Profª. Drª Maria Lúcia Pereira Antunes
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Profª. Drª Maria Lúcia Pereira Antunes ENGENHOCAS LANÇAMENTO DE FOGUETE DE GARRAFA PET Henrique Tavela Willgner Santos Sorocaba 2015 I. OBJETIVOS O principal objetivo deste experimento foi provar que o lançamento obliquo de garrafa pet, cheia com água, não descreve um movimento em duas dimensões completo. II. INTRODUÇÃO Primeiramente devemos compreender como se dá estabilidade do vôo para isso devemos encontrar o Centro de Massa (CM) que é encontrado ou tentando equilibrar a garrafa sobre uma régua ou a partir da equação 1. (1) E também devemos encontrar o Centro de Pressão (CP), responsável pela influência da força aerodinâmicas do sistema, que é a média da somas das áreas do corpo, que é dado pela equação 2. (2) Assim para termos uma boa estabilidade o CM deve ficar até 1,5 cm acima do CP, para que possa haver correção por parte do CP se a garrafa sair do eixo, se o CP estiver acima é ruim pois se a garrafa sair do eixo o CP irá aumentar o desvio dele e não subirá bem, podemos analisar isto através da Figura 1. Figura 1 Assim temos a estabilidade do corpo durante seu vôo, depois devemos compreender como que ocorre a propulsão do foguete que é dada pelo Empuxo e pelas leis de Newton. Pela 1ª Lei de Newton temos A Lei da Inércia diz que "Qualquer corpo em movimento continuará se movendo e qualquer corpo parado permanecerá parado até que alguma força externa aja sobre ele". Em outras palavras, inércia é a tendência que os objetos têm de resistir a mudanças no movimento. Ela tem a ver com a massa do objeto, que no cotidiano costumamos de chamar de peso. Figura 2: Uma garrafa mais cheia tem mais inércia, pois mais massa. Mais inércia quer dizer mais resistência a mudanças de direção. O vento precisa trabalhar mais para alterar o curso da garrafa. Figura 3: Uma garrafa menos cheia tem menos inércia, pois possui menos massa. Menos inércia quer dizer menos resistência a mudanças de direção. Com pouca força o vento empurra a garrafa para outro curso. Pela Segunda Lei de Newton diz que a Força aplicada é igual à massa vezes a aceleração, ou: F=m·a (3). Se dois foguetes aplicam forças iguais. Figura 4: Uma garrafa de maior massa (mais cheia) terá uma menor aceleração. Figura 5: Uma garrafa de menor massa (menos cheia) terá uma maior aceleração. E pela Terceira Lei de Newton diz que "para cada ação, há uma reação de igual intensidade e de sentido oposto". Isso quer dizer que quanto mais água for expelida e quanto mais depressa isso acontecer, maior será a reação da garrafa, assim pela conservação da quantidade de movimento essa reação proporcionará o foguete para cima. Massa da garrafa e da água X Velocidade da garrafa É IGUAL A Massa da água espelida X Velocidade da água expelida O empuxo é como chamamos a força que faz subir o foguete. Nos foguetes a água, o ar pressurizado empurra a água para fora, causando uma reação da garrafa em sentido oposto (3ª Lei de Newton). Portanto o empuxo depende tanto da velocidade com que a água é expelida quanto do "tamanho" do bocal de saída. Assim, o empuxo pode ser calculado como sendo aproximadamente igual ao dobro do produto da pressão pela área da seção do bocal. Ou seja, E = 2·P·A (4). Assim de maneira simplificada o aluno pode ver vários conceitos vistos em sala de aula em pratica neste experimento. Já para o Ensino Superior podemos dar uma explicação mais detalhada e usando equações mais elaboradas como será descrito a partir de agora. Para o calculo do CM e CP serão usados as mesma equações usadas no Ensino Médio, e para descrever o movimento do foguete durante a ejeção de água vamos usar uma aplicação da segunda Lei de Newton. Para sua descrição, consideremos que a única força atuante sobre o foguete é a força gravitacional (desprezemos o atrito do ar). Imaginemos que o foguete está em movimento inicial uniforme, com velocidade constante v. Na realidade a velocidade é zero, pois o foguete está parado sobre a base de lançamentos, mas utilizaremos este artifício para manipulações matemáticas mais simples. O momento linear inicial do foguete será então pi = Mv, onde M é sua massa inicial que é dada por M=mF +mH2O, ou seja, a massa do foguete vazio (mF) mais a massa de água contida em seu interior (mH2O). No momento em que ocorre a ejeção de uma pequena quantidade de água ∆mH2O a uma velocidade vf , a velocidade do foguete é alterada de ∆v. Logo, o sistema terá um momento final dado por: Se ΣF = -Mg, substituindo a Eq. (6) na Eq. (5) Manipulando esta equação e desprezando o termo ∆mH2O∆v já que ∆mH2O é muito pequeno, obtemos para a velocidade do foguete ∆v: Onde u é a velocidade de escape da água relativa ao foguete, u = v + vf . Utilizando as quantidades ∆mH2O = ρ∆V e M = ρVH2O + mF, onde ρ é a densidade da água, ∆V a mudança no volume de ar dentro do foguete, VH2O o volume de água dentro do foguete e mF a massa do foguete vazio, temos: Podemos obter a velocidade do foguete durante o tempo ∆t de ejeção da água conhecendo-se a velocidade de escape da água u em relação ao foguete. (a)Configuração do foguete no momento em que não é ejetada nenhuma quantidade de água, sua massa é M e sua velocidade é v. A única força atuante é a força gravitacional. (b) Configuração do foguete após a ejeção de uma pequena quantidade de água com massa ∆m h 20 e a velocidade vf. A massa do foguete muda para M-∆m h 20 e sua velocidade para v+∆v. (c) Mostra-se o volume V de ar dentro do foguete; P, a pressão sobre a superfície da água; Df o diâmetro do foguete; Db o diâmetro do bocal; ρ, a densidade da água; Vl, a velocidade da água dentro do foguete; u, a velocidade de escape da agua em relação ao foguete e P atm , a pressão atmosférica. Para obtermos u, vamos considerar a água como um fluido perfeito e incompressível e seu escoamento pelo tubo (foguete) estacionário. Utilizando a equação de Bernoulli, temos: Onde as quantidades apontadas no primeiro membro da Eq. (10) estão relacionadas à quantidade de água no interior do foguete, ou seja, sua densidade ρ e sua velocidade vL, a pressão P em sua superfície. No segundo membro estão as quantidades relacionadas à porção de água que é ejetada do foguete, que são sua velocidade relativa u, a qual queremos encontrar, e a pressão atmosférica Patm no bocal da garrafa. Note que estamos desprezando a parte da energia potencial gravitacional da equação de Bernoulli, pois sua magnitude é desprezível comparada com as outras grandezas envolvidas [7]. Ambas as velocidades u e vL estão relacionadas com a taxa com que a água é ejetada, ou, equivalentemente, à taxa com que o volume de ar V dentro da câmara aumenta. Esta relação é dada pela equação de continuidade: Sendo DB e DF os diâmetros do bocal e do corpo da garrafa, respectivamente. A Fig. 14c ilustra as grandezas apresentadas nas Eqs. (10) e (11). Da Eq. (11) observa-se que vL é proporcional à razão DB/DF, que por sua vez é muito menor que 1, tornando-se menor ainda quando elevada à quarta potência na Eq. (10). Logo, podemos desprezar o primeiro termo da Eq. (10), o que nos permite obter a expressão para a velocidade de escape da água, que é dada por: Quando a garrafa retorna ao solo observa-se que há vapor de água dentro da mesma, e isso implica que houve resfriamento do ar dentro da garrafa no momento de sua expansão. Como ∆t é muito pequeno, significa que este processo de expansão pode ter ocorrido sem trocas de calor entre o sistema, câmara de compressão e a vizinhança. Portanto podemos supor que houve uma expansão adiabática. Admitindo que o ar seja um gás ideal, temos: (eq.13) Onde P0 é a pressão absoluta inicial dentro do foguete, V0 o volume inicial de ar dentro do mesmo e V seu volume final, que é o volume da garrafa. Como o ar pode ser considerado um gás diatômico, temos que γ = 1,4. Substituindo a Eq. (13) na Eq. (12), obtemos finalmente, para a velocidade de escape da água. Onde uC é a velocidade característica dada por: Calculando u pela Eq. (14) e substituindo na Eq. (8), pode-se obter a velocidade do foguete no momento em que ocorre toda ejeção de água (Eq. (16)) e estimar sua aceleração durante o processo que, dependendo da pressão imposta, pode ser da ordem de dezenas de vezes a aceleração da gravidade; um resultado realmente incrível utilizando apenas garrafas PET, água e ar comprimido. Desta forma encerramos a descrição do movimento do foguete, lembrando que após ele atingir sua velocidade máxima ele começara a desacelerar e depois a cair em queda livre seguindo a equação da velocidade: V = V0 - gt (17) Sendo que o V0 será dado pela Eq (16), até quando V=0 que é onde ele começara a cair e acelerar com a gravidade até atingir o solo. Onde podemos calcular a altura aproximada obtida medindo o tempo de queda e aplicando na equação [7]: Onde H = gt2 (18), 2 onde H é a altura, o tempo t será medido e g é a gravidade. (1) As equações necessárias para se estudar um lançamento em duas dimensões são separadas nos eixos X e Y, as equaçoes pertencentes ao estudo do eixo X sao: X= Vx*t, onde Vx é a velocidade na direçao X e t o tempo(19) A= (V02*sen2θ)/g(20), onde A é o alcance na horizontal Vx=V0*senθ(21), Vo a velocidade inicial e o senθ o ângulo de inclinaçao. E as equaçoes para estudar o movimento no eixo Y são: Y=V0y t+(gt2)/2(22), onde g é a gravidade Vy = V0y +gt(23) Vy2= V0y + 2gy(24) H= ( V0*senθ)2/2g(25), onde H é altura maxima atingida. MATERIAIS E MÉTODOS III. Os materiais usados para a realização deste experimento foram: 2 T’s de ¾ 3 cotovelos de ¾ de 90º 8 pedaços de cano pvc de ¾ de 12 cm cada 1 pedaço de ½ de 17 cm 1,30 m de mangueira de nível 1 bico de câmara de pneu de bicicleta 1 braçadeira 1 garrafa pet Fita adesiva Veda rosca Martelo Adaptador para encaixar melhor os canos ½ com o ¾ Silicone Bomba de encher pneu de bicicleta MÉTODOS Primeiramente, foi construído a plataforma de lançamento do foguete de garrafa PET, para isso usou-se os materiais a cima citados. Para começar, é necessário encaixar os canos de pvc, usando os tampões de um lado e do outro lado o cotovelo ¾ para que fiquem dessa forma: Fazer isso mais duas vezes para que se tenha os três pés da plataforma. Após ter feito o passo a cima use um T para juntar dois canos e o outro T na extremidade do cano que ainda não foi usado, de modo que os T’s fiquem perpendiculares. Deverá ficar desse jeito. Com os três conectados através dos T’s, use o adaptador e encaixe o cano mais fino(½) no mais largo(¾), para vedar é aconselhável que se use a veda rosca, com todos os canos encaixados fure um T para que se possa passar a mangueira de nível por dentro dos canos. De modo que fique assim: Após ter passado a mangueira, use bastante silicone, para obter a maior vedação possível. O próximo passo é passar veda rosca no cano mais fino no altura que desejar, para que a garrafa PET encaixe bem no cano e assim gerando pressão ao bombear ar para dentro da garrafa. Agora, deve-se terminar o trabalho do outro lado da mangueira, para isso deve-se pegar o bico da câmara de pneu de bicicleta e encaixar na mangueira para que se firma bem e vede bem, é necessário usar a braçadeira, veda rosca e, se necessário, a fita adesiva. Para acabar o sistema de bombeamento, encaixe a bomba de ar no bico da câmara. Após fazer os passos a cima, nosso sistema ficou dessa maneira: IV. RESULTADOS Pode-se perceber que a trajetória descrita pelo nosso foguete foi em duas dimensões (x e y), ou lançamento oblíquo, a direção x descreve um movimento uniformemente variado, onde a força que atrapalha o deslocamento é a força de arrasto. E na direção y o movimento feito é o movimento uniformemente variado onde a força que atrapalha o deslocamento é a própria gravidade. Durante a realização do nosso experimento nosso projétil foi lançado cerca de 15 metros de distância e cerca de 4 metros de altura, pode-se perceber que ao longo da trajetória descrita pelo foguete montado com garrafa PET quando atinge um certo ponto despenca ao chão, isso ocorre devido a alguns fatores que serão explicados na conclusão. Pode-se perceber também que a aerodinâmica do nosso foguete não é muito boa, isso pode ser melhorado com alguns ajustes, como aumento de peso da garrafa, melhorar a infraestrutura do foguete, colocando asas entre outras coisas, como o nosso foguete não possui uma aerodinâmica boa a força de arrasto que atua sobre o nosso corpo é maior, fazendo com que a garrafa gire e perca parcialmente o rumo da trajetória. V. CONCLUSÃO Após a realização deste experimento pode-se concluir que o lançamento de foguete de garrafa PET não realiza um movimento obliquo completo, isso ocorre, pois, diferente dos lançamentos oblíquos estudados em sala em que o corpo é um corpo rígido com massa fixa, nosso corpo de experimento sofria variação da massa, a partir do momento que o foguete decolava ele perdia água, e também sofria variação de pressão, o que fazia com que o foguete decolasse até uma certa altura e distância, e no ponto em que o foguete não possuía mais massa(água), nem pressão interna, despencasse ao chão. A seguir há um anexo que visa explicar a trajetória percorrida pelo nosso foguete. VI. ANEXOS (2) VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Disponível em: < http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F8 09_sem2_2009/LucasC_Luengo_RF2.pdf>. Data de acesso: 19/06/2015. (2) Disponível em: < http://www.spacex.com/news/2015/05/04/5-thingsknow-about-spacexs-pad-abort-test>. Data de acesso: 23/06/2015 (3) Disponivel em:<http://www.brasilescola.com/fisica/lancamentoobliquo.htm>. Data de acesso:23/06/2015.
