Engenharia Ambiental

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1 Engenharia Ambiental Laboratório de Física II - Engenhocas Prensa Hidráulica Beatriz Hanada Menichelli Beatriz Marina Sacramento Silveira Carolina Yumi Nozawa Kokubun Sthefani Nagissa Sumida Sorocaba Novembro/2018

2 1. Objetivos Construção de uma prensa hidráulica que permitisse a assimilação de conceitos de princípio de Pascal, pressão e força por meios práticos e também de forma lúdica, com a finalidade de utilizar-lo no aprendizado de crianças.

3 2. Introdução 2.1. Princípio de Pascal Quando, por exemplo, pressiona-se qualquer ponto de uma pasta de dente, o fluido contido dentro da embalagem é espremido para fora. Isso se dá por conta do fato de que a pressão exercida é transmitida através do fluido para todos os pontos deste e à parede do recipiente que o contém. É nisso que o Princípio de Pascal se baseia, explicando também, por exemplo, quando fecha-se uma porta com força e as janelas do recinto se estremecem. A imagem 1 ilustra um tubo em U, que é utilizado para explicar o conceito do Princípio. [1] [2] Imagem 1: Tubo em U fonte: < > Ou seja, a força F 1 exercida na área A 1 é igual à força F 2 transmitida para a área A 2, então: F 1 F Equação 1 = 2 A 1 A 2 Isso significa que Δp 1 = Δp 2. Então, a pressão exercida num ponto é proporcional à pressão que o outro ponto sofre, sendo, nesses casos, a força exercida inversamente proporcional à área dos objetos envolvidos. Existem diversas aplicações para esses conceitos, como nos freios dos carros, onde, basicamente, a pressão exercida no pedal é transmitida através de um fluido incompressível que transmite a força exercida pelo condutor de

4 forma integral ao sistema que aciona os freios; além disso, há também a aplicação nas prensas hidráulicas. [4] 2.2. Prensa Hidráulica À partir do Princípio de Pascal desenvolveu-se a Prensa Hidráulica, que é basicamente um tubo em U onde os ramos têm diferentes áreas, completamente preenchido por um fluido (seja gás ou líquido) e selado por um êmbolo de área semelhante à parede do tubo em cada ramo. A prensa hidráulica é um dispositivo multiplicador de forças. O desenvolvimento e aplicação desses conceitos tornaram-a um importante fator impulsionador da revolução industrial, uma vez que a prensa hidráulica era capaz de atingir pressões significativamente superiores aos métodos pré-existentes, como por exemplo um metal era esculpido apenas através do forjamento, que é o martelamento como forma de esforço de compressão a fim de atingir o formato desejado. No entanto, com a prensa hidráulica, foi possível esculpir de forma mais rápida e em larga escala. [3] [5] Imagem 2: Forjamento fonte: < > A prensa ainda está presente no processo de coleta e destinação de materiais recicláveis, como forma de enfardamento desses a fim de otimizar o processo e direcionamento para usinas de reciclagem. [6]

5 Imagens 3 e 4: Prensa Enfardadeira fonte: < >

6 3. Materiais e Métodos Materiais Para a construção da primeira prensa, foram utilizados os seguintes materiais: - 8 Seringas de 20 ml; - 8 Placas retangulares de MDF do mesmo tamanho; - 1 Placa de MDF; - 2 metros de mangueira para aquário; - Pistola de cola quente; - 5 tubos de cola quente; - Papelão; - Fita crepe; - Lixa de madeira; - Tesoura; - Estilete; - Cola instantânea; - Corante; Já para a segunda prensa a base da primeira estrutura foi utilizada e foram utilizados os seguintes materiais: - 6 seringas de 20ml; - 2 metros de mangueira para aquário; - Lixa de madeira; - Fita crepe; - Estilete;

7 Métodos Construção da Primeira Prensa Para a construção das seringas emendadas, utilizou-se um estilete e uma faca para cortar as seringas, 4 seringas tiveram seus bicos cortados e 4 seringas tiveram as suas flanges cortadas. Os êmbolos das seringas também foram cortados, sendo 4 cortados nas pontas superiores e 4 nas pontas inferiores. Com a cola quente foram grudadas uma parte que continha o bico e a que ainda possuía a flange, repetindo este procedimento com as outras seringas. O êmbolo emendado seguiu o mesmo princípio, com a cola quente foram grudadas uma parte com a ponta superior e a com a ponta inferior, para uma melhor sustentação foi colado um pequeno pedaço de papelão na emenda (imagem 5). Imagens 5,6,7: Construção das seringas emendadas. Fonte: Autoria Própria A estrutura de madeira foi montada utilizando 8 placas de mesmo tamanho de madeira MDF, de duas em 2, foram coladas as suas laterais com cola instantânea, obtendo um total de 4 placas. Utilizando fita crepe, uma placa foi colada na outra, a fim de obter uma estrutura mais resistente, como na imagem 9. Então, à uma placa de mdf menor, foram coladas as placas duplas nas laterais (imagem 10). Imagens 8,9,10: Construção da estrutura de madeira. Fonte: Autoria Própria.

8 Para a construção do suporte para as seringas foi utilizado uma placa de MDF cortada nas dimensões das placas laterais e com um estilete foram feitos círculos do tamanho do diâmetro das seringas e esta mesma placa foi colada na parte superior da estrutura. À uma das seringas foi colocada uma mangueira na sua ponta e adicionou-se água com corante até encher o corpo cilíndrico e a mangueira, então foi adicionada outra seringa á ponta solta e a fim de não deixar vazar, a junção da seringa com a mangueira foi reforçada com cola quente. O mesmo procedimento foi repetido com as outras duas seringas, com água de coloração diferente. Imagens 11,12,13: Processo de enchimento das seringas e estrutura final. Fonte: Autoria Própria. Com as seringas cheias, as mesmas foram colocadas na estrutura como ilustrado na imagem 13, e para garantir a estabilidade da estrutura elas foram fixadas com cola quente na base. Ao êmbolo das duas seringas foi colocado uma placa de papelão para que a força das seringas fosse aplicada igualmente sobre ele. Construção da Segunda Prensa: Uma segunda prensa foi construída com a finalidade de podermos comparar resultados em relação à força, com a pressão e a área da estrutura. Para a sua construção foram reutilizadas as placas de MDF montadas para a estrutura da prensa anterior. Em dois pedaços de madeira de mesmo tamanho foram feitos 3 furos do diâmetro das seringas, na mesma posição. Imagem 14: Estrutura da Segunda Prensa.

9 Fonte: Autoria Própria. Seguindo o mesmo princípio das mangueiras e seringas da primeira prensa, foram cortadas 3 tiras de cerca de 8 cm cada para encaixar em cada dupla de seringas e as mesmas foram completadas com água e encaixadas nas placas com 3 furos. Em seguida, as placas com as seringas foram coladas na estrutura de madeira (imagem 14) e todos os vínculos foram reforçados com cola quente.

10 4. Resultados Para o estudo da pressão total na segunda prensa hidráulica foi utilizada seguinte equação; P = A F (Equação 1) Sendo P= pressão, F=força e A=área da secção transversal. Uma vez que fez-se o uso de dois corpos diferentes para o transporte da água, a mangueira e a seringa, foi calculada a pressão nessas duas partes ao manter a força F constante. A força F foi representada pela massa de três livros que ao total somaram 2,890 kg e portanto 28,322 N. Já a área A era dependente do diâmetro da secção transversal da mangueira e da seringa, dados compilados na seguinte tabela 1; tentativa diâmetro seringa (m) diâmetro mangueira (m) 1 0,0200 0,0050 2ª 0,0210 0,0040 3ª 0,0210 0,0040 4ª 0,0190 0,0040 5ª 0,0200 0,0050 desvio 0,0008 0,0005 média 0,0200 0,0040 Tabela 1: Medidas dos diâmetros internos das seringas e das mangueiras. A partir dos valores do diâmetro, o raio ( R ) da seringa e da mangueira foram obtidos; 0,0100 metros e 0,0020 metros respectivamente. Com essas referências a área A foi calculada pela equação 2 a seguir; A = πr 2 (Equação 2) No entanto como foram usados três seringas de base e três mangueiras, para o cálculo da pressão, o raio da secção transversal de cada um dos 3 componentes dos dois itens foi considerado como um só corpo. Ou seja, o raio de cada uma das três seringas foi somado para que fosse especulado como se fosse uma grande seringa só, sendo possível assim calcular a pressão, que ao ser obtida foi dividida por três, para identificar a pressão em cada uma das seringas. O mesmo processo de estimativa foi feito também para o raio das mangueiras. Frente ao explicado,

11 foram obtidos o novo raio da seringa R S = 0, 0300 metros e o novo raio da mangueira R M = 0, 0060 metros, levando à área da seringa de A S = 2, m, e a área da mangueira de A M = 1, m. Com os valores de força F e da área A de cada um dos corpos, foi mensurada a pressão P, por meio da Equação 1. Para a seringa a pressão total foi de 10016, Pa e para a mangueira a pressão total foi de , 4611 Pa. Porém como foi feita a suposição, foi preciso dividir esses valores totais de pressão por três, para que fosse obtido a pressão em cada uma das três mangueiras e em cada uma das três seringas. Logo a pressão em cada seringa foi de pressão em cada mangueira foi de P S = 3338, P a P M = 83473, P a enquanto que a

12 5. Discussão A prensa feita inicialmente não apresentou tantos resultados satisfatórios, pois a força por ela exercida era muito menor do que a necessária para amassar alguns tipos de materiais. As seringas utilizadas nessa prensa foram unidas duas a duas, para aumentar a quantidade de água presente no experimento, para que a força aplicada fosse ainda maior. Entretanto não obtivemos o resultado esperado, pois além da força não ser a desejada, a água começou a vazar através das pontas e da união das seringas, não garantindo uma durabilidade para o experimento. Com essa primeira prensa não foi possível obter resultados conclusivos, pois não foi possível aplicar um peso conhecido, para que fosse possível calcular a força. O preenchimento das mangueiras e das seringas com a água também foi uma das partes que apresentaram dificuldades, pois como não estava em um sistema ideal, a entrada do ar prejudicou o vácuo que era necessário para o sucesso do experimento. Na construção da segunda prensa, foi elaborada uma base para que ambas as seringas se deslocassem juntas, já que na primeira cada uma se deslocava de acordo com a força aplicada por cada pessoa que estivesse segurando cada seringa. Com a construção da segunda prensa também foi possível analisar que a distribuição da força ocorreu de uma maneira mais uniforme, pois apresentavam três seringas, apresentando uma maior estabilidade. Como ambas as prensas possuem uma mesma seringa, de raio igual, ou seja, de mesma área, e uma mesma mangueira de mesmo raio e consequentemente mesma área também, quando as forças aplicadas em cada uma das prensas fossem iguais, a pressão tenderia a ser maior na prensa que contém a maior quantidade de seringas. No entanto, era esperado que em ambas as prensas, as mangueiras teriam uma pressão maior no fluido do que na seringa, pois segundo a fórmula utilizada, pressão e área são inversamente proporcionais para uma mesma força constante aplicada. Portanto quanto maior a área, menor será a pressão para essa mesma

13 força. Esperava-se que os resultados de pressão na mangueira fosse maior do que a pressão na seringa, e segundo os cálculos isso ocorreu.

14 6. Referências Bibliográficas [1] BERGAMIM, J. P. C.; Princípio de Pascal em um experimento auto-explicativo. Disponível em: < 1_2008/JoaoP_LandersRF2.pdf > Acesso em 20/11/2018 [2] DA SILVA, D. C. M.; Prensa Hidráulica. Disponível em: < > Acesso em 20/11/2018 [3] WIKIPÉDIA. Prensa Hidráulica. Disponível em: < > Acesso em 21/11/2018 [4] DOESCHER, A. M. L.; Princípio de Pascal. Disponível em: < > Acesso em 22/11/2018 [5] IFSC. As várias maneiras de se obter uma determinada forma. Disponível em: < nto.pdf > Acesso em 22/11/2018 [6] ABILITY: Prensas enfardadeiras e equipamentos para reciclagem. Disponível em: < > Acesso em 22/11/2018