Antes de falarmos sobre a transmissão de energia por meio de líquidos, precisamos compreender algumas propriedades dos líquidos e como a força é transmitida através deles. Isso nos ajudará a entender por que os sistemas hidráulicos funcionam da maneira como funcionam.

Suave

Um fluido é qualquer substância que não possui forma fixa. Os fluidos incluem tanto líquidos quanto gases.

Líquido

Um líquido, assim como um gás, é constituído por moléculas. Contudo, ao contrário de um gás, as moléculas de um líquido são atraídas fortemente umas pelas outras — embora não tão intensamente a ponto de ficarem presas em posições fixas, como ocorre em um sólido. É por isso que um líquido flui livremente e assume a forma do recipiente que o contém.

Figura 2-1: As moléculas de um líquido (parte inferior) estão agrupadas próximas umas das outras e em constante movimento, enquanto as moléculas de um gás (parte superior) estão distantes entre si.

Energia cinética molecular

As moléculas no interior de um líquido estão sempre em movimento — mesmo quando o líquido parece perfeitamente imóvel. Elas deslizam e escorregam constantemente umas sobre as outras. Esse movimento molecular é denominado energia interna do líquido.

Os líquidos assumem a forma do recipiente que os contém

Devido a esse deslizamento molecular constante, um líquido flui e preenche qualquer recipiente que o contenha. Seja qual for a quantidade de líquido — grande ou pequena — ele sempre assume a forma do recipiente. Essa capacidade está intimamente ligada à viscosidade, tema abordado em capítulos posteriores.

Os líquidos são relativamente incompressíveis

Como as moléculas dos líquidos estão empacotadas muito próximas umas das outras, os líquidos comportam-se como sólidos de uma maneira importante: são relativamente incompressíveis — não podem ser comprimidos para um volume significativamente menor.

É por isso que os mergulhadores entram na água com os pés ou as mãos primeiro (a "entrada em faca"), em vez de mergulhar de bruços. A água não consegue se deslocar rapidamente o suficiente ao ser atingida por uma superfície plana e ampla, e o impacto é semelhante ao de colidir com um sólido. Os pés ou as mãos dividem a água com uma área reduzida, e essa pequena área significa uma força de impacto muito menor.

Como um líquido é relativamente incompressível e assume a forma de qualquer recipiente, ele possui uma vantagem real no que diz respeito à transmissão de força.

Transmissão de Força

Os quatro métodos de transmissão de energia (mecânica, elétrica, hidráulica e pneumática) podem transmitir tanto força estática (energia potencial) quanto força dinâmica (energia cinética). Quando uma força estática é transmitida por meio de um líquido, ocorre algo especial.

Força transmitida por meio de um líquido

Diferentemente da força que atua sobre um sólido, a força aplicada a um líquido confinado é transmitida por todo o líquido sob a forma de pressão — e essa pressão é igual em todos os pontos do líquido.

Se empurrarmos um pistão móvel posicionado na parte superior de um recipiente cheio de líquido, a força que aplicamos gera pressão, e essa pressão se transmite igualmente em todas as direções através do líquido.

Independentemente de como a pressão foi gerada — por um pistão, por uma mão, pela gravidade, por uma mola, por ar comprimido ou por qualquer combinação desses fatores —, uma vez dentro de um líquido confinado, a força converte-se em pressão e transmite-se uniformemente por todo o líquido.

Como um líquido assume a forma de qualquer recipiente, a pressão pode ser transmitida independentemente da forma do recipiente.

Figura 2-4 A força sobre o pistão transforma-se em pressão no líquido. Essa pressão se distribui igualmente em todas as direções — este é o princípio fundamental da hidráulica.

Lei de Pascal

A propriedade de um líquido de transmitir a pressão igualmente em todas as direções é denominada Lei de Pascal, em homenagem ao seu descobridor, Blaise Pascal.

A forma matemática da Lei de Pascal é a mesma da fórmula de pressão apresentada no Capítulo 1:

Manômetros

Um manômetro mede a pressão exercida sobre o líquido no sistema. Os dois tipos mais comuns em sistemas hidráulicos são o manômetro de tubo Bourdon e o manômetro de pistão.

Manômetro de tubo Bourdon

Um manômetro de tubo de Bourdon consiste em um mostrador circular e um ponteiro. O ponteiro está conectado a um tubo metálico curvo e flexível chamado tubo de Bourdon. A pressão do sistema entra no tubo através da entrada. A escala é normalmente marcada em psi, bar ou Pa.

Como funciona o tubo de Bourdon

À medida que a pressão do sistema aumenta, a diferença de área entre o interior e o exterior do tubo curvo tende a endireitá-lo. Esse movimento de endireitamento aciona o ponteiro ao longo do mostrador para indicar a pressão. Os manômetros de tubo de Bourdon são instrumentos de precisão, com exatidão de 0,1% a 3,0% da escala total; são utilizados em ensaios laboratoriais ou sempre que a precisão na medição de pressão for crítica.

Manômetro do tipo pistão

Um manômetro do tipo pistão é composto por um pistão, uma mola de equilíbrio, um ponteiro e uma escala. A pressão do sistema atua sobre a face do pistão, empurrando-o contra a mola. O movimento do pistão aciona o ponteiro ao longo do mostrador. A escala é calibrada em psi (bar). Os manômetros de pistão são duráveis e econômicos — uma escolha comum para monitoramento diário de sistemas.

Figura 2-6 Manômetro do tipo pistão: a pressão do sistema empurra o pistão contra uma mola. O deslocamento do pistão move o ponteiro.

Convertendo Pressão em Força Mecânica

Transmitir pressão por meio de um líquido selado só é útil se a pressão puder ser convertida novamente em força mecânica em algum ponto. Essa é a função do atuador — ele recebe pressão hidráulica e a converte em força mecânica.

Um cilindro hidráulico é um tipo de atuador.

Cilindro hidráulico

Um cilindro hidráulico recebe pressão hidráulica e a converte em força mecânica linear (em linha reta). Por meio de conexões mecânicas adequadas, essa força também pode ser convertida em movimento rotacional.

Construção do cilindro

As partes básicas de um cilindro são: o corpo (tubo), as tampas extremas, o pistão, a haste do pistão e as portas de entrada/saída. Cada extremidade possui uma tampa. O pistão pode deslizar no interior do corpo. A haste está conectada ao pistão. As portas de entrada e saída em cada extremidade do corpo permitem que o óleo de trabalho entre e saia.

Figura 2-8: Seção transversal de um cilindro hidráulico. O óleo entra por uma porta, empurra o pistão e a haste se estende. O óleo que sai pela outra porta retorna ao reservatório.

Como funciona um cilindro

Quando a porta de entrada do cilindro é conectada ao sistema, o cilindro passa a fazer parte desse sistema. A pressão proveniente do ponto A transmite-se através do sistema até o pistão no interior do cilindro. Essa pressão, atuando sobre a área do pistão, gera uma força mecânica no ponto B — na extremidade da haste.

Aplicando pressão

Quando a pressão é transmitida através de um líquido selado, alguma peça móvel gera essa pressão. Em todos os exemplos apresentados até agora, a peça móvel é um pistão. Dividindo a força pela área do pistão obtém-se a pressão no sistema (P = F/A).

Multiplicação da Força Mecânica

A hidráulica pode amplificar (multiplicar) a força mecânica. O fator de multiplicação depende da área do pistão do cilindro hidráulico (pol² ou cm²). Como a pressão é transmitida igualmente através de um líquido selado, se o pistão do cilindro de saída for maior que o pistão de entrada, a força de saída será maior que a força de entrada.

Exemplo: Uma força de 5.000 lbf (22.200 N) atua sobre um pistão com área de 10 pol² (64,52 cm²), gerando uma pressão de:

Essa mesma pressão de 500 psi atua sobre um pistão de saída de 15 pol² (96,78 cm²):

Figura 2-9 — Multiplicação mecânica de força. A mesma pressão atua sobre ambos os pistões, mas o pistão maior gera uma força maior. F = P × A.

Intensificador de pressão

Um intensificador de pressão (também chamado de amplificador) pode amplificar a pressão hidráulica. Ele utiliza dois pistões conectados por uma única haste dentro de uma única carcaça com orifícios de entrada, saída e drenagem. O pistão maior detecta a pressão do sistema; a força que ele gera é aplicada ao pistão menor, que produz uma pressão de saída mais elevada, pois sua área é menor.

Como funciona um intensificador de pressão

O pistão maior detecta a pressão do sistema e transmite essa força, por meio da haste, ao pistão menor. Como o pistão menor possui uma área menor, a pressão de saída na extremidade do pistão menor é maior — ou seja, a pressão é intensificada.

Exemplo: Uma força de 5.000 libras (22.200 N) atua sobre o pistão maior (área: 15 pol² / 96,78 cm²). Pressão = 333 psi (22,9 bar). Essa força é transferida para o pistão menor (área: 0,76 cm²). Pressão de saída = 5.000 libras / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Força de saída = 30.000 libras (133.200 N).

Um uso comum dos intensificadores de pressão é em dispositivos de fixação por prensagem.

Figura 2-11 Intensificador de pressão. O pistão grande transfere sua força para o pistão pequeno, que possui uma área muito menor — gerando uma pressão muito maior na saída.

Transmissão de Energia Hidráulica

A finalidade do uso da hidráulica (ou de qualquer outro método de transmissão de energia) em uma máquina é realizar um trabalho útil. Para que um cilindro realize trabalho, ele deve aplicar uma força à carga e movê-la por uma determinada distância — portanto, o sistema necessita de um componente capaz de utilizar energia para fornecer um fluxo contínuo de líquido.

Acumulador hidráulico

Tudo o que analisamos até agora para gerar pressão em um líquido selado utiliza pistões e cilindros. O pistão aplica a força; o cilindro vedará o líquido. Esse tipo de dispositivo é denominado acumulador.

Um acumulador pode armazenar a energia potencial de um líquido sob pressão. Essa energia potencial armazenada pode ser convertida em energia útil (fluxo e pressão).

Exemplo: Um acumulador de 500 psi (34,5 bar) fornece pressão para empurrar uma carga. Dos 500 psi armazenados, 400 psi (27,6 bar) são utilizados para superar a resistência da carga, e a pressão restante se converte em vazão para movimentar a carga.

Os acumuladores possuem uma limitação: se a carga for muito grande, pode não haver pressão suficiente para superá-la, de modo que nenhum trabalho poderá ser realizado. Além disso, uma vez que o fluido armazenado seja totalmente liberado, não haverá mais vazão.

Para aplicar pressão suficiente para superar uma carga e manter continuamente o fornecimento de vazão, é necessário um dispositivo diferente — a bomba hidráulica de deslocamento positivo.

Figura 2-12: Operação de um acumulador. A pressão armazenada pode empurrar uma carga, mas, assim que o fluido se esgotar, a vazão cessa — o acumulador, por si só, não consegue sustentar um trabalho contínuo.

Bomba Hidráulica de Deslocamento Positivo

Uma bomba de deslocamento positivo produz um fluxo contínuo de líquido por meio de movimento interno alternado ou rotativo repetido. Ela fornece tanto energia cinética (fluxo) quanto energia de pressão — a energia de trabalho necessária para realizar trabalho hidráulico contínuo.

Bomba de pistão alternativo

Uma bomba de pistão alternativo possui um pistão conectado a um acionador primário (motor ou motor elétrico) por meio de uma manivela ou came. A entrada e a saída possuem, cada uma, uma válvula de retenção esférica. Quando o pistão é puxado para fora, o volume interno se expande, a válvula esférica de entrada abre-se e o líquido entra. Quando o pistão é empurrado para dentro, o volume diminui, a pressão aumenta, a válvula esférica de entrada fecha-se e a válvula esférica de saída abre-se — empurrando o líquido para o sistema. O movimento contínuo de ida e volta produz um fluxo pulsante; a pressão pode ser aquela exigida pelo sistema.

Figura 2-13: Bomba de pistão alternativo. O pistão move-se para dentro e para fora, aspirando óleo pela válvula de retenção de entrada e expulsando-o pela válvula de retenção de saída.

Bomba rotativa de deslocamento positivo

A bomba mais comum em sistemas hidráulicos industriais é a bomba rotativa de deslocamento positivo. Ela produz um fluxo relativamente suave e pressurizado e é fácil de acionar com um motor elétrico ou um motor a combustão. Cada rotação do elemento rotativo desloca um volume fixo de líquido.

Construção da bomba rotativa

Uma bomba rotativa possui uma carcaça e um conjunto rotativo. A carcaça tem uma entrada e uma saída. O conjunto rotativo gera o fluxo e a pressão. O exemplo mostrado possui um rotor e palhetas que podem deslizar livremente para dentro e para fora das ranhuras do rotor.

Como uma Bomba Rotativa Funciona

O conjunto rotativo é montado de forma excêntrica (fora do centro) dentro da carcaça e conectado ao acionador primário pelo eixo de acionamento — o rotor gira. À medida que o rotor gira, a força centrífuga empurra as palhetas para fora, contra a parede da carcaça, formando câmaras estanques. No lado de entrada, o volume da câmara aumenta e o líquido é aspirado. No lado de saída, a câmara diminui de volume, a pressão aumenta e o líquido é expelido do sistema. A bomba gera apenas a pressão equivalente à menor resistência presente no sistema — nada além disso.

Figura 2-15: Bomba de palhetas rotativas. As palhetas vedando-se contra a parede da carcaça criam câmaras que se expandem (entrada) e se contraem (saída) à medida que o rotor gira.

Resistência e Pressão

Em um sistema hidráulico, a pressão e a resistência estão diretamente relacionadas. A bomba empurra o líquido para dentro do sistema; o nível de pressão é determinado pelo nível de resistência. Alta resistência → alta pressão; baixa resistência → baixa pressão. A resistência ao escoamento do fluido determina quanta pressão é gerada.

Resistência sobre uma bomba

Uma bomba enfrenta dois tipos de resistência: resistência de carga e resistência ao fluxo. Se ignorarmos a resistência ao fluxo, a única resistência é a carga. Se forem necessários 200 psi (13,8 bar) para superar a resistência de carga, a bomba gera 200 psi e transfere energia hidráulica de trabalho para o atuador, que, por sua vez, movimenta a carga.

A resistência ao fluxo está sempre presente. Ela obriga a bomba a extrair mais energia do motor primário e a gerar uma pressão mais elevada para superá-la.

Figura 2-16 Resistência e pressão. A pressão da bomba aumenta para superar toda a resistência total à qual ela está sujeita — resistência de carga somada à resistência ao fluxo (de atrito).

Conversão adicional de energia

A energia adicional que a bomba transfere ao líquido para superar a resistência ao escoamento não é convertida em energia hidráulica útil no atuador — ela é consumida pela fricção do escoamento. Essa energia "consumida" não é perdida no sentido da conservação; ela é convertida em calor, o que eleva a temperatura do fluido. Esse calor representa a ineficiência do sistema.

Velocidade e Vazão

Em um sistema hidráulico dinâmico (em escoamento), o líquido se desloca por tubos com determinada velocidade (rapidez). A velocidade é medida em pés por segundo (ft/s) ou metros por segundo (m/s).

O volume de líquido que passa por um ponto por unidade de tempo é denominado vazão. Nos sistemas hidráulicos, a unidade usual é gpm (galões norte-americanos por minuto) ou Lpm (litros por minuto).

Velocidade e vazão estão relacionadas: para encher um recipiente de 5 gal (18,95 L) em um minuto por meio de um tubo grande, o líquido se desloca a 10 ft/s (3,04 m/s). Por um tubo com metade do diâmetro, o líquido deve se deslocar a 20 ft/s (6,10 m/s) para fornecer a mesma vazão de 5 gpm. A vazão é a mesma; a velocidade é diferente.

Figura 2-17 Mesma vazão, diferentes velocidades. Em um tubo menor, o fluido deve se mover mais rapidamente para transportar o mesmo volume por minuto.

O atrito gera calor

O líquido que flui através de tubos hidráulicos gera calor devido ao atrito — quanto mais rápido for o escoamento, maior será a quantidade de calor produzida. Em aplicações industriais, recomenda-se que a velocidade do fluido nas tubulações entre a bomba e o atuador seja de 15 ft/s (4,572 m/s).

Curvas geram calor

O líquido que flui em um tubo reto e atinge uma curva precisa mudar de direção abruptamente. As moléculas do fluido colidem entre si e com a parede do tubo — isso também gera calor. Dependendo do diâmetro do tubo, um único cotovelo de 90° pode gerar tanto calor quanto vários pés de tubo reto.

Diferencial de pressão

Uma diferença de pressão é a variação entre as pressões em quaisquer dois pontos de um sistema. Uma diferença de pressão indica duas coisas:

1. Ela mostra que há energia de trabalho hidráulica (líquido sob pressão e em movimento) presente entre esses dois pontos.
2. Mede quanta energia hidráulica é convertida em calor entre esses dois pontos.

Exemplo: o manômetro 1 indica 200 psi (13,79 bar); o manômetro 2 indica 180 psi (12,41 bar). A diferença de pressão = 20 psi (1,38 bar). Isso significa:

3. O líquido flui do manômetro 1 em direção ao manômetro 2.
4. uma quantidade equivalente a 20 psi de energia hidráulica foi convertida em calor devido ao atrito do fluxo entre os dois manômetros.

Figura 2-19 – Diferença de pressão. A queda de 20 psi nesta seção do tubo indica que há fluxo e quantifica a energia hidráulica perdida sob a forma de calor por atrito.

Projeto para reduzir o calor em sistemas hidráulicos

Converter energia hidráulica em calor significa que o sistema está desperdiçando energia. Para melhorar a eficiência, os projetistas devem escolher a viscosidade adequada do óleo, dimensionar corretamente os tubos e minimizar o número de curvas e conexões. Todos esses fatores reduzem a resistência ao fluxo e, consequentemente, diminuem a energia perdida na forma de calor.

Figura 2-20 – Geração de calor em um circuito real. Cada tubo, conexão, curva e válvula contribui para a queda de pressão e para a perda de energia.