Introdução a Engenharia Mecânica, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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RIVÂNIA PAULINO ROMERO

INTRODUÇÃO À

ENGENHARIA MECÂNICA

“Ora, se algum de vós tem falta de sabedoria, peça-a a Deus, que a

todos dá liberalmente e não censura, e ser-lhe-á dada.”

(Tiago 1:5)

Livro Adotado:

Bazzo, Walter Antônio; Pereira, Luiz Teixeira do Vale. Introdução a Engenharia. Florianópo- lis: Editora da UFSC, 2000.

Complementares:

USHER, Abbott Payson. Uma Historia das inovações mecânicas. São Paulo: Ed. Papirus,

KENIPER, John. D.; SANDERS, Billy R. Engineers and their profession. 5 ed. New York: Ed. Oxford, 2001.

PEREIRA, Luiz Teixeira do Vale; BAZZO, Walter Antônio. Ensino de Engenharia: na bus- ca de seu aprimoramento. Editora da UFSC.

BIBLIOGRAFIA

Cap. 1 Chegando à Faculdade

Quando o estudante chega à faculdade torna-se o principal agente no processo educaci- onal, seu empenho é fundamental para uma formação de qualidade. Ele passa a viver uma nova fase com maior liberdade pessoal e intelectual, que se torna uma fase de intenso ganho em maturidade. Para muitos, a primeira experiência de vida fora de casa, como os estudante que moram em repúblicas. Com maior liberdade os estudantes passam a criar novos tipos de relacionamentos estudantes-professores, ele passa a discutir ideias e propor soluções. Esse tipo de relacionamento é muito comum na fase final do curso quando há a necessidade de cri- ar um trabalho de conclusão de curso (TCC) e o aluno possui professor orientador.

A faculdade oferece inúmeras oportunidades intelectuais, culturais e de lazer. O aluno de um curso de graduação começa a adquirir capacidade técnica para realizar estágio em sua área, pesquisas científicas, visitas técnicas e participação de congressos e discussões sobre o oportunidades no mercado de trabalho ( mesa redonda).

1.1 ESTUDANDO COM EFICIÊNCIA

Para haver a captação e processamento de novas informações de modo eficiente é necessário seguir as três fases de estudo: prepara- ção, capação e processamento. Preparação: estabelecer as melhores condições possíveis para o “esforço aprender”. Captação: apreensão em sala de aula, leitura , participação e ob- servação dos experimentos. Processamento: fixação e integração de conteúdos.

1.2 MÉTODOS DE AVALIAÇÃO

Os métodos atuais aceitos para avaliação do aprendizado são: provas, testes, listas de proble- mas, projetos individuais e em grupo.

1.6 ENGENHARIA E CRIATIVIDADE

“ Engenharia é a arte de aplicar conhecimentos científicos e tecnológicos a criação de estruturas, dispositivos, processos e informações que possibilitem converter recursos em formas adequadas ao atendimento das necessidades humanas”

Os Projetos de engenharia devem atender a três fatores essenciais: qualidade, quanti- dade e diversidade. A criatividade é uma qualidade imprescindível para um engenheiro, pois com frequência, há varias soluções possíveis para problemas de engenharia sendo que as melhores delas provem das mentes mais criativas. Uma pessoa criativa tem capacidade de sintetizar novas combinações de ideias e conceitos, entre formas comuns e usuais. Requisitos para criatividade:  Conhecimentos;  Esforço exercido;  Aptidão;  Método empregado.

1.6.1 CONHECIMENTOS

Ideias criativas não surgem de um lampejo mágico ou espontaneamente, quanto mais amplo o acervo de conhecimentos, maior o volume de matéria-prima para originar soluções criati- vas. O principal requisito para a geração e soluções é o acervo de conhecimentos, pois quan- to maior for, mais ampla será a fonte de informações e maior a probabilidade de gerar ideias. Outros fatores também influenciem na criação de ideias tais como:

 Formação técnica nas ferramentas da engenharia;  Noções de Economia, Administração, Direito;  Concepção Ambiental.

1.6.2 ESFORÇO EXERCIDO

A perseverança e um fator decisivo: “ Não se pode desistir no primeiro obstáculo”. Prosseguir no trabalho enquanto se visa possibilidade de sucesso é uma atividade mais acertada. Qualquer pessoa pode aumentar o seu esforço num trabalho ate quando quiser. Característica que tem a íntima relação com a formação educacional do indivíduo.

“ Não se pode desistir no primeiro obstáculo.”

1.6.3 APTIDÃO

Sabe-se que determinadas pessoas tem mais aptidão que outras para certas atividades, os tipos de inquietudes, incentivos que se tem desde a infância certamente é um fator primordial que direciona o gosto que se adquire pelas diversas atividades. A aptidão tem muito haver com o aprendizado empírico, uma relativa ausência de aptidão pode ser amenizada pelos conhecimentos adquiridos, esforço e método empregado.

1.6.4 MÉTODO EMPREGADO

É o caminho ao longo do qual se pode chegar ao ponto desejado. Isto implica intencionalidade e movimento: caráter dinâmico do método. É imprescindível a utilização de um método na procura de soluções, pois economiza tempo com a eliminação de passos desnecessários. Um método também auxilia a busca em fontes de consulta (livros revistas cientificas, catálogos, internet, etc), realimentando o acervo de conhecimentos do

É imprescindível a utilização de um método na procura de soluções, pois economiza tempo.

Cap. 2 Síntese Histórica

A evolução da humanidade se processa de forma contínua, mas quando a humanidade esta diante de grandes crises ou quando existe uma conjunção de fatores propícios, a evolução têm dado alguns saltos. Um elemento constante da evolução é a capacidade do ser humano dar formas a objetos naturais e a empregá-los para determinados fins. Estima-se que as mais antigas ferramentas foram fabricas há cerca de 1.750.000 anos pelos moradores da Tanzânia. As técnicas primitivas tiveram origem na descoberta da:  Alavanca  No domínio do fogo  No polimento das pedras  No cozimento dos alimentos Por volta de 4.000 a.c. temos uma revolução técnica, provocando mudanças culturais, basicamente pela introdução da agricultura, da domesticação do animais, da modelagem cerâmica e da fabricação do vinho e da cerveja.

2.1 DESCOBERTAS E REALIZAÇÕES DE GRANDES OBRAS

 Pirâmides de Gizé em 2.600 a.c.  Eolípila por Héron de Alexandria em 130 a.c.

Este período fica conhecido como Idade dos Metais (Idade do Bronze e Idade do Ferro). Por volta do ano 2.000 a.c., mais ou menos junto com a invenção do alfabeto para a escrita e a numeração, o homem passa a utilizar o processo de fundição dos metais. Transformação das antigas sociedades rurais patriarcais em cidades governadas. Ainda nesta época temos:  O desenvolvimento da arquitetura;  A invenção da roda;  A construção das primeiras máquinas simples.  “ Dê-me um ponto de apoio e moverei o mundo” (Arquimedes)  Sistemas mecânicos (combinações de máquinas simples)

**- Alavanca - barra rígida, reta ou curva

• Roldana - polia
• plano inclinado - elevar ou suavizar cargas**

Alguns fatos marcantes desta época:  Utilização pelos egípcios do papiro para a escrita;  A canalização do rio Nilo para irrigação;  Desenvolvimento das técnicas de construção de navios pelos povos do mediterrâneo e da Escandinávia;  Sistema subterrâneo de fornecimento de água em Jerusalém;  Publicação do primeiro manual de matemática na China.

2.3 ENGENHARIA MODERNA

Com rápida expansão dos conhecimentos científicos e com a sua aplicação aos problemas práticos, começa a surgir o engenheiro. A engenharia se estrutura, principalmente com o desenvolvimento da matemática e da explicação de fenômenos físicos, até chegar no século XVlll a um conjunto sistemático e ordenado de doutrinas. Este ponto é o marco divisório entre a Engenharia do Passado e a Engenharia Moderna Caracteriza-se pela aplicação generalizada dos conhecimentos científicos à solução de problemas. Ela pode dedicar-se, basicamente, a problemas da mesma espécie que a engenharia do passado, porém com a característica distinta e marcante que é a aplicação da ciência. Alguns exemplos, desta aplicação da ciência:  Estrutura da matéria;  Fenômenos eletromagnéticos;  Composição química dos materiais  Leis da mecânica;  Transferência de energia;  Modelagens matemáticas dos fenômenos físicos.

2.2 ENGENHARIA DO PASSADO

Caracteriza-se pelos grandes esforços do homem no sentido de criar e aperfeiçoar dispositivos que aproveitassem os recursos naturais. Foram os primeiros engenheiros responsáveis pelo aparecimento de armamentos, fortificações, estradas, pontes, canais e etc. Característica básica é o empirismo, trabalhavam com base na prática transmitida pelos que os antecediam, na sua própria experiência e no seu espírito criador.

Blaise Pascal (1623-1662) revolucionou as teorias sobre o vácuo, demonstrando as leis da pressão atmosférica. Christian Huygens (1629-1695) aperfeiçoou a teoria sobre a relatividade do movimento Isaac Newton (l642-1727) Jean Le Rond D'Alambert (1717-1783) estudou a mecânica dos fluidos. Charles Coulomb (1736-1806) lapidou os conceitos sobre a resistência dos materiais Isaac Newton (l642-1727) cientista inglês, mais reconhecido como físico e matemático, conceituou várias leis da mecânica, elucidando a inércia, a ação das forças e a gravitação do universo.

2.5.1 LEIS DE NEWTON

1ª. Lei: Inércia

• Todo o corpo permanece em estado de repouso ou com movimento retilíneo e uniforme, enquanto sobre ele não atuar força qualquer. 2ª. Lei: - A variação da quantidade de movimento é proporcional à intensidade da força motriz aplicada, sendo a sua direção igual àquela em que atua a força.. 3ª. Lei: Ação e Reação - A qualquer ação opõe-se uma reação de intensidade igual e de sentido oposto. Por outras palavras, as interações mútuas de dois corpos são sempre iguais e de sentidos contrários.

2.5.2 LEI DA GRAVITAÇÃO UNIVERSAL

O momento culminante da Revolução científica foi o descobrimento realizado por Isaac Newton da lei da gravitação universal. A lei da gravitação universal diz que dois objetos quaisquer se atraem gravitacionalmente por meio de uma força que depende das massas desses objetos e da distância que há entre eles A lei da gravitação universal, descoberta por Isaac Newton, tem a seguinte expressão matemática:

onde: G = é a constante universal da atração gravitacional. ( G = 6,67.10 − 11 Nm 2 / Kg 2); M e m = são as massas dos dois corpos; d = é a distância entre os centros dos dois corpos.

2.5.3 TEORIA DA RELATIVIDADE

A teoria inicia com a demonstração de que a velocidade da luz é constante em qualquer situação. A experiência deu razão a Einstein: o tempo não transcorre na mesma velocidade para a matéria em repouso e para a matéria em aceleração, e a matéria pode se manifestar em forma de energia. Esta constatação permitiu compreender a dinâmica do sol e a origem de sua energia, e se aproximar da própria natureza do universo. Também foi a forma de aprender a liberar a fabulosa energia que representa uma simples gota d'água ou um grão de areia, abrindo o caminho para a era nuclear e suas mais terríveis manifestações. Para muitos Einstein é apenas o velhinho anárquico com a língua de fora.

Onde: E = energia; m = massa; c = velocidade da luz no vácuo (299.792.458 m/s).

Fig.: A luz do Sol, demora aproximadamente 8 minutos para chegar à Terra.

2.6 DEFINIÇÃO DE ENGENHEIRO MECÂNICO

De acordo com o Colégio de Engenharia Mecânica da Ordem dos Engenheiros, o Engenheiro Mecânico é o (a) profissional que estuda, desenvolve, investiga, concebe e projeta componentes, máquinas, equipamentos, instalações e sistemas mecânicos e térmicos, utilizando energias convencionais ou renováveis, superintende ou colabora nas fases de fabricação, montagem, operação, fiscalização, controle de qualidade e manutenção de todos os tipos de instalações, podendo ter ainda a seu cargo a gestão, a coordenação e a elaboração de pareceres sobre os vários tipos de atividades anteriormente

Cap. 3 Conquistas da

Engenharia Mecânica

3.1 AUTOMÓVEL

O desenvolvimento e a comercialização dos automóveis foram considerados os mais importantes na E.M do século XX. Fatores responsáveis pelo crescimento da tecnologia automotiva:  Motores leves de alta potência;  Processos eficientes para a fabricação desses motores em massa;  Nicolaus Otto (alemão)- primeiro motor eficiente de combustão interna de quatro tempos. Principal motor utilizado como fonte de energia para a maioria dos automóveis. A competição no mercado de automóvel levou:  Avanços na área de segurança;  Economia de combustível;  Conforto;  Controle de emissão de poluentes. As mais recentes tecnologias:  Veículos híbridos movidos a gás e eletricidade;  Freios com dispositivo que evita travamento;  Pneus de esvaziamento limitado;  Airs-bags;  Amplo uso de materiais compostos;  Sistema de controle computadorizado de injeção de combustível;  Sistema de navegação por satélite;  Variável de válvulas;  Células de combustível;  Produção de automóvel;  Constitui a maior indústria manufatureira dos USA;  Cerca de 1 milhão de pessoas empregadas;  Gerou 345 bilhões de dólares para a economia em 1999;  Criações de minivans a carros esportivos e de luxo;  O automóvel é uma das maiores contribuições da E.M. e exerce influência na nossa sociedade e cultura.

3.2 PROGRAMA APOLLO

Escolhido como uma grande conquista do século XX  Em 1961, o presidente John Kennedy desafiou os USA a enviarem o homem a lua.  A primeira parte foi realizada em menos de 10 anos mais tarde, quando Apollo 11 pousou na superfície da Lua em 20 de julho de 1969. Tripulação:  Neil Armstrong  Michael Collins  Buzz Aldrin O programa Apollo baseou-se em 3 desenvolvimentos principais da Engenharia:  O grande veículo espacial de três estágios, Saturn V, que produziu um empuxo da ordem de 7,5milhões de libras força na decolagem;  O módulo de comando e serviço  O módulo de excursão lunar (foi o primeiro veiculo projetado para voar) O programa Apollo é uma combinação de :  Avanços tecnológicos  Espírito de exploração  Patriotismo. Primeiro voo motorizado se deu em 1903 por Wilbur e Orville (mecânicos de bicicletas) em Dayton-Ohio, declaram ter feito o voo com a duração de 12 seg. e 120 pés percorridos, após 66 anos o homem pisou na lua. Alberto Santos Dumond, brasileiro, nasceu em 20 de julho de 1873, cidade de Palmira, atual Santos Dumond em Minas Gerais, projetou, construiu e pilotou um avião motorizado chamado 14 bis em 23 de outubro de 1906, o primeiro voo autônomo do mundo alcançando uma distancia de 60 m , com duração de 7 seg.

Fig.: Chegada do homem à Lua foi uma das consequências do Programa Apollo.

3.4 MECANIZAÇÃO NA AGRICULTURA

A mecanização da agricultura deu-se através:  Abandono da tração animal para mecanização;  Introdução de tratores em 1916 ;  Desenvolvimento de colhedeiras para simplificação do processo de colheita de grãos;  Máquinas para realizarem colheitas automatizadas no campo sem intervenção humana;  Observações e provisões das condições metrológicas;  Bombas de irrigação de alta capacidade;  Ordenhadeiras automatizadas;  Banco de dados informatizados para a gestão de colheitas e controle de praga.

3.5 O AVIÃO

Avião comercial de passageiros – viagens para fins comerciais e recreativos e viagens internacionais. Exploradores e colonizadores do passado levavam:  6 meses para cruzar a América do Norte em carros de tração animal;  2 meses com barco a vapor, diligências e trem cerca de 4 dias.

Os aviões antigos eram movidos por motores a explosão movidos por pistões, em contraste, os motores da General Electric Corporation, que movimentam alguns aviões Boeing 777 podem desenvolver um empuxo máximo de 100.000 lbf.

Fig.: Homem faz pose em turbina de avião.

3.6 PRODUÇÃO EM MASSA DE CIRCUITOS INTEGRADOS

A indústria de computadores eletrônicos desenvolveu tecnologias notáveis para circuitos integrados, chips de memória de computadores, microprocessadores. O processador de ótima qualidade 8008, vendido inicialmente pela Intel Corporation em 1972, possuía 2500 transistores. O processador 386TM, disponível nos anos 1980, havia 275 mil transistores. O microprocessador Pentium 4 introduzido em 2001 existiam mais de 40 milhões de transistores. Outro Microprocessador da Intel, o Core i7 lançado em 2008 tem 731 milhões deles.

Fig.: Processador Core i7 da Intel.

3.7 CONDICIONAMENTO DE AR E REFRIGERAÇÃO

O calor excessivo sempre constitui um problema social não somente no ponto de vista de conforto, mas também de suas implicações econômicas em razão da baixa produtividade, deterioração de alimentos, urgências médicas. Em uma onda de calor recorde na Europa durante o verão de 2003, mais de 10.000 pessoas, muitos idosos, morreram na França. Aplicação dos princípios da transmissão de calor e conversão de energia:  Projetar sistemas de refrigeração que preservam e armazenam alimentos na sua fonte durante o transporte e nos lares.  Produção sazonal é armazenada no estado fresco, os consumidores não precisam comprar frios com a preocupação de que iram estragar se não forem consumidos logo.  Sistema de refrigeração estão disponíveis desde os anos 1880 limitando-se a cervejarias, frigoríficos, fábricas de gelo e laticínios  O desenvolvimento do fréon, em 1930 foi o marco na comercialização de refrigeradores e aparelhos de ar condicionado domésticos seguros.  Uso do fréon foi substituído por compostos químicos seguros que não contem clorofluorcarbonos, que agora, sabemos, deterioram a camada protetora de ozônio na Terra.