser vista como uma "capacidade de realizar trabalho".


Assim, a compreensão do conceito de energia não vem do conhecimento de sua definição, mas sim da percepção de sua presença em todos os processos de transformação que ocorrem em nosso organismo, no ambiente terrestre ou no espaço sideral. No mundo macroscópico, das galáxias, estrelas e dos sistemas planetários, ou no microscópico, das células, moléculas, dos átomos ou das partículas subatômicas. 




Tipos de energia
Podemos encontrar vários tipos de energia, dos quais se destacam duas categorias associadas ao movimento: energia potencial (energia de posição) e energia cinética (energia do movimento), que somadas nos dão a energia mecânica.


 Em = Ep + Ec


Na categoria geral de energias do tipo potencial estão as energias que representam um potencial de interação armazenado por via de uma determinada posição relativa. Estas energias podem ser libertadas e convertidas noutras formas de energia, alterando o estado do sistema. A energia potencial está associada a uma força restauradora (tende a puxar um objeto à sua posição inicial quando o objeto é deslocado).


Energia Potencial
A energia potencial é um tipo de energia que está relacionada com a configuração do sistema, ou seja, esta relacionada com as posições do objeto. Podemos dizer também que energia potencial é a energia que pode vir a se torna energia cinética. Existem vários tipos de energia potencial, as mais conhecidas são as: gravitacional e a elástica.

A fórmula da energia potencial gravitacional é:


Ep.g = m . g . h


A fórmula da energia potencial elástica é:


E = ( k . x² ) / 2


Energia Potencial Elástica
  Na ratoeira serão usadas molas de distendimento e compressão radial também conhecidas como molas de torção sendo que as equações e conceitos das molas de flexão, que são as mais comuns, não poderão ser aplicadas a estas.
            Molas de torção são aquelas cuja solicitação predominante é a da torção. A mola de torção mais simples é chamada barra de torção. É constituída por uma barra de seção circular de eixo retilíneo, presa por uma extremidade e sujeita na extremidade livre a um momento que age num plano normal ao eixo da barra. Age como mola quando coliga elasticamente dois órgãos mecânicos que devem submeter-se a afastamentos angulares elásticos relativos. O coeficiente de rigidez torcional é dado por  Kt = Mt/j  e representa o momento torsor necessário para que a seção da extremidade livre da barra gire de um ângulo j = 1 radiano; este é tanto maior quanto maior é o módulo de elasticidade transversal G do material e do momento de inércia polar Jp, da barra, e quanto menor é o comprimento l da barra. Demonstra-se, também, que a energia potencial elástica absorvida pela barra é igual a (1/2) K.


            Neste projeto a mola que aciona a ratoeira é na verdade um reservatório de energia potencial. Quando a ratoeira é armada, esta mola armazena uma boa quantidade de energia, que depois se transforma em energia cinética quando ela se desarma, ou seja, se transformará em energia cinética pois o carrinho irá adquirir movimento. 


Primeira Lei de Newton

Lei I: Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele.

Conhecida como princípio da inércia, a Primeira lei de Newton afirma que a força resultante (o vetor soma de todas as forças que agem em um objeto) é nulo, logo a velocidade do objeto é constante. Consequentemente:
Um objeto que está em repouso ficará em repouso a não ser que uma força resultante aja sobre ele.
Um objeto que está em movimento não mudará a sua velocidade a não ser que uma força resultante aja sobre ele.
Newton apresentou a primeira lei a fim de estabelecer um referencial para as leis seguintes. A primeira lei postula a existência de pelo menos um referencial, chamado referencial newtoniano ou inercial, relativo ao qual o movimento de uma partícula não submetida a forças é descrito por uma velocidade (vetorial) constante.  



No momento em que desprendemos a haste e fazemos com que energia potencial elástica seja transformada em energia cinetica. A energia cinética demonstra que o carrinho de ratoeira está em movimento, e esse continuará em movimento até que seje aplicado uma força contra contraria ao movimento. A principal força contraria ao movimento é a Força de Atrito.



Força de Atrito
Definimos força de atrito como uma força contrária ao movimento de um corpo. A força de atrito aparece em razão das rugosidades existentes nas superfícies dos corpos. O atrito depende da força normal entre o objeto e a superfície de apoio, quanto maior for a força normal maior a força de atrito. Matematicamente podemos calcular a força de atrito a partir da seguinte equação:Fat = μ.N., na qual Fat é a força de atrito; μ é a constante de atrito do material e N é a força normal, referente à força exercida pelo piso no carrinho.
           
Temos dois tipos de força de atrito:

Coeficiente de atrito dinâmico ou cinético: presente a partir do momento que o corpo efetua deslocamento.

Coeficiente de atrito estático: presente quando o corpo se encontra na iminência do movimento, ou seja, no princípio da atuação da força externa. A força de atrito estático é maior que a força de atrito dinâmico.


 Relação Velocidade x Atrito
Em condições normais, o automóvel “arranca” sem que as rodas escorreguem sobre a estrada, isto é, sem derrapar, e portanto o atrito é estático. Se o carro “arrancar” derrapando, o atrito é cinético. Pressionando o acelerador, aumentamos a velocidade de rotação das rodas, ω, e portanto a velocidade do centro de massa, vCM (notar que vCM = ωR, sendo R o raio das rodas). A força de atrito estático (de módulo variável) tem de aumentar. Enquanto ela não atingir o valor máximo, o carro pode acelerar. Como a força de atrito cinético tem módulo inferior a esse valor máximo, podemos concluir que se consegue uma maior aceleração ao “arrancar” com atrito estático, isto é, evitando que o carro derrape.
            No carrinho esta relação deverá ser bastante relevada pois o sucesso do carrinho depende do seu deslocamento e portanto derrapadas no início do movimento serão apenas desperdício da força acumulada na mola da ratoeira e portanto deverá ser evitada. Por essa razão nas rodas serão colocadas faixas de borracha para que o atrito entre a roda e o chão aumente.
           

Velocidade angular
Para caracterizar a rotação de todos os pontos de uma roda, basta saber qual o ângulo formado por um ponto qualquer em relação ao ponto central em um determinado intervalo de tempo.

A velocidade angular (w) é expressa por: 

w = (deslocamento angular)/(intervalo de tempo) = Dj/Dt ... (rad/s)

           Nota 1: Rodas acopladas a um mesmo eixo têm mesma velocidade angular, mesmo período e mesma freqüência (ilustração abaixo, esquerda): 


w1 = w2  <==>  V1/r1 = V2/r2  <==>  V1/V2 = r1/r2



Por essa razão serão usadas rodas maiores pois para uma mesma velocidade do eixo será imprimida uma velocidade menor na roda o que resulta em menor velocidade do centro de massa e por fim menor velocidade do carrinho, aumentando o atrito em relação ao chão.
O centro de massa acima citado seria o carrinho se o considerássemos como um ponto e que normalmente se relaciona com o centro de gravidade que por sua vez é o ponto de equilíbrio do corpo.







Terceira Lei de Newton

Lei III: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: ou as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em direções opostas.

A Terceira lei de Newton, ou Princípio da Ação e Reação, diz que a força representa a interação física entre dois corpos distintos ou partes distintas de um corpo. Se um corpo A exerce uma força em um corpo B, o corpo B simultaneamente exerce uma força de mesma magnitude no corpo A— ambas as forças possuindo mesma direção, contudo sentidos contrários. Como mostrado no esquema ao lado, as forças que os esquiadores fazem um no outro são iguais em magnitude, mas agem em sentidos opostos. Repare que, embora as forças sejam iguais, as acelerações e ambos não o são necessariamente: quanto menor a massa do esquiador maior será sua aceleração.
As duas forças na terceira lei de Newton têm sempre a mesma natureza. A exemplo, se a rua exerce uma força ação para frente no pneu de um carro acelerando em virtude do atrito entre este pneu e o solo, então também é uma força de atrito a força reação que empurra o asfalto para trás.
De forma simples: a força é a expressão física da interação entre dois entes físicos: há sempre um par de forças a agir em um par de objetos, e não há força solitária sem a sua contra-parte. As forças na natureza aparecem sempre aos pares e cada par é conhecido como uma par ação - reação.

Aplicando a terceira lei de Newton encontramos a reação Normal. Em física, força normal é uma força de reação que a superfície faz em um corpo que esteja em contato com esta, essa força é normal à superfície.
É utilizada para calcular a força de atrito
Lembrando que a força normal é igual, EM MÓDULO, a força peso no caso de planos paralelos e coincidentes, mas não constituem um par de ação e reação.
A força peso é uma força de campo, enquanto a força normal é uma força de contato. Para constituirem um par de ação e reação, ambas deveriam ser forças do mesmo tipo.
Quando se pressiona uma campainha há a força normal do seu dedo contra a campainha, ao mesmo tempo que existe a reação (Terceira lei de Newton): a campainha faz força contra o seu dedo.
É a força de superfície contra superfície.
A força normal existe sempre que há contato entre o corpo e a superfície de apoio, independentemente de essa superfície ser ou não horizontal. A direção da força é sempre perpendicular à superficie de apoio.




terça-feira, 27 de março de 2012

Ponte de Macarrão




Objetivo do trabalho: Realizar a construção e de uma "ponte de macarrão" a partir de espaguete e cola de acordo com um conjunto de regras, e medidas pré-estabelecidas pelo órgão julgador da disciplina. A ponte passará por um ensaio destrutivo, e esse ensaio determinará a ponte mais resistente e vencedora. Esse trabalho tem como finalidade relacionar a Ciência e a tecnologia com o cotidiano dos alunos.

Funcionamento: a ponte será colocada entre dois apoios, superando um vão livre de 50 cm. Uma barra atravessará a ponte no seu ponto médio e sustentará o dispositivo em que serão colocados os pesos.

Regras: a ponte deverá ser entregue e construída e o tipo de estrutura ficará ao critério dos construtores da ponte. A carga será aplicada no centro da ponte e será fixada por uma barraque atravessará a ponte transversalmente.
O fator de desempenho, f, de cada ponte será determinado pelo quociente entre máxima massa suportada pela ponte antes de sua ruptura. O participante cuja ponte atingir o maior fator de desempenho será declarado vencedor. Os únicos materiais permitidos para construção da ponte de macarrão serão macarrão espaguete nº08 e cola, e não poderá sofrer nenhum tipo de revestimento ou pintura.
A cola poderá ser qualquer, contanto que seja transparente. A função da cola será apenas a de unir os fios de macarrão e não estrutural, portanto não serão aceitas colas tipo “durepox”.
A ponte deverá ter como massa total no máximo 250g. A ponte deverá cobrir um vão livre de 50 cm entre as superfícies de apoio e deverá também ter uma largura entre um valor mínimo 5 cm e máximo de 12 cm. A altura máxima da ponte, medida verticalmente desde seu ponto mais baixo até o seu ponto mais alto, não deverá passar 50 cm. Serão os próprios competidores que colocarão os pesos que serão pendurados nas pontes. Os participantes acatam totalmente todas as regras contidas no presente regulamento.

                                                                                                                           

Ponte





Ponte é uma construção que permite interligar ao mesmo nível pontos não acessíveis separados por riosvales, ou outros obstáculos naturais ou artificiais. As pontes são construídas para permitirem a passagem sobre o obstáculo a transpor, de pessoasautomóveiscomboioscanalizações ou condutas de água (aquedutos). Quando é construída sobre um curso de água, o seu tabuleiro é frequentemente situado a altura calculada de forma a possibilitar a passagem de embarcações com segurança sob a sua estrutura. Quando construída sobre um meio seco costuma-se apelidar de viaduto. Abaixo alguns tipos de pontes movéis:
  




O projeto


Com finalidade de obter maiores resistencias serão evitadas geometrias cuja resistencia é minima (figura 1), e utilizadas geometrias de maior resistência (figura 2). Pode-se observar que a figura 2, tem mais apoios, isto faz com que a ponte distribua de forma mais uniforme as forças atuantes.

(fig 1)



(fig 2)




Na realização do nosso projeto, atraves de pesquisas realizadas, observamos que as pontes treliçadas serviriam mais para o nosso proposito, pois elas se encaixam melhor no perfil da ponte construida.  As treliças são compostas de várias pequenas vigas que juntas podem suportar uma grande quantidade de peso e vencer grandes distâncias. Quanto maior o numero de treliças maior a distribuição do peso e consequentemente maior será a capacidade da ponte.  Na maioria dos casos, o projeto, construção e erguimento de uma ponte treliçada é relativamente simples. Contudo, uma vez instaladas, as treliças ocupam uma grande quantidade de espaço em relação ás pontes de vigas.

(exemplo de ponte com treliças)




Principais forças


(os pontos A, E são os pontos de apoio da ponto, enquanto os pontos B, C, e D, são os pontos onde terão a maior concentração de força)




Devido às hipóteses simplificadoras, os elementos de uma treliça, atuam como barras de duas forças. Se uma força tende a alongar o elemento, é chamada de força de tração. Se uma força tende a encurtar o elemento, é chamada de força de compressão.






Tração (fig a)
Os cabos de sustentação, indo de um ancoradouro ao outro, são os sortudos que têm de aguentar as forças de tração. Os cabos são literalmente esticados para suportar o peso da ponte e de seu tráfego. Os ancoradouros também estão sob tração, mas já que eles, assim como as torres, estão presos com firmeza no solo, a tração que eles sentem acaba sendo dissipada.

Compressão (fig b)
A força de compressão é exercida para baixo sobre a plataforma da ponte suspensa, mas como é uma plataforma suspensa, os cabos transferem a compressão para as torres, que dissipam essa força diretamente sobre o solo em que estão fixadas.



A construção











Conceitos físicos utilizados no projeto

   1º Equilíbrio estático de um ponto material
2º- Momento de uma força
3º Equilíbrio do corpo extenso
4º Primeira lei de Newton 

Materiais utilizados: Macarrão tipo espaguete nº 8, cola tenaz, cola de cura rápida, lixa (para moldar as pontas das barras de macarrão), plástico para forrar o local de trabalho.

1º passo: realização de pesquisas e estudos para definir o formato, o design, e o modo de entrelaçamento das estruturas.

2º passo: realização de cálculos achando o centro gravitacional, e as forças que seriam exercidas em cada parte da ponte. Foi constatado com esses cálculos que a região de maior estresse e de provável rompimento da ponte ser no centro da mesma, com essa informação foi realizado o desenho da ponte no software Auto CAD, para dimensionamento da ponte e de suas estruturas, evitando que o ponto central (ponto critico) da ponte fosse reforçado.  Lembrando que algumas medidas são pré-estabelecidas.

3º passo: seleção do material utilizado: algumas marcas de macarrão apresentavam ressecamento, foi escolhida a marca que menor apresentava sintomas de ressecamento.

4º passo: foi colocado um plástico na mesa para que no momento da cura em que os filetes do macarrão grudassem entre si, e não na superfície de apoio.

5º passo: realizado a pesagem do macarrão menor que o limite máximo da competição que é 250 gramas. Foi diluído agua em cola tenaz para pudéssemos hidratar o macarrão pela cola e pela agua, permitindo a penetração do solvente da cola na estrutura do macarrão, tornando-o um material menos quebradiço e mais resistente à tensão. Essa mesma solução de agua + cola tenaz, foi utilizada para unir os macarrões entre si. Foram feitas barras de 9 filetes de macarrão, sendo que foram coladas de 3 em 3 filetes.

6º passo: foram cortadas as barras nas dimensões de acordo com o desenho, e lixadas as pontas, fazendo com que o encaixe fosse o melhor possível.

7º passo: foram unidas e coladas as barras para a formação da ponte. Após a cura da cola, em seu nós, foram colocado cola de cura rápida para maior resistência da ponte.

8º passo: teste não destrutivo da ponte, na realização desse teste foi colocada uma massa de 4.000 gramas na parte superior da ponte. Enfim a ponte estava pronta para competição.


A competição

A competição foi realizada no dia 23/03/2012 e teve como vencedor o grupo 12, que continha a ponte de massa = 154,71 grama e suportou a massa de 3325,57 gramas, isto equivale a 212,42 vezes a massa da ponte.
O nosso grupo teve um resultado abaixo desse sendo a massa da ponte de 232,15 gramas e a massa suportada de 5001,59 gramas, sendo que a ponte aguentou 21,54 vezes o valor da sua própria massa. Veja o resultado final abaixo:



Resultado


Fotos da competição















Conclusão

Concluímos que esse projeto tem importância significativa no aprendizado de física, pois através dele colocamos em prática aquilo que aprendemos em sala de aula. Nesse projeto é aplicado diretamente as leis de física e podemos ver que as vezes materiais de pequena capacidade física podem se agrupados de forma adequada aguentar várias vezes a sua própria massa. Podemos concluir também que as ponte de forma de arco possuíram maior poder de carga, sendo que estas possuem menas concentração de tensão, pois o próprio arco da ponte dissipa a tensão,em relação as pontes retangulares. Podemos observar também que o início da ruptura da ponte, quase sempre foi no seu ponto médio, isto demonstra que as principais atuam nesse ponto. Esse projeto é muito importante para o nosso desenvolvimento.



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