Funcionamento de um motor - Quatro Tempos

1° Tempo - Admissão.

O pistão começa no PMS (Ponto Morto Superior). A válvula de admissão abre e o pistão desce para o PMI (Ponto Morto Inferior), sugando a mistura ar/combustível devido ao aumento do volume do cilindro e conseqüentemente queda de pressão em seu interior, ao final a válvula de admissão é fechada.



2° Tempo - Compressão.
A válvula de admissão fecha, e o pistão sobe do PMI (Ponto Morto Inferior) de volta ao PMS (Ponto Morto Superior), comprimindo a mistura e aumentando a sua eficiência para a combustão. As válvulas de admissão e escape estão fechadas.



3° Tempo - Combustão.
As válvulas de admissão e escape continuam fechadas. No momento certo, o sistema de ignição envia eletricidade à vela de ignição, que dispara uma faísca. A mistura ar/combustível se incendeia, esquentando e expandindo seu volume, empurrando violentamente o pistão para baixo. Este é o único tempo que gera força, todos os outros são como parasitas, necessários para que o motor complete o ciclo. No final desse tempo, a válvula de escape abre.



4° Tempo - Escape.
Quando o pistão passa pelo PMI (Ponto Morto Inferior), a válvula de escape abre e o pistão sobe, empurrando os gases queimados para fora do ciclo. A válvula de admissão está fechada. Depois dessa "limpeza", o cilindro pode então ser novamente preenchido com mistura nova, recomeçando o ciclo.




Cada ciclo de um motor quatro tempos corresponde a duas voltas do virabrequim (meia volta para cada um dos tempos). O virabrequim transforma o movimento linear dos pistões em movimento rotacional, que é ideal para o uso em veículos automotores devido à facilidade de transmissão desse tipo de movimento para as rodas.

Máquina Termica - Aplicação da Segunda Lei da Termodinâmica

A definição de que calor é uma forma de energia só foi estabelecida no século XX, no entanto, já na Antiguidade sabia-se que o calor podia ser usado para produzir vapor e através dele, realizar trabalho. Heron, um inventor grego, no século I d.C. construiu o primeiro dispositivo que funcionava através do vapor produzido pelo aquecimento da água. Esse vapor colocava em rotação uma esfera de metal que estava acoplada à máquina de Heron. Hoje, aos olhos da ciência moderna, o dispositivo criado por Heron é uma máquina térmica, ou seja, ela é um dispositivo com capacidade de transformar o calor, energia térmica, em trabalho mecânico. No entanto, essa máquina criada não foi usada para produzir energia mecânica em grandes escalas. Foi somente no século XVIII que foram construídas as primeiras máquinas térmicas capazes de produzir energia mecânica em escala industrial. As máquinas térmicas criadas no século XVIII apresentavam baixo rendimento e criavam grandes quantidades de combustível. Dessa forma, esses aparelhos acabavam por produzir pequenos trabalhos. Em meados de 1770, o inventor escocês James Watt criou um novo modelo de máquina térmica de grandes vantagens em relação a que já existia na época. A criação de Watt revolucionou a sociedade daquela época. O funcionamento da sua máquina obedecia a segunda lei da termodinâmica, que diz que uma máquina térmica, trabalhando em ciclos, ao retirar calor da fonte quente utiliza parte dele para executar o trabalho e o restante rejeita para a fonte fria. O dispositivo criado por James foi utilizado tanto para movimentar moinhos e bombas, como também para mover locomotiva e barcos a vapor. Por ser mais econômica e com capacidades para realizar trabalhos muito maiores, a máquina de Watt foi empregada também nas indústrias, fato esse que deu início ao desenvolvimento nesse setor, possibilitando dessa forma a revolução industrial que ocorreu no século XIX.



Máquina de Heron

TERMODINÂMICA

A Termodinâmica (do grego θερμη, therme, significa "calor" e δυναμις, dynamis, significa "potência") é o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. A grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. Historicamente, a Termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar a eficiência das primeiras máquinas a vapor.
É bastante conhecido o fato de que qualquer porção de matéria ou determinada substância é constituída de partículas denominadas moléculas. As propriedades deste sistema de partículas são determinadas por suas propriedades termodinâmicas.
Típico sistema termodinâmico, mostrando entrada de uma fonte de calor (caldeira) na esquerda e saída para um redutor de calor (condensador) na direita. Trabalho é extraído, neste caso, por uma série de pistões.
A partir de uma visão macroscópica para o estudo do sistema, que não requer o conhecimento do comportamento individual destas partículas, desenvolveu-se a chamada termodinâmica clássica. Ela permite abordar de uma maneira fácil e direta a solução de nossos problemas. Uma abordagem mais elaborada, baseada no comportamento médio de grandes grupos de partículas, é chamada de termodinâmica estatística.
O ponto inicial para a maioria das considerações termodinâmicas são as Leis da Termodinâmica, que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema físico para outro como calor ou trabalho. Elas também postulam a existência de uma quantidade chamada entropia, que pode ser definida para qualquer sistema..
Em Termodinâmica, interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e categorizadas. Para este estudo, os conceitos de sistema e vizinhanças são centrais. Um sistema é composto de partículas cujo movimento médio define suas propriedades, relacionadas através das equações de estado. Propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos, que são úteis para determinadas condições de processos de equilíbrio e espontâneos.
Com estas ferramentas, a termodinâmica descreve como os sistemas respondem a mudanças em suas vizinhanças. Isso pode ser aplicado para uma ampla variedade de tópicos em ciência e tecnologia, como por exemplo máquinas, transições de fases, reações químicas, fenômenos de transporte e até buracos negros. Os resultados da termodinâmica são essenciais para outros campos da física e da química, engenharia química, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica, biologia celular, engenharia biomédica, ciências dos materiais e economia, para citar alguns.




Típico sistema termodinâmico

Outras Aplicações - Princípio de Bernoulli

Como já vimos anteriormente, o Principio de Bernoulli ou Principio dda Continuidade diz que a pressão interna de um fluido diminui à medida que sua velocidade aumenta. para um melhor entendimento, a seguir. apresentaremos um video com mais aplicações para essa teoria.

Como funciona a asa de um avião ?!

A asa do avião é a grande responsável pelo seu “vôo”. Mas para entender o seu funcionamento temos que lembrar o Princípio de Bernoulli.

O princípio de Bernoulli afirma que a pressão interna de um fuido diminui à medida que sua velocidade aumenta. Esse princípio vale para vários objetos cotidianos, como latas de tinta aerossóis e asas de avião.

Para entender como este princípio aplica-se a asa do avião, devemos observar o formato da asa:




O avião joga o ar para trás através das turbinas ou hélices exercendo uma força chamada de arrasto, surge então uma força contrária chamada impulso ou tração. A força de tração dá o primeiro impulso ao avião que se desloca para frente.


O formato da asa faz com que o ar que passe por cima dela tenha uma velocidade maior que o ar que passa embaixo dela. Isso acontece porque a parte de cima é curva, aumentando a distância percorrida pelo ar e conseqüentemente sua velocidade. Utilizando o princípio de Bernoulli temos que, sendo a velocidade do ar (fluido) maior na parte de cima da asa a pressão é menor, e na parte de baixo, como a velocidade do ar é menor a pressão é maior. Desta diferença de pressão surge a força de sustentação do avião.


Quando a força de sustentação do avião atinge valor maior que o da força peso ele decola e se mantêm no ar.

Princípo de Huygens

Cristian Huygens (1629 - 1695 ), no final do século XVII, propôs um método de representação de frentes de onda, onde cada ponto de uma frente de onda se comporta como uma nova fonte de ondas elementares, que se propagam para além da região já atingida pela onda original e com a mesma freqüência que ela. Sendo esta idéia conhecida como Princípio de Huygens.
Para considerado instante, cada ponto da frente de onda comporta-se como fonte das ondas elementares de Huygens.





A partir desse princípio, é possível concluir que, em um meio homogêneo e com as mesmas características físicas em toda sua extensão, a frente de onda se desloca mantendo sua forma, desde que não haja obstáculos.
Desta forma :

Relevância das "Frequências Naturais"

A natureza, cada vez mais, tratuzida atravéz dos tempos por seus ciêntistas e pensadores. Trata-se na prática, de um enorme somatório de fatores físico-químicos que formam uma dispertante e incrível escala de fenômenos naturais. Se observada do ângulo certo pode nos incitar a uma interpretação de um sistema, segundo uma estrutura de conceitos mentais ou experimentais.


Onda de choque

Imagens do teste da bomba atômica americana. É possível notar a onda de choque se expandindo a frente da bola de fogo produzida pela detonação.

Onda de choque é uma onda caracterizada por ser um distúrbio em propagação onde propriedades como velocidade, pressão, temperatura ou densidade variam de maneira abrupta e quase descontínua. Esta onda pode ocorrer tanto em meios físicos, propagando-se de maneira mecânica, quanto em campos como o campo elétrico e o campo magnético.

Ondas sonoras podem ser entendidas como flutuações de pressão. Por tanto, não se propagam no vácuo.Uma onda de choque se forma nos gases sempre que a velocidade do gás é maior que a velocidade do som nele. Quando um avião atinge exatamente a velocidade do som, as ondas sonoras que ele está emitindo passam a se condensar a sua frente por estarem se propagando na mesma velocidade. As ondas sonoras propagam-se em meios sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das diferentes características dos materiais. De um modo geral, as velocidades maiores ocorrem nos sólidos e as menores, nos gases. A 20°C, o som propaga-se no ferro sólido a 5100 m/s, na água líquida a 1450 m/s e no ar a 343 m/s.

Isto provoca um aumento da pressão nesta região gerando uma onda de choque que também recebe o nome de estrondo sônico ( Sonic Boom) notado em aviões que quebram a barreira do som. Para estes aviões, formas especiais de fuselagem se tornam necessárias para superar os efeitos de encontrar esta onda de choque. Efeito semelhante pode ser observado em trens de alta velocidade quando entram em túneis.

Outra onda de choque muito comum é o trovão. Quando uma descarga elétrica de grande intensidade corta a atmosfera na forma de um raio, provoca um aquecimento muito intenso que leva a uma expansão rápida do ar ao redor do raio. Como a velocidade da expansão excede a velocidade do som, ouvimos o estrondo sônico na forma de um trovão.

Uma onda de choque envolvendo partículas é a causa do Efeito Tcherenkov. Quando uma partícula acima da velocidade da luz atravessa um meio isolante, libera energia em forma de radiação eletromagnética que pode estar dentro do espectro visível o que possibilita observar um rastro brilhante marcando sua passagem.

Efeito Tcherenkov
Radiação de Tcherenkov em um reator de pesquisas TRIGA.

Embora, de acordo com a teoria da relatividade restrita, a velocidade da luz no vácuo não possa ser ultrapassada, a velocidade da luz em um meio material pode ser bem menor que aquela do vácuo. Assim em um meio material é possível uma partícula eletricamente carregada (como um elétron ou um próton) se deslocar com velocidade superior à da luz naquele meio (V > c/n).

Singularidade de Prandtl-Glauert
F/A-18 e a nuvem devida à singularidade de Prandtl-Glauert

Ocorre uma onda de choque semelhante, quando um avião supersônico quebra a barreira do som. Esta onda de choque óptica leva a emissão de radiação eletromagnética. São isolantes os meios nos quais esta radiação pode aparecer. Este tipo de efeito é usado para a detecção de partículas com altas energias.

Esquema do fenômeno.

Singularidade de Prandtl-Glauert é um fenômeno que ocorre, sob determinadas condições atmosféricas, no instante em que há uma queda súbita da pressão do ar, e que pode ser observado na forma de uma nuvem de condensação cônica, quando um avião voa próximo da velocidade do som, conquanto ainda haja controvérsia sobre a causa do fenômeno. Trata-se de um exemplo de singularidade matemática na aerodinâmica.
Se a umidade do ar é suficiente, pode produzir-se a condensação mesmo quando o objeto se move a uma velocidade inferior à do som, conforme se pode observar no vídeo da exibição de um F-18 em Salinas, Califórnia, voando próximo da água, onde as condições de umidade são maiores.

Velocidade supersônica

Avião ultrapassando a velocidade do som. O cone braco é formado por gotículas de água condensada, devido à súbita queda de pressão em regiões ao redor da aeronave.

Avião ultrapassando a velocidade do som

Veículo Protótipo ultrapassando a velocidade do som



A velocidade supersônica se refere a qualquer velocidade acima da velocidade do som, que é aproximadamente 343 m/s (ou 761 mph, ou 1255 km/h ao nível das águas do mar). Muitos caças são supersónicos. O Concorde foi um avião civil supersónico, de transporte de passageiros. Velocidades acima das 5 vezes a velocidade do som são muitas vezes referidas como hipersónicas.


Voo de talude

Um planador com hélice cimitarra fazendo voo de talude em Lock Haven, Pensilvânia, Estados Unidos da América.
Voo de talude ou voo de colina é uma técnica de voo que tem como objectivo manter a altitude num planador, ao aproveitar o ar ascendente produzido pelo vento ao encontrar um obsctáculo vertical (talude ou colina). Algumas aves, especialmente aves marinhas e aves de rapina também fazem uso deste tipo de voo.
Mesmo em um voo de talude, considerado de baixa velocidade, é possível se enfrentar questões sobre ressonância, ou frequência natural, em sua engenharia.

Nos últimos 10 anos ocorreram no Brasil, cerca de 4 acidentes mortais com planadores em 2 dos quais, o fenômeno de "flutter", esteve presente, e ao que tudo indica, o desconhecimento deste fenômeno, parece ter contribuído substancialmente.

O "flutter" (ressonância aeroelástica), é um comportamento natural de um sistema em geral e como exemplo temos os casos de "Shimmy" de rodas de automóveis e os circuitos de rádio e televisão. Sintonizar um aparelho é alterar os seus elementos de modo a fazê-lo "ressoar" numa certa freqüência. Assim o "flutter" em aviões ou planadores, nada mais é do que mais um caso particular deste fenômeno vibratório geral

Ressonância Aeroelástica - Efeito Flutter

A freqüência natural de cada objeto é determinada por sua massa e rigidez. Aumentar a massa (ou peso) de um objeto reduz ou abaixa a sua freqüência natural. Aumentar a rigidez do objeto, como por exemplo aumentar a tração de uma corda do violão, aumenta ou sobe sua freqüência natural.

O fato de que cada objeto tem pelo menos uma freqüência natural não implica em um problema. Mas, um problema de vibração excessiva pode acontecer como resultado da coincidência de uma freqüência natural da máquina com uma freqüência inerente de funcionamento dela. Quando isso acontece, o problema é denominado de “Ressonância”.

Do ponto de vista da vibração, a ressonância atua como um amplificador mecânico. Mesmo forças pequenas ou normais tais como o desbalanceamento residual, ou o desalinhamento, as forças hidráulicas ou aerodinâmicas, ou ainda as forças magnéticas em motores, que normalmente resultam em pequenas ou insignificantes vibrações, podem vir a ter amplitudes de vibração extremamente altas se uma delas excitar uma condição de ressonância.

Ressonância é uma causa muito comum de vibração excessiva em máquinas porque:
1. Máquinas são uma reunião de diversos elementos diferentes como tubulações, mancais e seus pedestais, bases, itens acessórios como bombas de lubrificação e etc. É claro que cada um desses componentes tem a sua própria freqüência natural.
2. A rigidez de cada componente de uma máquina é diferente em direções diferentes. Como resultado, cada componente da máquina terá várias freqüências naturais. Por exemplo, considere o mancal de um ventilador, a rigidez desse mancal é diferente nas direções horizontal, vertical e axial. Consequentemente, as freqüências naturais desse item em particular também serão diferentes para cada uma das direções.

Portanto, é fácil de entender porque a ressonância é um fenômeno muito comum em máquinas, basta observarmos a quantidade de componentes que uma máquina tem, cada um deles com múltiplas freqüências naturais, basta somente uma freqüência de excitação gerada pelo equipamento coincidir com uma dessas freqüências naturais para a ressonância acontecer e os níveis de vibração resultantes serem bastante elevados. Apesar de várias máquinas recém instaladas e postas em serviço poderem não exibir esses problemas no futuro é possível acontecer a ressonância devido à mudança de rigidez que ocorreu graças ao desgaste interno, a perda de parafusos, a acomodação estrutural, a deterioração da base, etc.




Referências
• Dallas Murphy, “Rounding the Horn” (New York: Phoenix Books, 2004), p. 221.
• McKnight, TL & Hess, Darrel (2000). Katabatic Winds. In , Physical Geography: A Landscape Appreciation, pp. 131-2. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0-13-020263-0
• Rios, J. L. P. – Modelos Matemáticos em Hidráulica e no Meio Ambiente no Simpósio Luso-Brasileiro sobre Simulação e Modelação em Hidrâulica. APRH – LNEC. Lisboa, 1986.
• Site: http: www.mhfpreditiva.com.br ; Data: 10/03/10

• HALLIDAY, David, RESNICK, Robert & KRANE, Kenneth S. Fisica 2. 4a edicao. Rio de Janeiro: LTC Editora, 1996.

• TIPLER, Paul Allen. Fisica para Cientistas e Engenheiros, vol. 2. 3ª edicao. Rio de Janeiro: LTC Editora, 1995.

• Site: http://sites.google.com/site/planadoresbrasil/seguranca-de-voo/flutter ; Data: 12/03/10