Robô de Seringas e o Comportamento dos Fluídos

Robô de Seringas e o Comportamento dos Fluídos
Robô de Seringas e o Comportamento dos Fluídos
Caio C. Mendonça, Gabrielle Banin, Henrique W. Rosa, Julio E. de Morais, Luiza A. Dias, Mateus M. Gandini,
Pamela Miyazato, Rafael S. Francisco, Rhuan Buarque, Thyago Esnervelin
Orientador: Jean-Jaques Bonvent, CCNH
Campus Santo André
Resumo
Introdução: Segundo o Princípio de Pascal, a alteração de pressão produzida num líquido em equilíbrio se transmite
integralmente a todos os pontos do líquido e às paredes do recipiente, além dos líquidos de diferentes propriedades
modificarem o comportamento de diversos sistemas hidráulicos. Teve-se como objetivo compreender o
comportamento dos fluídos, a partir da aplicação de uma ferramenta didática, o robô Metodologia: Foi construído
um robô com três articulações em madeira movimentado por seringas em série, formando sistemas hidráulicos
simples. Nestes sistemas foram utilizados três fluídos: álcool etílico, água destilada e glicerina. A partir desta
construção e aplicação, analisou-se diversas propriedades como velocidade de fluxo, vazão e constante de Reynold.
Resultados: Com base no dimensionamento da tubulação utilizada, constatou-se que o álcool e a água destilada
apresentaram fluxos turbulentos, enquanto que a glicerina apresentou fluxo laminar, devido ao fato de sua
viscosidade ter maior valor. Por este mesmo motivo a glicerina apresentou menor velocidade de fluxo e vazão em
comparação à água e o álcool. Conclusão: A partir das análises dos resultados de comportamento do fluído,
demonstrou-se que um fluído com maior vazão e menor viscosidade tem uma velocidade de fluxo maior quando
comparada a um fluído com viscosidade relativamente superior.
INTRODUÇÃO
O Princípio de Pascal consiste na alteração
de pressão produzida num líquido em equilíbrio
que se transmite integralmente a todos os pontos
do líquido e às paredes do recipiente1.
Esse princípio pode ser facilmente
observado num sistema com seringas, no qual a
força em uma delas desloca o líquido e faz com
que o êmbolo da outra seringa se movimente com
força maior. Pode-se aplicar esta força a fim de
gerar um movimento mecânico.
A força necessária para movimentar o
êmbolo varia de acordo com as propriedades
reológicas do fluído, como densidade e a
viscosidade, para a qual um líquido pode seguir as
leis de Newton e apresentar a viscosidade
uniforme independente da variação da força
mantendo sua característica isotrópica, ou pode
apresentar variação em sua viscosidade por sua
deformação não ser proporcional à tensão
aplicada (líquido não-newtoniano)1.
O objetivo principal do projeto foi
compreender o comportamento de diversos fluídos
através da aplicação de uma ferramenta didática,
o robô.
METODOLOGIA
Montagem da estrutura do robô de seringas
Para efetuar a montagem do robô, foram
utilizadas placas de MDF com 3 mm de espessura,
cortadas e coladas como demonstra a Figura 1.
Parafusos e porcas também foram utilizados para
fixar melhor determinadas articulações do mesmo.
A fixação das 3 seringas (de 22 mm de diâmetro),
responsáveis por movimentar o braço mecânico,
foi realizada com fita adesiva dupla face. Essas
seringas foram conectadas a outras 3 seringas (de
15mm de diâmetro) por um tubo de silicone de 0,3
mm. Os três sistemas foram preenchidos cada um
com um fluído diferente como água destilada,
álcool e glicerina, e fixados à articulação 1 (art1).
Figura 1 – Esboço das peças e esquema de montagem da
estrutura
Testes com fluídos
Os testes envolvendo os diferentes fluídos
tinham por finalidade avaliar as mudanças
encontradas
na
movimentação
do
robô,
relacionadas ao rendimento e eficiência. Papel
milimetrado, transferidor e paquímetro foram
utilizados para mensurar o deslocamento da
articulação pela aplicação de uma força mínima
constante no sistema em determinado tempo e
IX Simpósio de Bases Experimentais das Ciências Naturais da Universidade Federal do ABC - 12 e 13 de agosto de 2011
Robô de Seringas e o Comportamento dos Fluídos
com isso realizar o cálculo das velocidades
lineares e angulares.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
No sistema hidráulico construído, os
êmbolos das seringas possuíam áreas diferentes,
sendo que a primeira possuía área menor e a
segunda – associada ao robô- área maior. Quando
aplicada uma força mínima na seringa 1, a força
resultante apresentada na seringa 2 foi diferente
da inicial, conforme Tabela 1.
Tabela 1 – Forças aplicadas em um sistema
fechado
FORÇAS APLICADAS NO SISTEMA (N)*
Seringa 1/Bomba – Força Aplicada
16,288i
Seringa 2/Prensa Hidráulica – Força
Resultante
25,789
De acordo com o Princípio de Pascal, a
força resultante na seringa 2 foi proporcional ao
aumento da área.
Se considerarmos que nos três sistemas
compostos por água destilada, álcool etílico e
glicerina foram aplicadas as mesmas forças, foi
possível notar que a água destilada e o álcool
etílico possuíram velocidades de fluxo (vf) e vazão
muito próximos entre si se comparados à glicerina,
conforme Tabela 2.
Tabela 2 – Valores de Vazão e Velocidade de
Fluxo dos três fluídos utilizados.
COMPORTAMENTO DOS FLUIDOS EM UMA TUBULAÇÃO
VEL.
DE
FLUIDO
FLUXO
Tubulaçã Seringa
V(m/s)
Seringa 1
o
2
VAZÃO - Q (m³/s)
Água
-7
-7
-7
3,94.10
8,69.10 4,34.1
Destilada
CTE.
REYNOLD
(Re)
2,0498
6149,50
4,11.10
-7
9,05.10
-7
4,52.1
-7
2,1342
5335,41
Glicerina 1,57.10
-7
3,47.10
-7
1,73.1
-7
0,08182
2080,07
Álcool
O escoamento dos líquidos na tubulação
pode ser classificado a partir da constante de
Reynolds – que considera velocidade de fluxo (vf),
o diâmetro interno da tubulação (d) e a
viscosidade cinemática (V) de cada fluído1,2. Para
a glicerina o fluxo foi considerado laminar
(velocidade de escoamento constante ao longo de
todo o tubo), já que sua constante teve valores
abaixo de 2300, diferentemente da água destilada
e álcool etílico, cujos fluxos foram turbulentos
(velocidade diminuída próximo às paredes do
tubo)2.
Após montar todo o sistema de três
seringas com álcool etílico – fluído considerado
mais eficiente - as velocidades linear e angular
(arco de movimento) foram mensuradas para as
três articulações do robô de seringas e pôde-se
notar que houve diferença nas velocidades
obtidas, conforme Tabela 3. A art3 apresentou
menor velocidade se comparada a art2 e art1,
assim como a art2 apresentou menor velocidade
se comparado a art1.
Tabela 3 – Velocidades nas articulações com
fluído álcool etílico
VELOCIDADE LINEAR E ANGULAR NAS
ARTICULAÇÕES – FLUÍDO ÁLCOOL V(m/s) e V(rad/s)
Articulação 1 – Velocidade Linear
1,58.10
-3
Articulação 2 – Velocidade
Angular
2,48.10
-2
Articulação 3 – Velocidade
Angular
3,29.10
-2
Os diferentes valores de velocidade
encontrados podem ser justificados pelo aumento
do peso em cada sistema.
CONCLUSÃO
A glicerina apresentou uma menor vazão e
velocidade de fluxo em comparação à água
destilada e o álcool etílico, devido ao fato de sua
viscosidade cinemática apresentar maior valor.
Também devido a sua viscosidade, a glicerina
apresentou um escoamento laminar, em contraste
à água e o álcool etílico que, por possuírem
viscosidades
menores,
apresentaram
fluxo
turbulento.
O álcool etílico demonstrou uma melhor
eficiência e, por isso, foi utilizado para
movimentação das articulações do robô de
seringas que apresentaram diferentes velocidades
lineares e angulares devido a cada articulação ter
um peso específico.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1
BISTAFA, SR. Mecânica dos fluidos. Editora:
Blucher, 2010.
2
FARACO. JFX, ARRUDA, SR, CARRADORE,
AJ, DOCIATTI, MA. Hidráulica e técnicas de
comando (Apostila SENAI). Florianópolis, 2004.
AGRADECIMENTOS
Ao professor Jean-Jaques, sempre solícito
e por nos direcionar nas pesquisas; Ao professor
Rodrigo Cordeiro e ao Engº Donizete (Zeppelin
Systems), que nos orientaram quanto ao
comportamento dos fluídos e aos cálculos
hidráulicos.
IX Simpósio de Bases Experimentais das Ciências Naturais da Universidade Federal do ABC - 12 e 13 de agosto de 2011