CARRINHO DE CORRIDA

Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha
Projeto para Trabalho Trimestral de Física
Curso: Técnico em Mecânica
Turma:
Data:
29 de junho de 2007
Sala :
Aluno: Juliana Rafaela Ortiz
n°:
Aluno: Lucas de Souza Lovato
n°:
Aluno: Mariana Rodriguês Schmidt
n°:
Aluno: Monitiéle Vitória Queiróz
n°:
Prof:
Luiz André Mützenberg
Grupo
3124
293
16
17
19
21
H
CARRINHO DE CORRIDA
Introdução
Com a própria brincadeira, às vezes nós aprendemos diversas coisas importantes. Como Trabalho
para o segundo trimestre o professor Luiz André Mützenberg nos passou a proposta de criar um carrinho
de brinquedo que se locomova com o ar existente dentro de um balão.
Justificativa
A F1, a maior modalidade de automobilismo do mundo, não passa de um grande laboratório de
pesquisas, com milionários do mundo inteiro investindo em tecnologias para que seus brinquedinhos
consigam ir cada vez mais longe, fazendo tudo aquilo parecer um grande show.
Com a grande brincadeira deles, acabam encontrando as tecnologias para seus fabricantes, tornando
os carros no mercado melhores. Tudo isso com uma brincadeira de gente grande.
O nosso carrinho será construído com o intuito de aprendermos física de uma maneira “não
rotineira”. Pesquisando métodos de conseguir que nosso carrinho atinja a melhor performance possível,
transformando o ar (contido nos balões) em energia para se locomover.
Objetivo
Nosso grupo tem como objetivo construir um Carrinho de corrida que tenha pouco atrito e seja
capaz de se locomover em linha reta, utilizando um reservatório de ar comprimido contido em balões de
festa.
Fundamentação Teórica
Os trabalhos trimestrais são trabalhos de pesquisa, portanto, não basta construirmos um carrinho de
corrida sem nenhuma base inicial de conhecimento.
Para termos sucesso em nosso trabalho, temos que ter uma idéia do que estamos fazendo. Para isso,
buscamos em pesquisas simples:
Leis de Newton: para que possamos utilizá-las a nosso favor, já que elas não podem ser anuladas e vão
estar presentes o tempo todo durante a performance do nosso carrinho.
Princípio da Inércia:
Primeira Lei de Newton ou Princípio da Inércia A partir das ideias de inércia de Galileu, Isaac
Newton enunciou sua Primeira Lei com as palavras:
“Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniform em linha reta, a menos
que seja obrigado a mudar seu estado por forças impressas a ele.”
A primeira lei de Newton pode parecer perda de tempo, uma vez que esse enunciado pode ser
deduzido da Segunda Lei:
Se
, existem duas opções: Ou a massa do corpo é zero ou sua aceleração. Obviamente
como o corpo existe, ele tem massa, logo sua aceleração é que é zero, e consequentemente, sua
velocidade é constante.
No entanto, o verdadeiro potencial da primeira lei aparece quando se envolve o problema dos
referenciais. Numa reformulação mais precisa:
"Se um corpo está em equilíbrio, isto é, a resultante das forças que agem sobre ele é nula, é possível
encontrar ao menos um referencial, denominado inercial, para o qual este corpo está em repouso ou em
movimento retilíneo uniforme."
Segunda Lei de Newton (Lei Fundamental do Movimento):
De acordo com o princípio da inércia, se a resultante das forças actuantes num corpo for nula, o
corpo mantém, por inércia, a sua velocidade constante, ou seja não sofre aceleração. Logo a força consiste
num agente físico capaz de produzir aceleração, alterando o estado de repouso ou de movimento dos
corpos. A Lei: quando uma força resultante actua sobre uma partícula, esta adquire uma aceleração na
mesma direcção e sentido da força, segundo um referencial inercial. A relação, neste caso, entre a causa
(força resultante) e o efeito (aceleração) constitui o objectivo principal da Segunda Lei de Newton, cujo
enunciado pode ser simplificado assim.
"A resultante das forças que agem num corpo é igual a taxa de variação do momento linear (quantidade
de movimento) do mesmo."
Matematicamente, a definição de força é expressada da seguinte forma:
Quando a massa do corpo é constante temos
e por conseguinte
Isso significa que, sendo a massa do corpo constante, a força resultante e aceleração produzida possuem
intensidades directamente proporcionais. Resumindo: O segundo princípio consiste em que todo corpo em
repouso precisa de uma força para se movimentar e todo corpo em movimento precisa de uma força para
parar. O corpo adquire a velocidade e sentido de acordo com a força aplicada. Ou seja, quanto mais
intensa for a força resultante, maior será a aceleração adquirida pelo corpo.
força resultante aplicada a um corpo é directamente proporcional ao produto entre a sua massa inercial e
a aceleração adquirida pelo mesmo
.
Se a força resultante for nula ( F = 0 ) o corpo estará em repouso (equilíbrio estático) ou em movimento
rectilíneo uniforme (equilíbrio dinâmico). A força poderá ser medida em Newton se a massa for medida
em kg e a aceleração em m/s² pelo Sistema Internacional de Unidades de medidas ( S.I ).
Terceira lei de Newton (Lei da Ação e Reação)
Se um corpo A aplicar uma força sobre um corpo B, receberá deste uma força de mesma intensidade,
mesma direção e sentido oposto à força que A aplicou em B. As forças de ação e reação têm as seguintes
características:


estão associadas a uma unica interação, ou seja, correspondem às forças trocadas entre apenas
dois corpos;
têm sempre a mesma natureza (ambas de contato ou ambas de campo), logo, possuem o mesmo
nome ("de contato" ou "de campo");
É indiferente atribuir a ação a cada uma das forças e a reação à outra. Estas forças são caracterizadas por
terem:




Sentidos diferentes
Direções iguais
Intensidade igual
aplicadas em corpos diferentes, logo não se anulam
Aerodinâmica: para encontrar o melhor jeito de nosso carrinho se locomover tendo o menor atrito
possível com o ar, pois assim será mais rápido e gastará menos “combustível” (ar dos balões).
A aerodinâmica é o estudo do movimento de fluidos gasosos, relativo às suas propriedades e
características, e às forças que exercem em corpos sólidos neles imersos.
De uma forma geral a aerodinâmica, como ciência específica, só passou a ganhar importância
industrial com o surgimento dos aviões e dos automóveis pois estes precisavam se locomover tendo o
menor atrito possível com o ar pois assim seriam mais rápidos e gastariam menos combustível.
Você pode não perceber, mas ela atua todo o tempo sobre seu automóvel, afetando seu desempenho,
consumo e estabilidade. Os fabricantes investem milhões para torná-la mais eficiente e, no entanto, uma
simples janela aberta pode jogar por terra boa parte desse trabalho.
Todo objeto possui uma maior ou menor eficiência ao atravessar o ar. Uma placa circular plana tem
um coeficiente de resistência aerodinâmica -- o conhecido Cx, que alguns chamam de coeficiente de
arrasto, ou Cd em inglês -- igual a 1, mas a turbulência que se forma em torno dela aumenta esse valor
para 1,2. O objeto de mais perfeita aerodinâmica que se conhece é a gota d'água, com Cx de 0,05.
Nos automóveis modernos o coeficiente fica, em geral, em torno de 0,30. Esse fator não considera a área
frontal (A) do objeto, mas apenas sua forma e com quanta suavidade o ar pode se deslocar por ele. Assim,
a eficiência aerodinâmica do carro depende na prática da área frontal corrigida (Cx x A): a multiplicação
de sua área frontal pelo Cx. Assim, no exemplo de 0,30, com área frontal de 2 m2 o Cx x A seria de 0,60.
Uma minivan e um esportivo podem ter o mesmo Cx, mas eficiências muito diversas em função da área
frontal.
E em que isso influi? Quanto menor a área frontal corrigida, menor o esforço (potência) necessário para o
deslocamento do carro contra a massa de ar à sua frente. Essa importância aumenta quando se considera
que a resistência aerodinâmica cresce ao quadrado da velocidade: por exemplo, multiplica-se por quatro
enquanto dobra a velocidade do veículo. Assim, se num carro urbano o Cx pouco representa, em um
superesportivo a 300 km/h ele é determinante.
Aerodinâmica bem estudada também influi no comportamento dinâmico. Todo veículo está sujeito a
sustentação (lift) quando em movimento, devido ao ar que passa por baixo da carroceria. É o mesmo
efeito que, acentuado, permite aos aviões vencer seu peso e levantar vôo, mantendo-se no ar enquanto
houver velocidade para tanto. No automóvel a sustentação deve ser compensada ou mesmo revertida, para
evitar instabilidade -- mas esse processo tende a piorar o coeficiente aerodinâmico.
O compromisso entre Cx e sustentação, portanto, depende da finalidade e perfil do veículo. Um carro de
Fórmula 1 precisa de muita sustentação negativa -- ou seja, ser empurrado para baixo pelo ar -- para
contornar curvas velozmente: seu Cx chega a espantosos 1,8 mas, em contrapartida, ele poderia rodar de
cabeça para baixo, no teto de um túnel, enquanto se mantivesse em alta velocidade. (...)
Forças de Atrito: para que possamos entedender como o atrito atua sobre um corpo em movimento, e não
deixar ele ser “prejudicial” a performance do nosso carrinho.
A propriedades da força de atrito (direção, sentido e módulo)
Direção: As forças de atrito resultantes do contato entre os dois corpos sólidos são forças tangenciais
à superfície de contato. No exemplo acima, a direção da força de atrito é dada pela direção horizontal. Por
exemplo, ela não aparecerá se você levantar a caixa.
Sentido: A força de atrito tende sempre a se opor ao movimento relativo das superfícies em contato.
Assim, o sentido da força de atrito é sempre o sentido contrário ao movimento relativo das superfícies.
Módulo: Sobre o módulo da força de atrito cabem aqui alguns esclarecimentos: enquanto a força que
empurra a caixa for pequena, o valor do módulo da força de atrito é igual à força que empurra a caixa. Ela
anula o efeito da força aplicada.
Uma vez iniciado o movimento, o módulo da força de atrito é proporcional à força (de reação) do
plano-N. Escrevemos:
A força de atrito se origina, de forças interatômicas, ou seja, da força de interação entre os átomos.
Quando as superfícies estão em contato, criam-se pontos de aderência ou colagem (ou ainda solda) entre
as superfícies. É o resultado da força atrativa entre os átomos próximos uns dos outros.
Se as superfícies forem muito rugosas, a força de atrito é grande porque a rugosidade pode favorecer o
aparecimento de vários pontos de aderência.
A força de atrito é que torna possível o movimento da grande maioria dos objetos que se movem
apoiados sobre o solo, como movimento dos animais e movimento dos veículos a motor.
O atrito pode ser útil ou prejudicial. Como muitas outras coisas, o atrito pode ser-nos útil ou
prejudicial. Sem o atrito um automóvel não sairia do lugar porque os pneumáticos deslizariam sobre o
pavimento. Numa estrada lamacenta é necessário colocar correntes nas rodas para aumentar o atrito. Sem
atrito as correias não poderiam mover as máquinas e os pregos não se prenderiam nas paredes.
O atrito é, às vezes, prejudicial. Ele desgasta as superfícies que escorregam uma sobre a outra,
aumenta a força necessária para mover um corpo o produz calor. Para, diminuir esses efeitos prejudiciais
do atrito nós usamos metais duros nas superfícies das máquinas que deslizam e as fazemos tão lisas
quanto possível. Além disso, pomos óleo entre essas superfícies para torná-las mais escorregadias. Se não
pusermos óleo no motor do carro ele se estragará por desgaste e aquecimento excessivo.
Metodologia
Para construirmos a estrutura do Carrinho pretendemos utilizar materiais baratos e leves, como o
plástico poliestireno. O formato dele será feito para ter o melhor aproveitamento possível das Leis de
Newton, baseando-se na aerodinâmica da F1. Utilizaremos um chassi de 3 rodas para reduzir ao máximo
o atrito com o solo. Todos os eixos do carrinho serão alinhados. A tração se dará através de uma hélice
interna explorando ao máximo o recurso do ar contido nos balões, com um sistema de polias.
O carrinho terá dimensões máximas de: 10cm de altura, 15cm de largura e 30cm de comprimento.
Figura 1 - Esquema do Carrinho de corrida movido pelo ar de um balão.
Para testar o funcionamento de nosso carrinho iremos ao módulo de nossa escola, o carrinho será
testado diversas vezes e com diversos tipos de balões. Iremos fazer uma tabela com os resultados obtidos,
com finalidade de sabermos como obter o melhor resultado.
Exeqüibilidade
O grupo tem acesso à internet e a biblioteca da escola para a consulta bibliográfica. E não tem
dificuldade em se encontrar fora do horário de aula, para por em pratica os conhecimentos e idéias
obtidas. O Grupo possui contato com pessoas que possam auxiliar em possíveis duvidas e dificuldades
apresentadas durante o andamento do projeto.
Os custos dos materiais comprados serão divididos igualmente a cada integrante do grupo.
Cronograma
01
02
03
04
Semana
05
06
07
08
09
10
06/06a13/06 14/06a21/06 22/06a29/06 30/06a07/07 08/07a15/07 16/07a23/07 24/07a31/07 01/08a08/08 09/08a16/08 17/08a24/08
Atividades
Começo do Trabalho Trimestral.
-XFormar grupo e adquirir Caderno
-XSelecionar Textos na Internet
-XPesquisar na Biblioteca
-XEstudar e resumir os materiais
-X-XEscrever o projeto de pesquisa
-X-XEntrega do Projeto de pesquisa
-XOrganizar Caderno de campo
-X-X-X-X-X-X-X-X-X-XAdquirir material para montagem
-X-X-XMontar o carrinho
-X-X-X-XTestar o carrinho
-XEscrever o relatório
-X-X-
Preparar a apresentação
Entrega do relatório
Entrega do caderno de campo
Apresentação
-X-
-X-X-X-X-
Referências Bibliográficas
[1] Primeira Lei de Newton.Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Primeira_lei_de_Newton
Ultimo acesso em : 26/junho/2007.
[2] Segunda Lei de Newton. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Segunda_lei_de_Newton
Ultimo acesso em : 26/junho/2007.
[3] Terceira Lei de Newton. Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Terceira_lei_de_Newton
Ultimo acesso em: 26/junho/2007.
[4] Atrito. Disponível em: http://www4.prossiga.br/lopes/prodcien/fisicanaescola/cap1-4.html
Ultimo acesso em: 26/junho/2007.
[5] Aerodinâmica, o poder do vento. Disponível em: http://www2.uol.com.br/bestcars/tecprep/aero1.htm
Ultimo acesso em: 26/junho/2007.
Assinaturas
___________________________
Mariana Rodriguês Schmidt
Aluno Responsável
___________________________
Juliana Rafaela Ortiz
___________________________
Monitiéle Vitória Queiroz
___________________________
Lucas de Souza Lovato
Novo Hamburgo, 13 de outubro de 2009