O objetivo geral do projeto é projetar e fabricar um Guindaste Hidráulico Marítimo, com plataforma flutuante e dois graus de liberdade, para a retirada de uma massa imersa em um fluido.
Objetivos Específicos:
Estudar teorias empregadas;
Aplicar conceitos aprendidos em sala de aula;
Confeccionar um modelo 3D do sistema
Seguir as especificações e pesquisar sobre os similares.
Modelo 3D:
O modelo 3D do guindaste foi feito no SOLIDWORKS, renderizado no Keyshot e simulado no ANSYS. Seguem abaixo algumas imagens referentes ao modelo 3D do guindaste.
Figura 1: Visão geral do sistema.
Fonte: Própria.
Figura 2: Cilindro de suspensão, fonte de alimentação e caixa para eletrônicos.
Fonte: Própria.
Figura 3: Válvula 4 vias de 3 posições. e cilindro de rotação.
Fonte: Própria.
Figura 4: Visão geral do sistema hidráulico.
Fonte: Própria.
Para visualizar melhor o funcionamento, foi feita uma animação, que segue abaixo.
Fonte: Própria
Conceitos Aplicados:
O guindaste hidráulico tem seu funcionamento a partir de muitos conceitos, sendo um dos principais o Princípio de Pascal, que transmite a força aplicada em um fluido igualmente por ele todo, em todas as direções.
Segunda Lei de Newton:
Segunda lei de Newton ou Princípio Fundamental da Dinâmica, baseia-se no fundamento de que a força é sempre diretamente proporcional ao produto da aceleração de um corpo pela sua massa. No entanto, este princípio pode ser expresso por:
F = m · a
Onde F é a força, m é a massa e a a aceleração.
Ainda referente à segunda lei de Newton, cita-se a força de tração, a força de atrito e a força peso.
A força peso, é uma força que se manifesta diante ao campo gravitacional. Este tipo de força que permite a estabilidade dos corpos na terra sem que eles “flutuem”, ou seja, esta ação atrai todos os corpos para o centro da terra. Calcula-se pela formula a seguir:
P = m · g
Onde P é a força peso, m é a massa e g é a gravidade.
A tração é uma força que acontece quando dois corpos estão em contato por meio de uma corda, cabo, fio, etc. Em sequência, diz-se que a força de tração é uma força de alongamento ou resistência, que possui mesma direção do fio e sentido contrário ao da força.
Por último, analisa-se a força de atrito, que tem como principal primórdio a ideia de não deixar os corpos deslizarem ou escorregarem. Em seu conceito formal, aponta-se que a força de atrito é uma força de contato entre duas superfícies, em que tal contato suscita em uma resistência ao movimento. Sua direção é igual ao do movimento e contrária ao mesmo. A força de atrito se subdivide em duas: atrito estático e atrito dinâmico (ou cinético).
Entende-se como atrito estático quando há uma força aplicada a um objeto e o mesmo não sofre nenhuma ação, permanecendo em repouso. É importante compreender que o atrito estático tem um limite máximo, no qual, quando atingido e ultrapassado, o corpo desloca-se. Para calcular o atrito estático utiliza-se as seguintes fórmulas:
F = FAE FAEmax = μe · N
Onde Fae é a força de atrito estático, Faemax a força de atrito estático máximo, µ é coeficiente de atrito estático e N a normal.
Se o corpo está escorregando na superfície de apoio, significa que a força de atrito que age nele é cinética ou dinâmica. Calcula-se a força de atrito cinético pela fórmula:
FAC = μc · N
Onde Fac é a força de atrito cinético, µc o coeficiente de atrito cinético e N a força normal.
Observação: Na prática, verifica-se que é mais difícil tirar um corpo do repouso do que mantê-lo em movimento: μe ≥ μc.
Torque:
O papel que o torque desempenha é semelhante ao da força na cinemática linear. O torque está dentro do campo de cinemática vetorial, no entanto, o mesmo é definido como a força que um corpo pode obter para girar em torno de um eixo. Cita-se ainda que este é uma grandeza vetorial.
Do mesmo jeito que a força de atrito, o torque possui dois tipos: torque estático (no qual não possui aceleração angular) e torque dinâmico (que ao contrário do torque estático, possui aceleração angular).
O torque é calculado como:
T = F · r · senØ ou T = I · α
Onde T é o torque, F é a força, r é a distância da força até o eixo, sen(Ø) é o seno do ângulo entre a força e o braço de alavanca, I é o momento de inércia e α a aceleração angular.
Se considerarmos o ângulo como 90º, então temos:
T = F · r
Empuxo:
Força que o volume de fluido deslocado exerce no corpo, que pode estar parcialmente ou totalmente submerso no mesmo. Esta força age verticalmente e para cima, fazendo com que o corpo submerso possua um peso aparente.
mf sendo massa do fluido e g a gravidade. P sendo o peso do corpo e E o empuxo.
E = mf · g
Pap = P - E
Pressão:
Pressão é a razão entre a força, que atua perpendicular a uma superfície, e a área da superfície.
P = F/A
Princípio de Pascal:
Elaborado pelo físico e matemático Blaise Pascal, o principio de pascal estabelece que o acréscimo de pressão num líquido em equilíbrio é transmitido, integralmente, a todos os pontos do liquido.
P1 = P2 F1/A1 = F2/A2
Uma aplicação das milhares de aplicações do principio de pascal são os elevadores hidráulicos.
Figura 5: Elevador Hidráulico
Fonte: Brasil Escola
A imagem mostra que uma força F1 aplicada sobre a superfície de A1, produz um acréscimo de pressão, que de acordo com o principio de pascal, é transmitido integralmente pelo tubo até a superfície de A2 aplicando uma força F2.
Princípio de Bernoulli:
O princípio de Bernoulli ou equação de Bernoulli descreve que em um fluxo de corrente horizontal a pressão e a velocidade de um fluido são inversamente proporcionais, variando também com o diâmetro da área do tubo e altera o princípio conservação de energia para fluidos. Sendo definido pela equação:
P + dgh + 1/2 · dV² = constante
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