Projeto Integrador de Veículo Autônomo com Propulsão de

Dyonata Aquino
Evandro Oliveira
Fabrício Silva
Hugo Habl
Projeto Integrador de Veículo Autônomo
com Propulsão de Ratoeira
Grupo Cadê
UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO
2009/ 1°Semestre
1
Dyonata Aquino
Evandro Oliveira
Fabrício Silva
Hugo Habl
Projeto Integrador de Veículo Autônomo
com Propulsão de Ratoeira
Grupo Cadê
Trabalho de conclusão do projeto integrador
de veículo autônomo apresentado como
requisito da disciplina Introdução a
Engenharia.
Prof° da Disciplina: Wagner Marcelo Pommer
UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO
2009/ 1°Semestre
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SUMÁRIO
Características do Projeto
p. 04
Objetivo do Projeto
p. 04
Referencial Teórico
p. 04
Principais Conceitos Aplicáveis
p. 06
Produto resultante do Projeto Integrador
p. 07
Relação de Materiais
p. 07
Cálculos do Veículo
p. 08
Descrição dos Desenhos
p. 11
Memorial Descritivo
p. 11
Características do carro com energia autônoma
p. 12
Processo de Criação
p. 12
Elaboração do Projeto
p. 13
Referência Bibliográfica
p. 14
Anexos
p. 15
3
“A imaginação é mais importante que o conhecimento”
Albert Einstein
Características do projeto
O protótipo deverá ter uma massa máxima de 500g e poderá ser confeccionado por qualquer
tipo de material. Assim, nosso projeto elaborou um carrinho de 470 g.
O mecanismo de propulsão de energia potencial elástica, tendo nosso grupo escolhido
através do princípio da mola da ratoeira, sendo utilizada uma mola de porta do forno de fogão, pois
tem uma força maior do que a mola de ratoeira.
Após o inicio do movimento o veículo não sofreu interferência humana (dispositivo
autônomo). Este mecanismo é solidário ao veículo, tendo nosso grupo optado por colocá-lo preso ao
chassi do veículo, com transmissão de energia através de uma linha de nylon ligada ao eixo frontal da
roda do veículo. Onde a linha de transmissão será totalmente enrolada no eixo frontal para quando
houver uma força contrária da mola o desenrolar deste cabo transmita uma energia para as rodas
fazendo com que as mesmas girem em um movimento retilíneo uniforme orientado positivamente.
Após o término da operação de desenrolar o cabo, o veículo continuará sua trajetória através da
inércia adquirida durante o percurso.
Durante todo o deslocamento o veículo deverá estar apoiado no solo em pelo menos três
pontos. Para tal, previmos e testamos que estaremos utilizando suporte de CD’s como rodas
localizadas na parte frontal do veículo (2 rodas) e na parte traseira (1 roda).
Objetivo do Projeto
Desenvolver um veículo autônomo movido a energia potencial elástica, desde a concepção do
projeto, construção de protótipo e testes, além do lançamento do veículo aprovado com design
diferenciado para a realização de uma competição nas instalações da UNINOVE.
Referencial Teórico
Considerando que uma mola apresenta comportamento ideal, ou seja, toda a energia que ela recebe
para se deformar ela realmente armazena, então a energia potencial elástica através da aplicação de
uma força contraria na mola pelo enrolamento de um cabo em torno do eixo do veículo faz uma força
contrária de empuxo. No qual após o total enrolamento do cabo em volta do eixo da roda do veículo
e liberação posterior, a mola fará força contrária puxando o cabo e desenrolando o mesmo.
Portanto sempre que um corpo é deformado e mantém a capacidade de diminuir essa deformação
(voltando ao formato original ou não), dizemos que esse corpo armazenou uma modalidade de
energia chamada de energia potencial elástica. Agora, o nome potencial é originado do fato de o
corpo esticado ou comprimido pode adquirir movimento espontaneamente após ser liberado. A
denominação elástica vem do fato de a capacidade de deformar e voltar ao normal ser chama de
elasticidade.
Isto faz com gere uma variação da energia cinética do enrolamento do eixo, pois trata-se da
quantidade de trabalho que teve que ser realizado sobre um objeto para modificar a sua velocidade,
sendo o mesmo principio da energia cinética da trena.
Com isto o eixo iniciará sua rotação, transmitindo o movimento para as rodas movimentando assim o
veículo para frente em um movimento retilíneo uniforme. Onde ao final força contrária da mola e
desenrolamento do cabo, o veículo continuará seu movimento retilíneo em virtude da inércia do
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mesmo. Tendo em vista que a Inércia consiste na resistência que um corpo oferece à alteração do seu
estado de repouso ou de movimento, portanto corpos com massa elevada têm maior inércia do que
corpos com massa pequena. Contudo como nosso veículo tem uma massa elevada, próxima ao limite
permitido, a inércia do veiculo é maior.
Principais Conceitos Aplicáveis
Para projeto e desenvolvimento deste veículo foram aplicados alguns conceitos físicos englobando
duas áreas desta faculdade, a Cinemática Escalar e Dinâmica. Abaixo, na figura 1, estão relacionados
às áreas da física e sua aplicação no veículo desenvolvido.
Forca de
Atrito
Energia
Cinética
(transmissão)
Energia
Potencial
El á s t i c a
Força
Resultante
Forca de
Atrito
Força
Resultante
Figura 1: Esquema das energias envolvidas no protótipo.
Princípios da Cinemática Escalar envolvidos no projeto Integrador
- Movimento retilíneo
O movimento retilíneo consiste em um móvel percorrer uma distância conhecida, por um
determinado tempo, podendo existir aceleração deste móvel dependendo se há ou não alteração da
velocidade durante o tempo percorrido.
No veículo de propulsão elástica apresentado foi calculada a velocidade final, tendo os dados de
distância percorrida, bem como o valor da aceleração que o objeto apresenta. Pois durante o trajeto
a velocidade do corpo variou com o tempo, apresentando assim características para o cálculo de
aceleração média (MRUV – Movimento Retilíneo Uniformemente Variado).
Para o cálculo desta velocidade média foi utilizada a Equação de Torricelli, pois esta fórmula
equaciona a velocidade obtida com o espaço percorrido pelo móvel.
- Aceleração Média
Assim como a velocidade indica uma taxa de variação de posição com o tempo, a aceleração descreve
uma taxa de variação da velocidade com o tempo. Define-se aceleração média como o quociente
entre a variação da velocidade e o intervalo de tempo correspondente, porém para o cálculo do
nosso veículo foi calculada através da fusão das duas áreas da Física (cinemática e dinâmica), sendo
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calculado através do quociente da Força resultante com a massa do corpo, determinando assim a
aceleração do objeto.
DINAMICA:
- 1º Lei de Newton
A 1º lei de Newton consiste em, “quando a força resultante sobre um corpo é igual a zero ele se move
com a velocidade constante (que pode ser nula) e aceleração nula”, isto ocorre no momento em que
o sistema de propulsão do veículo não transmite mais energia, atuando assim a 1º lei de Newton
sobre o veículo.
- 2º lei de Newton
A 2º lei de Newton consiste em, “quando uma força resultante externa atua sobre um corpo, ele se
acelera. A aceleração possui a mesma direção e o mesmo sentido da força resultante. O vetor força
resultante e igual ao produto da massa do corpo pelo vetor aceleração do corpo”, para isto coletamos
o valor da massa do veiculo e calculamos a respectiva força resultante do veículo responsável pelo
movimento após o acionamento da propulsão. Isto faz com que o veículo tenha variação de sua
velocidade e aceleração em um determinado espaço e tempo percorrido, e quanto maior a sua massa
mais força será necessária para produzir uma respectiva aceleração, servindo de base para o cálculo
do sistema de propulsão.
- Força de Atrito
Quando dois corpos interagem por contato direto entre suas superfícies, essas forças são chamadas
de força de atrito, usando a 2º lei de Newton, conclui-se que deve haver uma força que é contrária ao
deslizamento do corpo. Sendo assim, nosso veiculo possuindo três pontos de contato (três rodas)
calculou-se a força de atrito aplicável a este veículo.
- Energia Potencial Elástica
A energia potencial elástica consiste na forma de energia que se encontra armazenada em um corpo
elástico deformado, estando associado ao trabalho da força elástica, onde o trabalho da força é
motor quando restitui à mola a posição inicial, e resistente quando a mola é alongada ou comprimida
pela ação de outra força. Portanto dizemos que um corpo é elástico quando ele volta a ter a mesma
forma e o mesmo tamanho que possuía antes da deformação. Este princípio fora utilizada através da
concepção de uma mola de ratoeira gerando uma força contrária (resistente) ao repouso da mola,
gerando energia cinética para propulsão do veículo.
- Energia Cinética
A energia Cinética de um corpo resulta da transferência de energia do sistema que põe o corpo em
movimento. Ela mede o trabalho que o corpo é capaz de realizar sobre o exterior, devido ao seu
estado de movimento. Sendo o trabalho da força resultante sobre um corpo num determinado
deslocamento e igual a variação da energia cinética do corpo neste deslocamento. No entanto, após o
acionamento da mola do veículo (sistema de propulsão) a energia cinética atuou no veículo, sendo
que quanto maior a massa ou a velocidade maior energia cinética gerada no veículo.
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Produto resultante do Projeto Integrador
As figuras 2, 3 e 4 estão representadas nas fotos abaixo:
Figura 2: Representação frontal.
Figura 3: Representação frontal.
Figura 4: Representação superior.
Relação de Materiais
Todos os itens foram confeccionados pelo nosso grupo de trabalho. No quadro 1 segue abaixo
a relação de materiais utilizados:
Quadro 1: Relação de materiais utilizados no Projeto Integrador.
Desenho
Veículo – Parte
Material
07
Chassi
Vara de madeira
02/05
Rodas
Porta CD’s de 14cm de diâmetro
06
Propulsão
Mola de porta do forno de fogão
04
Transmissão
Haste Metálica
01
-
Sistema de Transmissão
Linha de Nylon(pesca)
01
03
Base da Mola
Chapa de Madeira
01
Eixos/Bucha
Vareta metálica e Eixo central do porta
CD’s
02
-
Sistema de Movimento livre
(guia)
Gancho metálico
01
-
Pintura
Tinta Spray (base cinza e cromado)
02
-
Carroceria
Latas de alumínio
06
Elementos de Fixação
Parafusos, Ganchos, Cola Quente, Cola
Tudo, Super Bonder
-
08
-
Quant.
02
04
01
7
CÁLCULOS DO VEÍCULO
Para elaboração dos cálculos finais do veículo foi construído o segundo protótipo e realizada
medições de alguns itens, tais como velocidade, massa e dimensionais para realização dos mesmos.
Segue abaixo o resultado de algumas medições realizadas no veículo.
Massa do Veículo: 470g (0,47kg)
O sistema de propulsão utilizado traduz-se em um mesmo utilizado na trena, pois conforme o cabo
está sendo enrolado no eixo dianteiro do veículo, o cabo estará sendo tensionado aplicando assim
uma força contrária na mola até o término do processo de enrolamento. Quando o cabo iniciar o
desenrolamento através de uma força contrária da mola estará girando o eixo, movimentando-se
assim o veículo.
Coeficiente de Atrito: µ = 0,5 a 0,9 (mínimo/máximo)
Medições de Espaço e Tempo
Segue abaixo o resultado de 5 medidas de espaço e tempo realizado no veículo:
Teste
∆S – Espaço (m)
∆t – Tempo (s)
01
5,50
8,00
02
5,60
7,00
03
4,40
5,00
04
5,60
8,00
05
5,50
8,00
Média
5,32
7,25
Velocidade Média (MRU): Vm=∆S/∆t
Vm = 5,32/7,25 => Vm=0,73m/s
MOLA tipo TRENA
Descrição dos itens calculados:
a) Cálculo do peso do carrinho: P = m.g => P=0,47*9,8=> P= 4,61N
O peso do veículo é 4,61N.
b) Cálculo da reação normal em cada roda (força normal):
Quantidade de Rodas: 3 rodas
Dividi-se a força normal do veículo pela quantidade de rodas do veículo
Reação: N = P/quant.rodas
Reação: N = 4,61/3
Reação: N = 1,54N
8
Portanto a força normal de cada roda é 1,54N
c) Calculo da força de atrito:
Coeficiente de atrito mínimo: 0,5
Coeficiente de atrito máximo: 0,9
Fa = µ.N
Coeficiente de atrito mínimo do veículo é: Fa = µ.N => Fa = 0,5*4,61 =>Fa= 2,30N
Coeficiente de atrito mínimo de cada roda é: Fa = µ.N => Fa = 0,5*1,54 =>Fa= 0,77N
Coeficiente de atrito máximo do veículo é: Fa = µ.N => Fa = 0,9*4,61 =>Fa= 4,15N
Coeficiente de atrito mínimo de cada roda é: Fa = µ.N => Fa = 0,9*1,54 =>Fa= 1,39N
d) Calcular o momento de inércia aproximado (I)
I = 0,5.M.R m ,
2
onde M = massa da trena
R m = raio da trena médio
M= 0,063kg
Rm = 14mm = 0,014m
I = 0,5.0,063.0,0142 => I = 0,0000061 => I = 6,1x10-6 kgm2
w=
2Π
, onde t é o tempo que a trena demora para se desenrolar.
t
ttotal = 7,25s
qtde voltas = 8 voltas
f (frequência)= qtde. voltas/tempo => 8/7,25 => f=1,10rps
T (período) = 1/f
T (período) = 1/1,10 => T= 0,91s
w=2∏/T
w=2∏/0,91
w=6,90 rad/s
Energia Cinética para a trena
Vh: Velocidade da Haste
Tempo de deslocamento da haste (th): 4s
Raio da Haste (R): 0,57m
dh: Deslocamento da Haste
Vh=∏.R/th
Vh=∏.0,57/4
Vh=0,45m/s
-------------------dh= Vh.tcarrinho
9
dh= 0,45.7,25
dh= 3,26m
e) Supondo que durante o desenrolar da trena o carrinho possua MRU, você terá calculado a
velocidade neste trecho.
No trecho seguinte, quando o carrinho não está sob o efeito da trena, o movimento será
uniformemente retardado. Assim, a velocidade inicial é V e a velocidade final é zero (pois o carrinho
para).
Daí, como a única força atuante é a de atrito, tem-se:
a=
Fr Fat
=
m
m
Fat total (mínima) = 2,3/0,47 => Fat = 4,90m/s2
Fat total (maxima) = 4,15/0,47 => Fat = 8,82m/s2
Equação de Torricelli :
v 2 = v0 + 2.a.∆s → 0 2 = V 2 − 2.a.d
2
Fat total (mínima) = 4,90m/s2
Fat total (maxima) = 8,82m/s2
dcarrinho = 5,32m
Minima
Máxima
V2-2.a.d=02
V2-2.a.d=02
V2=52,136
V2=86,436
V= ±
52,136
V= ± 7,22m/s
V= ±
86,436
V= ± 9,30m/s
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DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Desenho
Veículo – Parte
Material
Quant.
07
Chassi
Vara de madeira
02
02/05
Rodas
Porta CD’s de 14cm de diâmetro
04
06
Propulsão
Mola de porta do forno de fogão
01
04
Transmissão
Haste Metálica
01
-
Sistema de Transmissão
Linha de Nylon(pesca)
01
03
Base da Mola
Chapa de Madeira
01
Eixos/Bucha
Vareta metálica e Eixo central do porta
CD’s
02
-
Sistema de Movimento
livre (guia)
Gancho metálico
01
-
Pintura
Tinta Spray (base cinza e cromado)
02
-
Carroceria
Latas de alumínio
06
Elementos de Fixação
Parafusos, Ganchos, Cola Quente, Cola
Tudo, Super Bonder
-
08
-
Memorial Descritivo
Em virtude da análise de outros veículos apresentados em sala de aula, em uma etapa de
pré-testes, foi repensado o tipo de mola e construção do veículo, para garantirmos uma
maior distância e velocidade.
Detectamos então que a mola que tínhamos utilizado possuía pouca força, gerando assim
pouco energia cinética, onde necessitaríamos construir uma mola própria ou procurar alguma
que apresentasse uma força maior.
Pesquisamos em alguns lugares onde encontramos uma mola de porta de fogão que
preserva o principio inicial do nosso veículo, porém possui força maior de propulsão para o
veículo.
Visto também que a carroceria e chassi de nosso veículo eram muito complexos para
construção e aplicação da mesma, redesenhamos uma nova armação (chassi e carroceria)
para adequar uma construção mais simples e uma eficácia maior do resultado, preservando
um design diferenciado.
Sendo assim construímos o protótipo atual apresentado, alterando os materiais de
construção, porém mantendo o principio de funcionamento/propulsão proposto no inicio do
projeto, focado no atendimento de distâncias maiores do que as iniciais atingidas,
preservando o peso máximo do veículo. Além do mais as lições apreendidas com o primeiro
modelo garantiram um sucesso maior no resultado e uma rapidez na construção do mesmo.
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Características do carro com energia autônoma.
- Peso máximo de 0,5kg;
- Três pontos de contato com o solo
- Propulsão à energia elástica autônoma e solidária ao carro (ao longo de sua
movimentação, veículo e mecanismo propulsor não podem ser separados nem sofrer
interferência humana)
-Todos os itens deverão ser confeccionados pelo grupo de trabalho, não sendo permitida a
utilização de mecanismos, chassis, carenagens, etc. previamente existentes.
Processo de Criação
Para o processo de criação foram necessárias algumas fontes de pesquisa, tais como Livros
de Física, para entendimento do conceito de energia potencial elástica, além de projetos
similares disponíveis na Internet e desmontagem de brinquedos que utilizavam-se do mesmo
principio.
Com isto foram avaliados os diversos tipos de molas para utilização no veículo, por exemplo:
- Mola de Tração e Compressão;
- Mola Espiral (mola de relógio);
- Sistema de mola com pêndulo.
Tendo de base estes sistemas, procuramos alguns objetos que poderiam utilizados no dia-adia que poderiam conter estes sistemas mecânicos, sendo:
- Relógio de Corda;
- Relógio de Pêndulo;
- Carrinho de Fricção;
- Trena;
- Ratoeira.
Verificamos alguns exemplos de construção de veículos similares utilizando estes tipos de
sistemas mecânicos. Onde elegemos que o sistema que nos representasse o uso de objetos
do dia-a-dia, bem como sucatas, para montagem do nosso veículo, seria um sistema com a
propulsão baseada na mola da ratoeira, porém com alterações de projeto para que
possamos ter um melhor desempenho em relação aos existentes.
A partir do conceito de propulsão definido pelo grupo estabelecemos a elaboração do projeto
do veículo, para realização do 1º protótipo e testes.
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Elaboração do Projeto
Conhecido o sistema de propulsão, baseado na ratoeira, estabelecemos que a força de duas
ratoeiras média (10x6cm) proporcionaria maior desempenho no veículo.
Tendo em vista a propulsão definida, analisamos e elaboramos a lista de material do veículo.
Pensando no impacto e força de duas ratoeiras disparando simultaneamente, definimos que
o chassi seria de chapa de Eucatex onde garante leveza e robustez no projeto. Sendo que
com a análise de espaços do veículo e fixação de itens, a dimensão da chapa é de
40x20x0,5cm.
O sistema de transmissão foi utilizado uma haste de aproximadamente 30cm com uma linha
(fio telefônico) com o tamanho aproximado de 80cm ligado ao eixo da roda dianteira.
Para as rodas foi definido a utilização de CD, tamanho normal, para termos maior
estabilidade e controle do veículo, além de uma região de contato com o solo menor,
garantindo assim um menor atrito. Porém utilizamos elásticos em volta do CD, tais como
pneus, onde após a aplicação da força de tração o veículo não patinasse no solo.
Na construção do sistema de eixos foram utilizados lápis lixados, colados com tampa de
garrafa nas rodas, garantindo o centro da roda e paralelismo das mesmas.
Os elementos de fixação utilizados foram parafusos, ganchos (para o fio de telefone) como
guias, cola de silicone, quente e cola-prego, proporcionando a fixação adequada em todos os
sistemas do veículos.
Após a realização do 1º teste na casa de um dos participantes, detectamos que o fio
telefônico enroscava no chassi, na parte traseira, por isto definimos a utilização de ½ garrafa
pet cortado longitudinalmente. Após isto, detectamos a melhora do sistema, por onde o fio
telefônico passara.
Concluída a montagem do veículo, realizamos a verificação da massa do mesmo, onde
constatamos 0,35kg.
Verificamos que necessita de melhorias no sistema de propulsão para atendimento de
distâncias e velocidades maiores, portanto estamos pesquisando o projeto e materiais para
construção da ratoeira no próprio veículo. Onde caso aumentasse o massa do veículo
estaríamos realizando furos no chassi de madeira para reduzirmos a massa do mesmo.
A carroceria foi projetada com armação de arame trançado e lataria confeccionada com
chapas de latinhas de alumino, após a construção do chassi estaríamos realizando a pintura
do mesmo, sendo utilizado primeiramente Primer, como base de pintura, e Tinta cromada
para ressaltar o efeito metálico. Após os testes e melhorias no sistema de propulsão
estaremos realizando a confecção da carroceria do veículo.
O design foi baseado em um avião da força aérea americana, conhecido como Blackbird
para os contornos do chassi, sendo que a carroceria foi baseada nos carros conceitos de alta
velocidade.
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Referências Bibliográficas:
BONGIORNO R.J; RAMOS M. C. Física: História e Cotidiano. Volume único. São Paulo: Editora FTD,
2005.
YOUNG D.H; FREEDMAN A.R. Física I. 10. ed. São Paulo: Editora Pearson Education do Brasil, 2007.
BOSQUILHA A.; PELEGRINI M. Minimanual Compacto de Física: Teoria e Prática. 2. ed. São Paulo:
Editora Rideel, 2003.
ANEXOS
Como referenciar este texto:
AQUINO, Dyonata; OLIVEIRA, Evandro; SILVA, Fabrício; HABL, Hugo. Projeto
Integrador de Veículo Autônomo com Propulsão de Ratoeira. 2 sem., 2009.
Universidade Nove de Julho, São Paulo.
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