CENTRO UNIVERSITRIO DE JARAGU DO SUL UNERJ

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CENTRO UNIVERSITRIO - CATLICA DE SANTA CATARINACURSO DE ENGENHARIA MECNICAARMINDO CAETANO RAPHAEL BOMFIMTIAGO RAFAEL PERINCONSTRUO DE PROTTIPO PARA OBTENO DE ENERGIA ELTRICA ATRAVS DA MOVIMENTAO DE ENGRENAGENSJARAGU DO SUL

JULHO/2013

ARMINDO CAETANO RAPHAEL BOMFIMTIAGO RAFAEL PERINCONSTRUO DE PROTTIPO PARA OBTENO DE ENERGIA ELTRICA ATRAVS DA MOVIMENTAO DE ENGRENAGENSRelatrio final de iniciao cientfica do Projeto PIBIC/CNPq PROINPES/Catlica de Santa Catarina.Orientadores: Prof. M.Sc Francisco Alfaro

Prof. M.Sc Jaisson Potrich dos ReisJARAGU DO SULJULHO/2013RESUMO

A energia eltrica fundamental para suprir as necessidades da civilizao, podendo ser obtida de diversas maneiras. Entretanto, a grande maioria dos processos para obteno causam impactos ambientais. Pensando na preservao do meio ambiente, cada vez mais importante se preocupar com a obteno de energia sustentvel, ou seja, que no cause danos ou reduzam os impactos ao meio ambiente. Um processo economicamente vivel para a energia limpa a utilizao da energia cintica, que no atribui danos ao meio ambiente e no necessita de gastos para a obteno da mesma, pois esta energia resulta da consequncia de algum movimento realizado pelo homem e na qual seria desperdiado. O presente projeto prope a construo de um prottipo para transformao de energia cintica em energia eltrica, com base nos conceitos fsicos e tambm relacionados a rea de materiais, desta forma pretende-se desenvolver uma forma de energia sustentvel e ecologicamente correta.PALAVRAS-CHAVES: energia eltrica; meio ambiente; energia sustentvel; LISTA DE TABELASLISTA DE FIGURAS

10Figura 1 - Fluxograma das Etapas

13Figura 2 - Engrenagem Cilndrica de Dentes Retos

13Figura 3 - Engrenagem Cilndrica de Dentes Retos com Cremalheira

14Figura 4 - Aplicao da Fora para Obteno do Torque

SUMRIO

61 INTRODUO

72 PROBLEMATIZAO

73 JUSTIFICATIVA

84 OBJETIVOS

82.1 OBJETIVO GERAL

82.1 OBJETIVOS ESPECFICOS

95 METODOLOGIA

106 FUNDAMENTAO TERICA

116.1 FORA

116.2 ENGRENAGEM

146.3 TORQUE

156.4 ENERGIA MECNICA

166.5 GERADOR DE PEQUENO PORTE

166.6 ENERGIA ELTRICA

197 MATERIAIS E MTODOS

208 RESULTADOS E DISCUSSO

218 CONSIDERAES

22REFERNCIAS

1 INTRODUO2 PROBLEMATIZAOA energia eltrica vem sendo cada vez mais utilizada pela sociedade, j que a demanda energtica mundial cresce a cada ano. Fato este que acaba obrigando a produo de mais energia para suprir esta constante ampliao. Entretanto, os principais mtodos empregados para a gerao desta energia apresentam inmeros impactos ambientais. Por conseguinte, a utilizao da energia eltrica gerada pelas usinas (nuclear, termoeltrica, hidreltrica, entre outras) tem sido utilizada de forma invivel em diversos locais que vem sendo empregado, pois esta poderia ser melhor aproveitada em outros meios do que simplesmente na iluminao de vias pblicas, sinaleiros, outdoors, entre outros, e que abrangem uma grande porcentagem da demanda de energia total. Segundo o INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia), a iluminao pblica representa cerca de 3% at 5% do consumo total de energia do Brasil.3 JUSTIFICATIVA

Produzir energia de forma sustentvel, tem sido um dos grandes desafios da humanidade. Todas a reas de gerao de energia esto investindo em tecnologias para aprimorarem-se cada vez mais. Desta forma, diversos meios de inovao para este tema vem sendo experimentados e alguns at implementados, como a gerao de energia atravs das ondas do mar, fontes geotrmicas, entre outros. Entretanto sempre utilizam a natureza como a sua fora motriz.

Uma rea, que pouco difundida no mercado, e que pode ser amplamente usada para produo energtica sustentvel a da mecnica do movimento, j que apresenta baixos custos para sua obteno, pois s existiro gastos com a construo do prottipo (engrenagens, rolamentos, entre outros), e a fora motriz ser a fora peso ou uma fora que independentemente j estaria sendo fornecida, possibilitando uma grande vantagem da utilizao deste mtodo. Desta forma, seria possvel utilizar a energia armazenada do movimento de carros em uma rodovia e o caminhar das pessoas em um Shopping, por exemplo, para suprir diversos gastos que o local apresente, como iluminao, acionamento de portas de entrada e refrigerao. 4 OBJETIVOS2.1 OBJETIVO GERALConstruir um prottipo para obteno de energia eltrica atravs de um sistema de engrenagens acionadas pelo movimento cintico. 2.1 OBJETIVOS ESPECFICOS

Para atingir o objetivo geral deste projeto de iniciao cientfica, listam-se a seguir, os objetivos especficos:

a) Aprimorar os conhecimentos recebidos em disciplinas de fsica e na rea de materiais;

b) Fundamentar teoricamente o assunto;

c) Aprofundar os conhecimentos sobre a gerao de energia;

d) Estudar a utilizao de energia cintica para produo de energia eltrica;

e) Pesquisar sobre a correta escolha de materiais usadas no prottipo;

f) Projetar e dimensionar as peas que englobam o prottipo.5 METODOLOGIAA gerao de energia eltrica atravs da energia cintica requer diversas etapas e as mesmas sero descritas a seguir:

Analisar os materiais a serem utilizados para construo do prottipo;

Projetar um sistema de engrenagens e dimensionar os materiais;

Adquirir um gerador (motor de pequeno porte);

Fabricar um sistema de engrenagens responsvel pela captao de energia cintica e transferi-lo para um gerador, obtendo assim energia eltrica;

Avaliar os dados da energia produzida e comparar com quantidades de energia utilizada em situaes cotidianas.A seguir sero caracterizadas as etapas para a construo do prottipo. Primeiramente ser feito um estudo sobre os componentes necessrios para a elaborao do mesmo, levando em conta o custo e a necessidade especfica do material em relao a sua utilizao. Em seguida ser elaborado e dimensionado o projeto de um sistema de engrenagens, levando em considerao as pesquisas realizadas para fundamentao terica sobre engrenagens e transferncia de fora, para definir qual a melhor relao para obter e ampliar a gerao de energia. Entretanto, para a aquisio dessas engrenagens, ser feita uma busca em alguns pontos de sucateamento do municpio (ferro-velho), para localizar engrenagens que possam se enquadrar ao prottipo que foi projetado, diminuindo os custos para sua obteno. Caso no se encontre as mesmas, ser necessrio produzi-las utilizando materiais brutos e confeccionando-os no laboratrio de usinagem disponibilizado pela Catlica de Santa Catarina, Campus de Jaragu do Sul. Por conseguinte, ser adquirido um motor de pequeno porte, como por exemplo o de um carro de controle remoto, com o intuito de transformar a energia cintica de movimento em energia eltrica atravs do acionamento de uma lmpada de led de baixa tenso. Aps projetar, dimensionar e adquirir os materiais, ser realizada a construo do sistema de engrenagens utilizando os laboratrios disponibilizados pela Catlica. Por fim, ser analisada a quantidade de energia obtida com determinados ciclos de movimento, ou seja, o quanto de energia que o prottipo pode gerar com a aplicao de movimentos que acionam as engrenagens, repetindo o ciclo por perodos pr-determinados. Deste modo, ser possvel tabelar a mdia de energia que pode se obter em determinado tempo e quantidade de aplicaes, atravs de mtodos estatsticos. Assim, pode-se averiguar em quais locais de utilizaes cotidianas o prottipo ser de grande valia ao ser implementado (custo x benefcio), como por exemplo a possibilidade de deixar uma lmpada acesa por um longo perodo de tempo apenas com a energia obtida do prottipo.6 FUNDAMENTAO TERICAO presente trabalho aborda a converso de energia cintica atravs de engrenagens em energia eltrica concebida pela utilizao de um gerador. Para melhor compreender este PROINPES, na Figura 1 encontra-se o fluxograma com as principais etapas que sero desenvolvidas neste projeto. Tais etapas compreendem conceitos fsicos e mecnicos fundamentais, que sero portanto explanados a seguir.Figura 1 - Fluxograma das Etapas

Fonte: Dos Autores, 20126.1 FORASegundo Servway e Jewett (2005, p. 106) [...] exercer uma forasignifica puxar ou empurrar. Uma definio melhor a de que uma fora uma interao entre dois corpos ou entre o corpo e seu ambiente [...]. Por isso, sempre nos referimos fora que um corpo exerce sobre outro.

Conforme Tipler (2000, p. 77)A direo da fora a direo da acelerao que ela provoca, se for a nica fora que atua sobre o corpo. O mdulo da fora o produto da massa do corpo pelo mdulo da acelerao. Esta definio de fora compatvel com a idia intuitiva que temos, como um empurro, ou puxavo, que exercemos sobre um corpo pela ao dos nossos msculos.Dessa forma temos a partir da Segunda Lei de Newton e conforme Serway e Jewett (2005, p. 116) quequando uma fora resultante externa atua sobre um corpo, ele se acelera. A acelerao possui a mesma direo e o mesmo sentido da fora resultante. O vetor fora resultante igual ao produto da massa do corpo pelo vetor acelerao do corpo.Por conseguinte, a equao 1 define essa fora resultante.

[1]

Onde F: Fora [N]

m: massa [kg]

a: acelerao [m/s] 6.2 ENGRENAGEM

Enciclopdia Barsa (1993, p. 5), cita que a engrenagem umElemento mecnico composto de rodas dentadas que se ligam a um eixo rotativo, ao qual imprimem movimento. As engrenagens operam aos pares, os dentes de uma se acasalando com os de outra. Se os dentes de um par de engrenagens acasaladas se dispem em crculo, a razo entre as velocidades angulares e os torques do eixo ser constante. Se o arranjo dos dentes no for circular, variar a razo de velocidade.Segundo Oliveira (1980, p.1)

Denominamos engrenagem ao conjunto de 2 rodas dentadas denominadas pinho, a menor, e simplesmente roda, a maior. Tratando-se de engrenagens no cilndricas, a roda maior denomina-se coroa. Na prtica emprega-se o termo engrenagem como sinnimo de roda dentada.

Por conseguinte, Gasparin (2004, p. 4), afirma que A transmisso de movimento de um par de engrenagens permite alterar a velocidade angular, o torque e at a direo de movimento de um eixo a outro de uma engrenagem. Isso possvel devido geometria desses componentes mecnicos. Esses elementos de transmisso de movimento e torque permitem a reduo ou o aumento do momento de toro, com perdas pouco significativas de energia, por no permitirem patinao.

Dessa forma, se o pinho for a roda menor e estiver acoplado ao eixo do motor, o conjunto de engrenagens tende a reduzir a velocidade e aumentar o torque, e vice-versa. Caso a coroa (engrenagem maior), obter o dobro de dentes em relao ao pinho (engrenagem menor), o torque da coroa duas vezes maior que a do pinho, ao passo que a velocidade do pinho duas vezes maior que a da coroa. (ENCICLOPDIA BARSA, 1993, p. 6).

Existem diversas combinaes de geometrias para a movimentao por engrenagem (cilndricas de dentes retos, cilndricas helicoidais, cnicas, parafuso sem fim, etc) dentre todas elas, duas sero as possveis engrenagens a serem utilizadas no prottipo que ser desenvolvido: Engrenagem Cilndrica de Dentes Retos e Engrenagem com Cremalheira. (Oliveira, 1980).

Segundo Oliveira (1980, p. 3), as engrenagens cilndricas de dentes retos so empregadas em larga escala, na transmisso de movimento entre eixos paralelos. So as de mais fcil estudo, fabricao e controle. [Fornecem rendimento elevado entre 98-99%]. [...] Transmitem ao eixo apenas cargas radiais.

[...] So muito usadas nas transmisses de baixa rotao do que nas de mais alta, por causa do rudo que produzem. (GASPARIN, 2004, p. 5).

A Figura 2 apresenta uma ilustrao de Engrenagens Cilndricas de Dentes Retos.

Figura 2 - Engrenagem Cilndrica de Dentes Retos

Fonte: Oliveira, 1980.

Conforme Gasparin (apud MELCONIAN, 2003,) A engrenagem cilndrica com cremalheira [...] usada para transformar movimento giratrio em longitudinal e vice-versa em casos onde as velocidades no so muito grandes.A cremalheira importante no s como um tipo especfico de engrenagem, mas tambm porque a forma bsica de vrias ferramentas empregadas na usinagem de rodas dentadas. Como engrenagens, so utilizadas quando se deseja um movimento de translao entre dois corpos. A cremalheira pode ser considerada como um caso limite de engrenagem cilndrica quando o raio do cilindro tende a um valor infinitamente grande (OLIVEIRA, 1980).Figura 3 - Engrenagem Cilndrica de Dentes Retos com Cremalheira

Fonte: Gasparin, 2004.6.3 TORQUESegundo Servway e Jewett (2005, p. 327):Quando uma fora exercida sobre um corpo rgido que pode girar em torno de um eixo, e a linha de ao da fora no passa atravs do ponto de apoio no eixo, o corpo tende a girar ao redor desse eixo. [...] A tendncia de uma fora em girar um corpo ao redor de algum eixo medida por uma grande vetorial chamada torque.

O torque fornece a medida quantitativa de como a ao de uma fora pode provocar ou alterar o movimento de rotao de um corpo (YOUNG; FREEDMAN, 2004, p. 316). Em outras palavras, o torque pode ser imaginado como a aplicao de uma toro, semelhante a fora que pode ser comparada a um empurro ou um puxavo (TIPLER, 2000, p. 241).

O torque encontrado atravs do produto entra a fora e o brao de alavanca, sendo que este brao definido atravs da distncia perpendicular entre a linha de ao da fora e o eixo de rotao (TIPLER, 2000, p. 241). A Figura 4 apresenta a aplicao da fora (F) e o brao da alavanca (d) para obteno do torque.

Figura 4 - Aplicao da Fora para Obteno do Torque

Fonte: Tipler, 2000, p. 241.

Desta forma, a equao que define torque pode ser escrita da seguinte maneira:

= r (F sen ) = Fd [2]

Onde = torque [N.m]

d = rsen = brao de alavanca [m]

F = Fora [N]

Atravs da Equao [2] e conforme Servway e Jewett (2005, p. 328), observa-se que:Vemos da definio de torque que a tendncia de rotao aumenta com o aumento de F e com o aumento de d. Por exemplo, causamos rotao maior em uma porta se (a) a empurramos com mais fora ou (b) a empurramos pela maaneta em vez de empurrar por um ponto prximo das dobradias. Torque no deve ser confundido com fora. Torque depende de fora, mas ele tambm depende de onde a fora est aplicada. Torque tem unidades de fora vezes comprimento N.m em unidades SI.6.4 ENERGIA MECNICA

Segundo Prss (2012) Chamamos de Energia Mecnica a todas as formas de energia relacionadas com o movimento de corpos ou com a capacidade de coloc-los em movimento ou deform-los. Deste modo, existem duas classes de Energia Mecnica, que so: Energia Potencial e Energia Cintica.

A Energia Potencial (Ep) a que um corpo que, em virtude de sua posio ou estado, capaz de realizar trabalho. Nesta classe, existem duas subdivises, que so: Energia Potencial Gravitacional e Energia Potencial Elstica. (PRSS, 2012).

Em contrapartida, a Energia Cintica (Ec) definida por Prss (2012) como todo o corpo em movimento possui uma energia associada a esse movimento que pode vir a realizar um trabalho (em uma coliso por exemplo). A essa energia damos o nome de energia cintica.A Energia Mecnica definida pela seguinte equao:

Energia Mecnica = Ep + Ec [3]

Onde Ep = Energia Potencial [J]

Ec = Energia Cintica [J]6.5 GERADOR DE PEQUENO PORTE

Segundo Signoreli (2003)A principal caracterstica da energia sua conservao. Ela no pode ser criada, no pode ser destruda, s pode ser transformada. Sempre que uma quantidade de energia necessria para alguma atividade, essa energia deve ser obtida por meio de transformaes, a partir de outra forma j existente.Para a transformao da energia cintica obtida para energia eltrica, necessrio um gerador eltrico. Segundo Bisquolo (2012) os geradores eltricos aparecem diariamente nas mais diferentes formas, como pilhas domsticas, baterias de automveis e tambm no interior das grandes usinas geradoras de eletricidade.

O gerador eltrico realiza um movimento ordenado de cargas eltricas atravs da diferena de potencial adquirida. Para isso, Bisquolo (2012) informa que:

[...] um gerador possui dois plos, um positivo e outro negativo, ou seja, um plo maior e outro de menor potencial eltrico. Quando ligamos os terminais de um circuito nos plos do gerador, teremos um movimento ordenado de cargas eltricas, isto , a corrente eltrica. O gerador tem como funo levar as cargas eltricas negativas para o plo negativo da bateria, ou seja, um lugar em que essas cargas nunca chegariam naturalmente. Feito isto, elas iro fluir por meio do circuito na direo dos potenciais mais elevados.6.6 ENERGIA ELTRICA

Nos dias atuais muito se discute sobre a importncia da produo energtica sustentvel.Com o aquecimento global, mtodos para se obter energia que antes eram amplamente usados, hoje em dia seguem perdendo cada vez mais espao no mercado, em funo do desenvolvimento de novas tecnologias para gerao de energia de fontes alternativas, que so menos prejudiciais ao meio ambiente. (ANEEL, 2012)

Algumas das principais fontes de energia sustentveis so: energia solar, energia elica e energia gerada a partir da fora das ondas do mar, essas formas de gerao de energia so sustentveis e ecologicamente corretas pois esto presentes na natureza, no causam impactos ambientais e podem fornecer parcelas significativas de energia se bem estudadas e instaladas em locais corretos. A seguir sero caracterizadas especificamente cada uma delas.

A energia solar est entre as que mais ganharam espao atualmente, utiliza basicamente as ondas solares que so armazenadas por painis solares, podendo ser usadas como fonte de energia trmica que essencialmente aquece um fluido ou um ambiente, ou pode ser usada para transformar as ondas solares diretamente em energia eltrica. considerada uma energia limpa e renovvel pois no afeta o meio ambiente e no acaba, sua desvantagem que em lugares com chuva abundante ou poucos dias de sol acabam gerando menos energia por no receber as ondas solares.

Segundo a ANEEL (2000):Denomina-se energia elica a energia cintica contida nas massas de ar em movimento (vento). Seu aproveitamento ocorre por meio da converso da energia cintica de translao em energia cintica de rotao, [que posteriormente atravs de um gerador converter essa energia em energia eltrica] com o emprego de turbinas elicas, tambm denominadas aerogeradores, para a gerao de eletricidade, ou cataventos (e moinhos), para trabalhos mecnicos como bombeamento dgua.Segundo ANEEL (apud EWEA; GREENPEACE, 2003):

Recentes desenvolvimentos tecnolgicos (sistemas avanados de transmisso, melhor aerodinmica, estratgias de controle e operao das turbinas etc.) tm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos. O custo dos equipamentos[para a instalao de parques elicos], que era um dos principais entraves ao aproveitamento comercial da energia elica, reduziu-se significativamente nas ltimas duas dcadas.Para finalizar, tem-se a energia gerada a partir da energia cintica obtida com a movimentao das ondas. Esse um mtodo que comea a ser explorado em cidades costeiras ou litorneas, fornecem energia principalmente para faris isolados ou bias de sinalizaes. Sua Principal desvantagem a irregularidade das ondas, que possuem perodos de mar baixa e mar alta, causando um baixo rendimento. (PAGLIARI, 2008)

Pagliari (2008) afirma que [...]as instalaes no podem interferir na navegao dos navios e tm que ser robustas para poder resistir s tempestades mas ser suficientemente sensveis para ser possvel obter energia de ondas de amplitudes variveis.Como pode ser observado, existem vrios mtodos parase obter energia sem gerar resduos ou explorar a natureza de forma irresponsvel.7 MATERIAIS E MTODOS

8 RESULTADOS E DISCUSSO8 CONSIDERAESREFERNCIASANEEL - Agncia Nacional de Energia Eltrica. Energia Elica. Disponvel em: . Acesso em: 08 de abril de 2012.

BISQUOLO, Paulo Augusto. Geradores Eltricos. Disponvel em: . Acesso em 15 de abril de 2012.

ENCICLOPDIA BARSA. Engrenagem. So Paulo: Encyclopaedia Britannica Consultoria Editorial LTDA, 1993, Vol 7.

GASPARIN, Alexandre Lus. Comportamento Mecnico de Polmero Termoplstico para Aplicao em Engrenagem Automotiva. 2004. 138 f. Dissertao (Mestrado em Engenharia) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004.

INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia. Luminrias Pblicas tero classificao por nveis de eficincia energtica. Disponvel em: . Acesso em 06 de abril de 2012.

OLIVEIRA, Nelson de Campos Gil de.Engrenagens.2. ed. So Paulo: Grmio Politcnico, 1980. 207 p.

PAGLIARI, Patrick Cenci. Energia do Mar. Disponvel em:

. Acesso em: 08 de abril de 2012.

PRSS, Alberto Ricardo. Energia Mecnica. Disponvel em:

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SERWAY, Raymond A; JEWETT, John W.Princpios de fsica.So Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2005. 4 v. ISBN 8522103828 (v. 1).

SIGNORELLI, Vinicius. Energia. Disponvel em: . Acesso em 15 de abril de 2012.

TIPLER, Paul A.Fsica:para cientistas e engenheiros.4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. 187 p. ISBN 8521612141 (v. 1)

YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A.Sears e Zemansky. Fsica:mecnica.So Paulo: Addison-Wesley, 2004. 368 p. ISBN 8588639017.