Capítulo 1: O Mundo Físico das Máquinas

As máquinas são projetadas para substituir o trabalho humano. No entanto, muitas pessoas sentem-se desconfortáveis perto delas porque não compreendem como funcionam. Este capítulo define os conceitos físicos básicos — força, energia, trabalho, potência e pressão — que surgem em todos os capítulos subsequentes deste curso.

Figura 1-1 Uma unidade típica de potência hidráulica industrial. A bomba, o motor, o reservatório e as válvulas são frequentemente combinados em um único invólucro como este.

Força

Força é qualquer ação que altera — ou tenta alterar — o estado de movimento de um objeto.

Newton (N)

A unidade SI de força é o newton (N). Nas unidades usuais dos EUA, a força é medida em libras (lbs).

Três maneiras pelas quais a força altera o movimento

Uma força pode causar três efeitos em um objeto:

1. Iniciar o movimento do objeto.
2. Desacelerá-lo ou detê-lo.
3. Alterar a direção de seu movimento.

Resistência

Qualquer força que desacelere ou detenha o movimento é chamada de resistência. As duas resistências mais comuns em máquinas hidráulicas são o atrito e a inércia.

Fricção

O atrito é a resistência que existe na superfície de contato entre dois objetos quaisquer que estão em movimento — ou tendo tendência a se mover — um em relação ao outro.

Figura 1-3: O atrito atua sempre que duas superfícies estão em contato e deslizando uma contra a outra.

Inercia

A inércia é a tendência de um objeto manter seu estado atual de movimento. Um objeto em repouso permanece em repouso; um objeto em movimento continua em movimento. A inércia está diretamente relacionada à massa: um objeto mais pesado é mais difícil de iniciar ou parar.

Exemplo: uma bola de chumbo tem mais inércia do que uma bola de madeira. Chute ambas com a mesma força e a bola de madeira viajará mais rápido e mais longe, mostrando que a bola de chumbo resiste mais à mudança de movimento.

Energia

Energia é o que uma força possui quando é capaz de fazer algo se mover. Em termos simples: energia é a capacidade de realizar trabalho.

Energia cinética

Energia cinética é a energia do movimento. Qualquer objeto em movimento possui energia cinética porque pode empurrar outras coisas e fazê-las se mover. Quanto maior for sua massa e sua velocidade, maior será sua energia cinética.

Formas de energia

A energia existe em muitas formas: mecânica, térmica (calor), elétrica, luminosa, química e sonora.

Lei da Conservação da Energia

A energia nunca pode ser criada nem destruída — apenas pode ser convertida de uma forma para outra. Essa é uma das leis mais importantes da física.

Figura 1-6 Lei da Conservação da Energia: a energia nunca é destruída, apenas convertida para outra forma.

Conversão de Energia

A energia elétrica proveniente de uma tomada pode se transformar em luz (em uma lâmpada), calor (em um aquecedor), movimento mecânico (em um motor) ou som (em um alto-falante), dependendo do dispositivo. A energia é sempre conservada — ela simplesmente muda de forma.

Outro exemplo: descer escorregando por uma corda converte a energia cinética do corpo em calor na corda e nas mãos, razão pela qual o atrito reduz sua velocidade e aquece a corda.

Estados de Energia

Energia cinética — energia em movimento

A energia cinética representa um trabalho que já foi realizado — é a energia que um objeto possui por estar em movimento. A maioria das formas de energia precisa estar no estado cinético antes de poder realizar um trabalho útil.

Energia potencial — energia armazenada

A energia potencial é energia armazenada. Quando as condições adequadas são atendidas, a energia potencial se converte em energia cinética e provoca movimento. A energia potencial origina-se da natureza física de um objeto ou de sua posição acima de um ponto de referência.

Exemplos: a água armazenada em um reservatório elevado possui energia potencial devido à sua altura — pode escoar para baixo e realizar trabalho em um nível inferior. Uma bateria não conectada a um circuito armazena energia potencial química.

Figura 1-8: Dois exemplos familiares de energia potencial: uma torre de água elevada e uma bateria carregada.

Conversão de estado energético

A energia potencial e a energia cinética convertem-se livremente uma na outra. A água em uma torre representa energia potencial; ao escoar ladeira abaixo, transforma-se em energia cinética; ao encher um recipiente e ser novamente elevada, torna-se novamente energia potencial.

Trabalho

Realiza-se trabalho quando uma força atua sobre um objeto e o desloca por uma determinada distância. Se nada se move, nenhum trabalho é realizado.

Joule, J = N·m

A unidade SI de trabalho é o joule (J). Nas unidades usuais dos EUA, o trabalho é medido em libras-pé (ft·lbs).

Fórmula do trabalho

(J) = (m) × (N) ou (ft·lb) = (ft) × (lb)

Exemplo: Uma empilhadeira ergue cada palete a uma altura de 5 ft (1,524 m) com uma força de 2.000 lb (8.880 N). O trabalho realizado por palete é:

Figura 1-9: Trabalho = força × distância. A empilhadeira realiza trabalho toda vez que ergue uma palete.

Potência

O trabalho é sempre realizado em um determinado intervalo de tempo. Potência é a taxa na qual o trabalho é realizado — ou seja, a quantidade de trabalho realizada por unidade de tempo.

Fórmula da potência

(W) = (m) × (N) ÷ (s) ou (ft·lb/s) = (ft) × (lb) ÷ (s)

Usando o exemplo da empilhadeira: se os 10.000 ft·lb de trabalho forem realizados em 5 segundos, a potência desenvolvida será:

Cavalos-vapor (HP)

Cavalo-vapor é a unidade imperial de potência. James Watt, que inventou a máquina a vapor, definiu-a comparando seu motor com um cavalo em trabalho. Ele descobriu que um cavalo conseguia mover 550 libras a uma distância de 1 pé em 1 segundo:

Fórmula do cavalo-vapor

kW = CV × 0,746

No exemplo da empilhadeira: 2.000 pés·libras/s ÷ 550 = 3,6 CV (= 2.707 W = 2,71 kW).

Figura 1-11 James Watt definiu 1 CV como 550 pés·libras por segundo após observar cavalos em trabalho.

Pressão

Pressão mede a intensidade de uma força — ou seja, o quão concentrada essa força está sobre uma determinada área. Dois objetos podem exercer a mesma força total, mas gerar pressões muito diferentes, dependendo da área de contato.

Exemplo do dia a dia: sapatos de salto alto versus sapatos de salto baixo. Ambos suportam o mesmo peso corporal, mas a pequena área do salto concentra esse peso em uma pressão muito elevada sobre o solo, enquanto uma sola plana distribui a mesma força por uma área maior, gerando uma pressão baixa. Qualquer pessoa que já tenha levado um salto no pé entende isso.

Fórmula da pressão

(Pa = N/m²) = (N) / (m²) ou (psi) = (lb) / (pol²)

Conversões de unidades:

• 1 bar = 10^5 N/m² = 10^5 Pa
• 1 bar ≈ 14,5 psi
• Pressão atmosférica padrão = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Exemplo: Um bloco com base de 100 pol² (645 cm²) pesa 100 lb (444 N). Pressão = 100 lb ÷ 100 pol² = 1 psi (0,07 bar). Os mesmos 100 lb aplicados sobre um pino de aço com base de 0,25 pol² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figura 1-12: Mesma força, pressões muito diferentes. Quanto menor a área, maior a pressão.

Energia de Trabalho

A forma como as máquinas utilizam energia é geralmente por meio de pressão. Pressão é o que se obtém quando a energia cinética atua sobre a superfície de uma carga. A energia de trabalho combina energia cinética com pressão para mover a carga.

Conversão de energia de trabalho

Em todos os sistemas de transmissão, parte da energia de trabalho é perdida por atrito no caminho até a carga. Essa energia perdida não é destruída — ela se converte em calor. A fração de energia que se transforma em calor é a perda do sistema e é o que torna os sistemas ineficientes.

A pressão na fonte é maior do que a pressão na carga porque a energia é consumida para vencer o atrito nos tubos, válvulas e conexões ao longo do percurso.

Figura 1-13: A energia de trabalho flui da fonte até a carga. O atrito ao longo do percurso gera calor, reduzindo a pressão que chega à carga.

Métodos de Transmissão de Energia

Existem quatro maneiras pelas quais as máquinas transmitem energia da fonte até o local onde o trabalho é realizado:

Transmissão mecânica

A energia viaja por meio do movimento físico — alavancas, correntes, engrenagens, polias, correias e came. O meio de transporte é uma peça mecânica móvel diretamente conectada à fonte de energia.

Transmissão elétrica

A energia viaja ao longo de condutores elétricos (fios) e é entregue a um atuador elétrico — um motor ou solenoide — para realizar trabalho.

Transmissão pneumática

A energia viaja por tubos na forma de fluxo de ar comprimido e é entregue a um atuador pneumático (cilindro de ar ou motor a ar) para realizar trabalho.

TRANSMISSÃO HIDRÁULICA

A energia viaja por tubos na forma de fluxo de líquido sob pressão (óleo) e é entregue a um atuador hidráulico (cilindro ou motor) para realizar trabalho mecânico. Este é o tema central deste curso inteiro.

Toda máquina, em última instância, realiza trabalho mecânico. A energia, em qualquer forma — elétrica, pneumática ou hidráulica — deve ser convertida novamente em energia mecânica por meio de um atuador antes que a carga possa ser movida. Cada método apresenta vantagens e desvantagens, e muitas máquinas combinam dois ou mais desses métodos.

Figura 1-17: A transmissão hidráulica transporta energia sob a forma de líquido pressurizado. O cilindro ou motor na extremidade converte-a novamente em força mecânica.

Perda do sistema

Em todo sistema de transmissão real, parte da energia é convertida em calor por atrito antes de atingir a carga. A energia útil (energia cinética sob pressão) age sobre as superfícies nas tubulações e válvulas, gerando resistência e calor. Essa perda manifesta-se como uma queda de pressão da fonte até a carga. A energia é conservada — simplesmente muda de forma, o que torna o sistema menos eficiente.