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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Engenharia mecânica em casa
A evolução da Engenharia mecânica no quotidiano
Projeto FEUP 1ºAno MIEM :
Bruno Sousa Tiago Abreu
Equipa: 1M03_1
Supervisor: José Ferreira Duarte Monitor: Bruno Sousa
Estudantes & Autores:
Ana I. Ferreira [email protected] Ana I. Costa [email protected]
Carlos M. Lopes [email protected] João G. Costa [email protected]
Pedro N. Brandão [email protected]
Realizado na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto em Outubro de 2015
Engenharia mecânica em casa - A evolução da engenharia mecânica no quotidiano |
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Resumo
O tema que foi proposto para a realização deste relatório foi “A Engenharia
Mecânica em Casa”; como é de conhecimento de todos a engenharia mecânica tem
tido, ao longo dos tempos, um papel fulcral no desenvolvimento e crescimento de
quase todos os aspetos da sociedade e, as nossas casas, não fogem à regra.
Segundo o tema proposto foi decidido, como subtema, fazer uma análise da
necessidade e da importância da engenharia mecânica no passado e no presente.
Para tal, vamos nomear as vantagens e desvantagens que tem trazido ao longo dos
tempos. E, para melhorar o efeito, foram escolhidos 5 objetos diariamente utilizados
em todas as habitações onde a evolução da engenharia mecânica tem sido notória,
sendo eles: os painéis solares, as janelas, os relógios, as placas de indução e os
frigoríficos.
Palavras-Chave
Engenharia Mecânica ; Revolução Industrial; Futuro Melhor; Relógios;Frigoríficos;
Energia Solar; Painéis Solares; Janelas; Placas de Inducão; Evolução;
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Agradecimentos
A primeira equipa da terceira turma do Mestrado Integrado em Engenharia
Mecânica, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, gostaria de
agradecer a diversos elementos da comunidade da universidade do Porto.
De partida damos honras ao excelente diretor da faculdade de engenharia, tal
como, a toda a direção pedagógica por nos possibilitar uma semana intensiva na
educação da infoliteracia, Uma ferramenta que será vital no nosso percurso
enquanto engenheiros prontos para liderar futuras gerações na construção de uma
sociedade melhor.
Agradecemos aos exímios monitores Bruno Sousa e Tiago Abreu pelo seu
notável acompanhamento neste projeto assim como o professor José Ferreira
Duarte na sua motivação e condução em prol de um melhor trabalho.
Em geral, toda a academia do porto tem o nosso agradecimento por nos facilitar
preciosas instalações e ferramentas que permitem o nosso desenvolvimento quer
profissional ,quer individual e social.
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Índice Remissivo
Resumo .......................................................................................................................... 2
Palavras-Chave .............................................................................................................. 2
Agradecimentos .............................................................................................................. 3
Índice Remissivo............................................................................................................. 4
Índice de tabelas e figuras .............................................................................................. 5
1. Introdução ................................................................................................................... 6
2. A Engenharia Mecânica e a Revolução Industrial. ...................................................... 7
3. A necessidade da Engenharia Mecânica no dia a dia ................................................. 8
Engenharia Mecânica: a constante necessidade de evoluir e melhorar ................... 8
Necessidade da engenharia mecânica no dia a dia ................................................. 9
4.Desvantagens e Vantagens da emancipação da Engenharia Mecânica .................... 10
5. Aplicações da Engenharia Mecânica no Quotidiano ................................................. 11
5.1 Relógios .............................................................................................................. 11
5.1.1 A evolução do relógio ................................................................................... 11
5.1.1 O funcionamento do relógio .......................................................................... 12
5.1.1 As vantagens de um relógio: ......................................................................... 14
5.2. Painel Solar ........................................................................................................ 15
5.2.1 A utilização da energia solar ......................................................................... 15
5.2.4 Vantagens de um coletor solar a vácuo ....................................................... 20
5.2.5 Cálculo da eficiência do coletor solar: ........................................................... 21
5.2.6 Desvantagens de um coletor solar a vácuo .................................................. 21
5.3. Placa de indução ................................................................................................ 22
5.3.1 O aparecimento da placa de indução ............................................................ 22
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5.3.2 O funcionamento da placa de indução .......................................................... 23
5.3.3 A Vantagens da placa de indução ao invés de uma outra ............................. 25
5.4 Janelas ................................................................................................................ 26
5.4.1 A evolução histórica das janelas ................................................................... 26
5.4.2 Fabrico da caixilharia .................................................................................... 28
5.5. Frigorífico ........................................................................................................... 30
5.5.1 A evolução do frigorífico:............................................................................... 30
5.5.2. Funcionamento do frigorífico: ....................................................................... 31
5.5.3 Principais componentes de um frigorífico: ..................................................... 32
6. Conclusão ................................................................................................................. 34
Referências bibliográficas ............................................................................................. 35
Índice de tabelas e figuras
Ilustração 1 - A fundição de ferro em blocos, de Herman Heyenbrock (1890) ................. 8
Ilustração 2 - Evolução do relógio portátil ..................................................................... 12
Ilustração 3 - Vista explodida de um relógio mecânico ................................................. 14
Ilustração 4 - Radiação absorvida na atmosfera ........................................................... 15
Ilustração 5 - Constituição do painel solar .................................................................... 17
Ilustração 6 - Funcionamento do coletor solar a vácuo (semelhante ao coletor solar
usual) .................................................................................................................................. 18
Ilustração 7 - Frasco de Dewar ..................................................................................... 18
Ilustração 8 - interior do tubo de vácuo ......................................................................... 19
Ilustração 9 Curvas de rendimento para coletores solares de baixa e média temperatura
(Norton, 2006) ..................................................................................................................... 20
Ilustração 10 - Vitral ...................................................................................................... 27
Ilustração 11 – Janela do Estilo Manuelino do Convento de Mafra ............................... 27
Ilustração 12 - caixilharia contemporânea ..................................................................... 28
Ilustração 13 - interior do vidro duplo ............................................................................ 29
Ilustração 14 - Funcionamento do Frigorifico ................................................................ 32
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Ilustração 15 - Termostato ............................................................................................ 33
Tabela 1 -Tabela de comparação de custos entre coletor solar a vácuo (tubular) e
coletor solar usual em três cidades do Brasil (Rosa,2012) .................................................. 22
Tabela 2 - Comparação dos valores de K ..................................................................... 30
1. Introdução
O presente relatório foi realizado no âmbito da unidade curricular Projeto
FEUP, pela equipa número 1, da turma 1M03, do curso: Mestrado Integrado em
Engenharia Mecânica. O tema proposto foi “A Engenharia Mecânica em Casa”.
Assim, o atual relatório pretende comparar a vida quotidiana antes e após o
aparecimento de certos aparelhos, demonstrando as diferentes vantagens e
desvantagens da evolução tecnológica.
O objeto em estudo é, então, a evolução da Engenharia Mecânica no dia-a-
dia e a demonstração da sua crescente presença na periferia diária.
Com efeito, a revolução industrial na Europa e o aparecimento da máquina a
vapor são acontecimentos que retratam o ponto de viragem na necessidade da
mecânica e da tecnologia no mundo e particularmente, no estilo de vida. Deste
modo, com as reformas realizadas na indústria, política e educação, a explosão
económica permitiu uma evolução exponencial na área da mecânica, modificando
radicalmente o dia-a-dia, todas as classes sociais.
No entanto, a evolução e metamorfose da vivência diária devido à explosão
industrial teve, também, consequências nefastas, que serão demonstradas neste
relatório.
Todavia, em todo o nosso redor encontramos obras e engenhos que sem a
Engenharia Mecânica seriam quiméricos à nossa vida quotidiana, por exemplo:
relógios, frigoríficos, ar condicionados, placas de indução e até mesmo janelas ,
objetos aos quais iremos fazer uma autópsia e constatar que a sua invenção sofreu
um processo demoroso e trabalhoso. Demonstrando assim, a vitalidade e
reverência da Engenharia Mecânica no quotidiano no mais banal objeto.
Por fim, em busca de criar uma linha condutora a futuras pesquisas, com o
intuito que Engenharia Mecânica evolua, melhorando o nosso dia-a-dia , tendo por
base deste projeto uma citação de Lee Lacocca, um dos criadores das indústrias
Ford :
“A competitividade de um país não começa nas indústrias ou nos
laboratórios de engenharia. Ela começa na sala de aula.”
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2. A Engenharia Mecânica e a Revolução Industrial.
A Revolução Industrial foi um acontecimento que se deu tardiamente em Portugal
devido à presença de um regime retrógrado absolutista.
Todavia, “ A revolução industrial teve maior incidência nos grandes centros urbanos,
o que atrai pessoas do interior em busca de melhores condições de vida e mais
riqueza. No final do séc. XIX e início do séc. XX observa-se uma expansão urbana
na cidade de Lisboa” (www.techitt.com), o que despontou a necessidade a criação
imobiliária rápida e a baixo custo e a criação de postos de trabalho, desenvolvendo
por sua vez a indústria. Surgiu então a grande necessidade de aparecimento de
profissionais especialistas nas novas tecnologias industriais para manter a
independência económica; “ Um dos primeiros passos com o objetivo de
industrialização da sociedade portuguesa foi a criação da Academia Politécnica do
Porto e a escola Politécnica de Lisboa.” (www.techitt.com)” Apareceu então o curso
de Engenharia Mecânica e Industrial como um complemento à formação em
engenharia , que até então era maioritariamente o curso de Engenharia Civil.
“A Engenharia Mecânica está na base de qualquer equipamento ou
aparelho que se movimente, desde uma gigantesca turbina ao mais
rudimentar dos brinquedos. Não é por acaso que a origem dessa ciência
remonta àquela que talvez seja a mais simples e, ao mesmo tempo, a
mais importante das tantas invenções do homem: a roda. Mas foi só no
século XIX em prol da Revolução Industrial, com a exploração massiva
dos metais e ligas para utensílios e estruturas, que se instituiu e se
definiu a Engenharia Mecânica” (www.engenhariamecanica.net)
Rapidamente, surgiram novos ramos da engenharia como consequência da
revolução industrial: a Engenharia Química, a Engenharia de Minas e a Engenharia
de metalúrgica e material.
A primeira máquina a vapor em Portugal foi utilizada num paquete que levantou
ferro pela primeira vez em 1820 coincidindo com a Revolução Liberal portuguesa.
Com o decorrer da reforma industrial e de valores do país, em pouco tempo as
chaminés altas e fumos começaram a desbotar em todo o lado originando a floresta
de betão contemporânea.
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Assim, com a explosão económica e demográfica seguida de uma emancipação das
classes sociais mais pobres, a engenharia desenvolveu-se para lá das indústrias,
entrando nas casas das grandes massas. Objetos e aparelhos antes exclusivos das
classes aristocráticas passaram a estar disponíveis a todos. A evolução da
engenharia, em particular da mecânica, permitiu que o automóvel se torna-se algo
banal e possível a todos. Em suma, após revolução industrial a engenharia
mecânica evoluiu em busca de igualar todas as classes, procurando métodos de
desenvolver a tecnologia e reduzir custos, inventado novos engenhos e melhorando
os antigos, que viriam a mudar o quotidiano pelo caminho, nomeadamente a
televisão.
3. A necessidade da Engenharia Mecânica no dia a dia
Engenharia Mecânica: a constante necessidade de evoluir e
melhorar
Foi graças à engenharia (incluindo mecânica) que existem muitos dos
aparelhos que hoje em dia poupam tempo e esforço, dando também algum conforto.
Ilustração 1 - A fundição de ferro em blocos, de Herman Heyenbrock (1890)
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Quase tudo o que se encontra nas nossas habitações existe graças à engenharia.
Como dizia Henry Petroski em “Engineering the Everyday and the Extraordinary:
Milestones of Innovation” :
.
Thomas G. Loughlin também dizia, no mesmo livro, que, como a existência destes
produtos no quotidiano se tornou um hábito, não costumam ser contemplados,
embora sejam indispensáveis.
Existem pelo menos cinco objetivos a cumprir que solicitam a evolução e
criação de novos produtos domésticos através da engenharia: obter maior
rendimento, diminuir o tempo da tarefa a executar, obter uma maior segurança
evitando de forma mais eficaz os acidentes comuns, proporcionar um grau mais
elevado de conforto e obter uma maior facilidade de utilização.
Necessidade da engenharia mecânica no dia a dia
Sem os aparelhos e utensílios de hoje em dia, seria impossível alcançar os
objetivos do século XXI, quer sejam objetivos pessoais ou profissionais. Hoje em
dia, ninguém consegue exercer o seu cargo numa empresa sem os engenhos que
foram desenvolvidos e criados pela engenharia. Para começar, nem seria possível a
deslocação até ao local de trabalho, pois o automóvel também foi uma invenção da
engenharia mecânica. De facto, em Portugal a percentagem de indivíduos que usa o
automóvel para se deslocar passou de 34,93% em 2001 para 43,73% em 2011
(Censos 2011 Resultados Definitivos - Portugal, 2011, INE), o que mostra que neste é-se
cada vez mais dependente da engenharia mecânica.
De facto, um dos instrumentos essenciais para se poder trabalhar em
qualquer empresa é o computador. Embora estejam mais ligados à área de
engenharia informática, a engenharia mecânica também se encontra presente, ao
ter criado o sistema de refrigeração, que não é mais do que uma ventoinha que está
ligada a um motor (é essa ventoinha que faz o típico ruído dos computadores). Sem
esse sistema, o computador começa a aquecer até que queima. E, como é sabido,
na atualidade transmitem-se informações de elevada importância através da
“Os frutos da imaginação e as metas alcançadas em engenharia
tocam-nos no nosso quotidiano numa sociedade tecnológica, quer de dia,
quer de noite. Nós interagimos e beneficiamos de produtos que foram
pensados, desenvolvidos e tornados possíveis pela engenharia: o chuveiro
quente, a máquina do café, o telefone, a fotocopiadora, (...) o ar
condicionado e o aquecimento das habitações, (...) e as canalizações.”
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internet, o que significa que sem a engenharia mecânica não seria possível a
existência de qualquer computador e estaríamos ainda muito atrasados no que toca
à informática. De facto, em Portugal, no ano de 2014, 81% dos hospitais utilizavam
rede wireless LAN para aceder à internet (Portugal, 2014, INE, Inquérito à Utilização das
Tecnologias de Informação e de Comunicação nos Hospitais), ou seja, se não existissem
computadores seria muito demorado tratar dos assuntos relacionados com essa
área.
4.Desvantagens e Vantagens da expansão da Engenharia
Mecânica no mundo contemporâneo.
A emancipação da Engenharia mecânica trouxe consigo tantas vantagens
como desvantagens. O desenvolvimento da Engenharia contribuiu para grandes
mudanças no mundo que acabaram por atingir diretamente a população, e provocou
uma fantástica mudança revolucionando os métodos de trabalho das empresas,
fabricas e indústrias.
Algumas dessas vantagens surgiram a partir de grandes invenções, hoje
utilizadas por todos, das quais serve como exemplo o desenvolvimento dos meios
de comunicação, que possibilitaram a interação a longa distância entre pessoas de
todas as partes do mundo permitindo a expansão, por exemplo, do comércio entre
os países. Além do mais, surgiram as máquinas industriais e também meios de
locomoção, como as ferrovias ou os navios que proporcionaram essa aproximação
entre as cidades e países.
Com a melhoria das condições de vida nos centros industrializados, deu-se uma
grande movimentação populacional do campo para a cidade em busca de uma vida
melhor, embora essas pessoas acabassem muitas vezes por viver em condições
sub-humanas.
Com a consolidação do capitalismo, surgiu a propriedade privada e novas
oportunidades, mas a ganância, em busca de dinheiro, fez com que o homem
poluísse grande parte da natureza. Por exemplo, a poluição e a contaminação do ar
teve como consequência algo que ainda hoje causa distúrbios: os efeitos do
aquecimento global.
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5. Aplicações da Engenharia Mecânica no Quotidiano
5.1 Relógios
5.1.1 A evolução do relógio
Há cerca de 5000 anos, o ser humano começou a observar os movimentos
diferentes do sol no céu diurno. Inicialmente foram os povos Asiáticos e egípcios
que começaram por dividir o dia em 24 partes distintas – horas. Surgiu a
necessidade então da sua medição precisa, tendo sido inventado pelo povo
babilónico o relógio de sol. Contudo, apesar de existirem de ampulhetas, devido à
sua falta de precisão e incómodo, surgiram os relógios individuais.
“A medição mecânica do tempo teve origem nas ordens religiosas que tinham necessidades de regular os tempos de oração e de culto.
Os primeiros relógios mecânicos não mostravam o tempo: faziam-no soar.” (Litiere C. Oliveira)
No fim da idade média, com os Descobrimentos da sociedade Europeia, surgiu por
necessidade a manufaturação de relógios mecânicos. O primeiro relógio mecânico
conhecido foi inventado em 1386 por Henry de Vicky e encontra-se atualmente no
Museu de Ciência, em Londres.
Contudo, o relógio era um objeto que se encontrava num local público e eram raros
os casos de existência destes aparelhos num ambiente doméstico – apenas a
aristocracia tinha possibilidades económicas para tal.
Com a utilização do pêndulo no relógio, em 1780 é inventado por Louis Recordon,
em Londres, o primeiro relógio de bolso. O relógio tornou-se então mais acessível
às grandes massas.
O relógio contemporâneo só foi patenteado em 1924, por John Harwood, utilizando
“propriedades elétricas de cristais na fabricação de relógios” (Litiere C. Oliveira).
Entretanto, com a explosão demográfica, tecnológica e económica tem surgindo
novidades na área num período de tempo cada vez menor: cronómetro, relógios de
múltiplas ferramentas, digitais e à prova de água. A tecnologia atómica superou a
tecnologia do quartzo, no entanto devido ao elevado custos e falta de portabilidade
o cristal é ainda muito utilizado em relógios de pequena escala.
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5.1.1 O funcionamento do relógio
O relógio mecânico que pulso é constituído por 5 partes essenciais e diferentes:
o“chassi”, a corda, o clique, o sistema de engrenagens e o escapamento.
O chassi , sendo a caixa ou “platina” que comporta o equipamento todo. Deve ter
condições herméticas e conseguir suportar determinadas pressões para o bom
funcionamento de todos os componentes mesmo nas mais adversas condições.
Atualmente muitas destas caixas são capazes de serem submersas em água, sendo
o vidro de relógio impermeável e capaz de suportar as altas pressões..
A corda do relógio mecânico é uma mola em espiral que se encontra em torno
de um eixo que, quando enrolada, armazena energia que se liberta para retornar à
sua forma original, graças à característica elástica do material em que é fabricada.
Existe também um tambor que faz a conversão da energia elástica em energia
cinética sob a forma de rotação. O eixo no centro do tambor é chamado de árvore.
Conclui-se assim que o relógio funciona com base em energia elástica e cinética.
Atualmente, os relógios mecânicos possuem um sistema eléctrico que substitui a
funcionalidade da corda.
Em corroboração com o sistema anterior, existe uma peça denominada de
“clique” que é uma simples peça com a função de manter a corda estática. Apesar
Ilustração 2 - Evolução do relógio portátil
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da sua simplicidade é uma peça vital ao funcionamento do aparelho.
A maioria da peça é constituída pelo sistema de engrenagens que tem os dentes
do tambor como o primeiro elemento do sistema, tendo uma função fundamental de
transmitir a força da mola para o oscilador, permitindo assim a marcação do tempo.
Os dentes do tambor constituem o primeiro elemento do sistema de
engrenagens, que tem como função transmitir a força da mola para o escapamento,
permitindo assim a marcação do tempo. Uma roda completa é composta por uma
engrenagem, um pinhão e um eixo.
O escapamento tem como função controlar a velocidade de a que se dá p
desenrolamento da mola, ou seja a quantidade de força que é transmitida pela mola
para o sistema de engrenagens. O escapamento funciona bloqueando e libertando o
desenrolar da corda uma quantidade de vezes por segundo predefinida pelo
construtor: no caso do fabricante Rolex, por exemplo, encontra-se nas 28,800
pulsações por hora (www.rolex.com). O sistema é composto por três itens básicos:
a roda de oscilação, a âncora e o balanço. Os três que controlam a velocidade do
ciclo de bloqueio e libertação.
“Atualmente, muitos relógios são electrónicos e
possuem um cristal de quartzo que quando moldado
num formato específico e colocado num circuito
eléctrico apropriado, vibra com uma frequência
constante assemelhando-se a pêndulo rápido.”
(http://wol.jw.org/pt/wol/d/r5/lp-t/102005366)
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Ilustração SEQ Ilustração \* ARABIC
Ilustração 3 - Vista explodida de um relógio mecânico
5.1.1 As vantagens de um relógio:
A invenção do relógio de pulso é mais benéfica para o individuo do que nefasta. O
relógio é útil no decorrer do dia devido à sua multifuncionalidade. Por exemplo, hoje
em dia quase todos fazem a contagem dos dias, o que ajuda na localização
temporal do utilizador. Muitos equipamentos mais complexos são dotados de um
sistema de cronometragem, de um barómetro e de um medidor de altitude. Tais
informações podem ser úteis num extenso leque profissional.
Para além disso, o relógio apresenta-se como um elemento fulcral no mundo da
moda, sendo considerado um “status quo” e um símbolo de poder utilizador.
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Ilustração SEQ Ilustração \* ARABIC
5.2. Painel Solar
A presença de paineis solares no nosso quotidiano tem-se vindo a valorizar
cada vez mais tendo em conta o importante papel que têm na afirmação da nova
geração de energias (a geração das energias renováveis) e o forte impacto da
engenharia mecânica na procura de métodos alternativos como este. Portanto, a
escolha do painel solar para um dos objetos a tratar neste projeto faz todo o sentido,
tendo em conta o âmbito do trabalho e o tema em questão, até porque este
equipamento é, cada vez mais, associado ao uso doméstico.
Existem dois tipos de painel solar, o fotovoltaico e o térmico (ou coletor solar),
no entanto, por uma questão de contexto, apenas será abordado o painel solar
térmico, o mais comum em instalações domésticas e o mais relevante no que diz
respeito ao tema: “Engenharia mecânica em casa”.
5.2.1 A utilização da energia solar
Hoje em dia, cerca de 95% da energia utilizada é proveniente de carvões
minerais, petróleo e gás natural, isto é, de fontes de energia não renováveis. Torna-
se evidente que a produção de carvão, petróleo e gás natural não pode continuar
indefinidamente, pelo que a necessidade de encontrar energias alternativas e
renováveis é cada vez maior. Das alternativas possíveis, as mais estudadas são a
energia solar, a eólica, a hidroelétrica, a geotérmica e a das marés.
A massa do Sol constitui cerca de 99,8% da massa total do Sistema Solar.
Este astro apresenta-se como uma enorme esfera
incandescente, com temperaturas de cerca de 6000 ºC à
superfície e de vários milhões de graus Celsius no seu centro,
temperaturas estas originadas pelas permanentes reações
termonucleares, das quais resulta a formação de hélio a partir
do hidrogénio. Como consequência destas reações, o Sol
liberta para o espaço grandes quantidades de energia sob a
forma de radiação, a qual atinge a superfície da Terra
sob três formas principais: Ilustração 4 - Radiação absorvida na atmosfera