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Projeto de construção de máquina de Rube Goldberg
Tipologia: Trabalhos
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Não perca as partes importantes!
Ciência e Tecnologia dos Materiais e Química Geral
Bruna Luana Eckhardt (627444) Bruno Becchi Christ (622191) Eduardo Henrique Eckhardt (651040) Gabriel Carlos Orbach (626637) João Augusto Nichele (573857) Samuel Pulu dos Santos (637070)
Ciência e Tecnologia dos Materiais: Bruna Luana Eckhardt. Química Geral: Gabriel Orbach.
INTRODUÇÃO
O mercado atual exige cada vez mais engenheiros capacitados e qualificados a exercer suas atividades, a melhorar e desenvolver processos e produtos a partir da seleção de materiais adequados, de forma economicamente e ambientalmente correta. Para tal, é necessário que no ensino nas áreas da engenharia ocorra uma integração entre teoria e prática, visto que os engenheiros deverão atuar no planejamento e desenvolvimento de processos e serão responsáveis pela resolução de problemas dos mais variados (BATISTA et. al, 2017).
Em conjunto, a busca constante das instituições de ensino superior em aprimorar suas metodologias de ensino, e fazer os estudantes se depararem com situações que futuramente possam vir a enfrentar em sua carreira profissional, motiva a realização de desafios como o proposto neste trabalho. Conforme Cavalcante e Souza (2013) é de grande importância as instituições de ensino desenvolverem metodologias que incentivem e promovam um aprendizado mais participativo do estudante, ao decorrer da graduação.
Desta forma, se propõe através deste trabalho um desafio inspirado na máquina de Rube Goldberg, um máquina projetada para realizar uma simples tarefa de forma complexa, através de uma sequência de movimentos. Para o comprimento do desafio, estipulou-se como questão problema: como acender uma caixa luminária utilizando materiais alternativos?
A máquina teve seu projeto executado na garagem de uma residência situada na cidade de Lajeado e contou com a utilização dos mais diversos materiais, englobando principalmente sucatas e materiais de uso cotidiano, disponibilizados pelos integrantes do grupo.
partida no carro, entre tantas demais situações. Assim como grande parte dos processos industriais envolvem reações químicas, produção de plásticos, fibras sintéticas, fertilizantes e muitos outros materiais (BETTELHEIM et. al, 2012). Uma reação química bastante conhecida e na qual tem-se fácil acesso aos reagente necessários, é a reação utilizando vinagre e bicarbonato de sódio. O vinagre é composto por 4 a 10% de ácido acético (CH₃COOH), que será o componente responsável por realizar a reação com bicarbonato de sódio (NaHCO₃). A reação tem como produtos o acetato de sódio, água e o gás dióxido de carbono, podendo ser traduzida pela seguinte equação química: NaHCO₃ (s) + CH₃COOH (aq) → NaCH₃COO (aq) + H₂O (l) + CO₂ (g) O ácido acético é um ácido orgânico, já o bicarbonato de sódio é um sal de caráter básico, formado pela neutralização incompleta de hidróxido de sódio, que é uma base forte, e pelo ácido carbônico, que é um sal fraco. Quando se dissocia, o bicarbonato de sódio forma Na+ e HCO₃¯. O ânion reage com um cátion de hidrogênio e forma H₂CO₃, o qual se dissocia em H₂O e CO₂. O cátion reage com o ácido acético formando acetato de sódio e sendo assim neutralizado a reação. O gás carbônico liberado pela reação pode ser utilizado para encher um balão, conforme será apresentado ao decorrer do projeto da máquina. Além da reação química, a máquina conta com a utilização de metais, dentre os quais: bolinha de metal, latas de alumínio, martelo e fios de cobre. Os metais geralmente são materiais rígidos, resistentes, dúcteis por apresentarem uma estrutura atômica bem definida. São bons condutores térmicos e elétricos, devido a sua nuvem de elétrons, os elétrons livres. Nas latas de alumínio, os principais elementos de liga são o magnésio, que dá à liga de alumínio um maior limite de resistência e aumenta sua dureza, devido a estas ligas se caracterizam pela maior resistência a corrosão e pela excelente usinabilidade, boa resistência a impactos. O alumínio comercial, utilizado para fabricação das latas de bebidas possui um teor de 99,0% a 99,5% de alumínio. As latas são fabricadas a partir de três diferentes partes: o corpo feito a partir da liga 3004, que apresenta boa resistência à corrosão, boa conformabilidade e moderada resistência mecânica. A tampa feita de liga 5182, e anel feito de liga 5082, que são dúcteis no estado recozido, mas endurecem rapidamente sob trabalho a frio, possuem alta resistência à corrosão em ambientes marítimos e quanto maior os teores de Magnésio, maior sua resistência mecânica (TIVELLI, 2012). Os fios de cobre são amplamente utilizados, pois o elemento cobre é o metal que possui a mais alta condutividade elétrica entre os demais metais na engenharia. Além de que
as ligas de cobre podem ser utilizadas para condução térmica, onde a boa resistência à corrosão compensa a perda de condutividade com o aumento da liga. As ligas de cobre também são muito resistentes a corrosão que é causada por água e vapor, além da corrosão em ambientes rurais, marinhos e industriais (RODRIGUES et al., 2012). Outro material utilizado é o atilho de borracha, que em nossa máquina tem a função de disparar uma catapulta. Por ser elástico, ele se enquadra na categoria de elastômeros, que são materiais flexíveis e bastante elásticos. Os elastômeros, também conhecidos com borrachas, são composto por longas cadeias de moléculas, que são altamente flexíveis. Devido a escassez de borracha natural durante as guerras (Primeira e Segunda Guerra Mundial), ocorreu um grande avanço para a produção de borrachas sintéticas, poli(isopreno), poli(butadieno), copolímeros de estireno-butadieno (SBR) e etileno-propileno (EPM), entre outros (BONDAN, 2014). Quando submetido à tensão, os elastômeros deformam-se elasticamente, podendo chegar a mais de 1000% do comprimento útil original, mesmo quando submetidos a valores relativamente altos de tensão. A deformação elástica, é um processo reversível devido o deslocamento de átomos de níveis de energia mais baixos para os níveis mais altos, dessa forma, ao cessar a tensão, o elastômero volta a sua forma inicial. Os materiais cerâmicos apresentam propriedades mecânicas superiores a outros materiais, no entanto, algumas de suas características são ruins. Mesmo tratando-se de materiais com alta dureza, o fato de serem materiais frágeis, impede a sua utilização em aplicações estruturais da engenharia. Normalmente os cerâmicos apresentam pequena resistência a impactos e assim, uma baixa tenacidade. Grande parte dos materiais cerâmicos sofre ruptura de maneira frágil, com pouco ou sem deformação plástica (ZANOTTO, 1991). Com base em tais dados, este trabalho visa aplicar as propriedades dos materiais citados, através da construção de uma máquina de Rube Goldberg, de forma a observar o comportamento dos materiais estudados na prática.
METODOLOGIA
Para realização do desafio, o grupo de reuniu em aula para discutir as ideias iniciais e realizar um esboço da série de movimentos a serem realizados pela máquina. Selecionou-se os principais materiais a serem utilizados e estipulou-se o local para construção da máquina.
tensionado mantendo a catapulta acionada, e no momento em que uma bola de metal cai dentro do recipiente plástico, preso em uma alavanca de madeira (também construída pelo grupo), ela sai do equilíbrio, liberando o elastômero tensionado, e assim a catapulta dispara a bolinha contra a torre de latas de alumínio. Estas latas, que se enquadram em outra categoria de material solicitado, pois são feitas a partir do alumínio, um metal com a característica de ser dúctil. Vê-se a presença de metais novamente mais a frente do percurso, com a presença de um martelo e a fiação elétrica que liga a caixa de MDF. Os fios elétricos são feitos com cobre, que é um metal que tem por característica ser um bom condutor de eletricidade. O martelo citado anteriormente, foi responsável por se chocar contra o recipiente de vidro, quebrando-o. Utilizamos o vidro para representar uma propriedade de um material cerâmico: a fragilidade. Também utilizou-se uma lajota de cerâmico para impulsionar a queda da marreta, que liberou o martelo. Grande parte dos materiais utilizados para construção são oriundos de sucatas ou materiais que cada integrante possuía em casa. Foi utilizado uma vasta gama de materiais: vidros, metais, madeira, papéis, papelão, polímeros, borrachas, cerâmicos, entre outros. A lista de todos materiais utilizados para elaboração da máquina segue no quadro 1, logo abaixo: Quadro 1 - Lista de materiais utilizados Material Quantidade Origem Máquina de lavar roupas 1 unidade Casa Baldes 2 unidades Casa Caixote de madeira 1 unidade Casa Garrafa de vidro 1 unidade Fornecido por integrante Balões 2 unidades Compra Vinagre 100 mL Compra Funil de plástico 1 unidade Confeccionado com PET Corante 0,01 g Fornecido por integrante Bicarbonato de sódio 15 g Fornecido por integrante Bolinha de gude 4 unidades Fornecido por integrante
Bolinha de aço 2 unidades Fornecido por integrante Canhoto de rolos de papel toalha 4 unidades Reciclagem Papelões diversos - Reciclagem Pote plástico 1 unidade Reciclagem Madeiras diversas - Fornecido por integrante Bolinha de borracha 1 unidade Fornecido por integrante Latinhas de alumínio 10 unidades Fornecido por integrante Caixas de leite 13 unidades Fornecido por integrante Palitos de picolé 15 unidades Compra Garrafas PET 8 unidades Fornecido por integrante Caixinhas de papelão diversas 7 unidades Reciclagem Carreta de carga 1 unidade Fornecida por integrante Marreta 1 unidade Fornecida por integrante Martelo 1 unidade Fornecida por integrante Lâmpada incandescente 1 unidade Fornecida por integrante Isopor 1 unidade Fornecida por integrante Alfinetes 6 unidades Fornecida por integrante Tijolos 38 unidades Fornecida por integrante Caixa luminária 1 unidade Fornecida por integrante Fonte: Dos Autores. Além dos materiais citados acima, foram utilizadas tesouras, fitas, cola quente, barbantes, pregos e outros materiais necessários para construir as peças e fixar as estruturas na parede e chão.
RESULTADOS
Para que o início do percurso ocorra na altura desejada, fez-se o uso de uma máquina de lavar roupas, disponível no local, dois baldes e um caixote de madeira, sob estes, foi o
(imagem 12). A água que escoa leva o barquinho até a extremidade inferior da tubulação, de modo que os alfinetes estourem o balão (imagem 13). Este balão, ao ser estourado libera o barbante na qual tem-se uma bolinha de aço na outra extremidade, a bolinha cai sobre o interruptor, acendendo a caixa luminária (imagem 14).
Imagem 1 - Local de início da reação Imagem 2 - Reação química
Fonte: Dos Autores. Fonte: Dos Autores.
Imagem 3 - Percurso após reação Imagem 4 - Alavanca
Fonte: Dos Autores. Fonte: Dos Autores.
Imagem 5 - Catapulta Imagem 6 - Torre de latas de alumínio
Fonte: Dos Autores. Fonte: Dos Autores.
Imagem 7 - Canaletas de caixas de leite Imagem 8 - Paredão com palitos
Fonte: Dos Autores. Fonte: Dos Autores.
Imagem 9 - Carreta de carga Imagem 10 - Dominó
Fonte: Dos Autores. Fonte: Dos Autores.
ligou pois a casa estava sem luz, entre várias outras situações. Entre tantos ocorridos, ao final o grupo havia gravado cerca de 40 tentativas até conseguir a apresentada neste trabalho. O grupo se reuniu diversas vezes somente para gravar o vídeo, e ao total foram destinadas certa de 15 horas somente para as filmagens, no dia 14/09, ficamos das 14 às 21 horas realizando as filmagens, e no dia 15 até as 19 horas. O vídeo com a máquina em funcionamento pode ser acessado pelo seguinte link: https://youtu.be/Hf7pyYL2HzE.
CRONOGRAMA
O cronograma seguido para o planejamento e construção da máquina segue abaixo: 19/08/2019 - Elaboração de ideias iniciais, estipulação dos objetivos principais e cronograma das demais ações do grupo. 08/09/2019 - Reunião do grupo para inicial a construção de partes da máquina e para estipular o trajeto a ser realizado. 09/09/2019 - Junção do grupo em aula para dar andamento na parte escrita do trabalho e planejar o percurso final da máquina. 14/09/2019 - Finalização da construção da máquina e tentativas de gravação do vídeo. 15/09/2019 - Novas tentativas de colocar a máquina em funcionamento. 21/09/2019 - Gravação do vídeo e finalização do projeto. 23/09/2019 - Postagem do vídeo no Youtube e entrega do trabalho via Classroom.
TABELA DE CUSTOS E ORÇAMENTO
Grande parcela dos materiais utilizados para construção da máquina são oriundos de sucatas e materiais reutilizáveis que cada integrante possuía em casa. Alguns itens foram adquiridos e os custos divididos entre os integrantes. O quadro 2, com os itens adquiridos e seus respectivos valores segue abaixo.
Quadro 2 - Tabela de custos Material Quantidade Valor un. Local de compra Balões (com 50 unidades) 1 pacote R$ 10,90 Supermercado Imec Balões (com 30 unidades) 1 pacote R$ 5,79 Supermercado STR Vinagre 6 unidades R$ 2,29 Supermercado Imec
Palitos de picolé (100 unidades) 1 pacote R$ 2,50 Mundo Real Caixa de MDF 1 unidade R$ 23,00 Copy Green CUSTO TOTAL R$ 55, Fonte: Dos Autores. Levando em consideração a magnitude da máquina construída e a diversidade de materiais utilizados, o custo total da construção foi bom e enquadrou-se no orçamento da equipe.
CONCLUSÃO
A máquina do grupo, inspirada na máquina de Rube Goldberg, não funcionou com total perfeição, mas a sequência de movimentos estabelecida atingiu o objetivo final, que era acender a caixa luminária. Todos os erros e as diversas tentativas do grupo possibilitaram a percepção de que não conseguimos controlar todos os elementos e as variáveis de um projeto, sendo assim, é preciso que os projetos contenham previsões de tolerância para garantir o seu funcionamento. O desafio possibilitou colocar em prática conhecimentos adquiridos em sala de aula, e observar de perto as características e propriedades de alguns os materiais estudados, bem como conceitos químicos necessários para incrementar uma reação química no projeto. Desta forma, o trabalho serviu como ferramenta para uma abrangência do tema, oferecendo uma visão mais dinâmica acerca do conteúdo teórico.
REFERÊNCIAS
BATISTA, Willian Gomes; SANTOS, Caio Lucas dos; NASCIMENTO, Raidson Macêdo; CRUZ, Nanderson Ribeiro da; BATISTA, Paulo dos Santos. A importância da Metodologia Prática aplicada à Engenharia como fator inerente à aquisição do conhecimento profissional: o caso da disciplina de Ciência dos Materiais. Jornada de Iniciação Científica e Extensão. Instituto Federal do Tocantins. Tocantins, 2017.
BETTELHEIM, Frederick A.; BROWN, William H.; CAMPBELL, Mary K.; FARRELL, Shawn O. Introdução à Química Geral. São Paulo : Cengage Learning, 2012.
