CONCEITOS BÁSICOS  , Notas de estudo de Mecânica

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Professor: Tárcio Cabral

Bélem-Pará-

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO À HIDRÁULICA

1.1 – Histórico

xistem apenas três métodos de transmissão de energia na esfera comercial: A elétrica, a mecânica e a fluídica (hidráulica e a pneumática). Naturalmente a mecânica é a mais antiga de todas, por conseguinte é a mais conhecida. Hoje utilizada de muitos outros artifícios mais apurados como engrenagens, cames, polias e outros. A força fluídica tem origem, por incrível que pareça a milhares de anos.

O marco inicial que se tem conhecimento é a utilização da roda d’água, que emprega a energia potencial da água armazenada a certa altura, para a geração de energia mecânica. No início da revolução industrial houve uma tendência a melhoramentos da linha de produção existente, essa crescente evolução dos métodos de produção (automação industrial) muitas linhas de produção utilizam equipamentos eletroeletrônicos, pneumáticos e hidráulicos, não se restringindo a maquinários fixos, mas tendo grande atuação em maquinários móveis.

E

CAPÍTULO 2

CONCEITOS BÁSICOS

• Força

Força é qualquer influência capaz de produzir uma alteração no movimento de um corpo. Temos como unidade de medida de força o NEWTON (N).

• Lei da Conservação de Energia

A lei da conservação de energia diz que a energia não pode ser criada e nem destruída, embora ela possa passar de uma forma à outra.

• O Estado Cinético da Energia

Eq. 1

A energia no estado cinético está em movimento. Ela causa o movimento quando toca a superfície do objeto.

• O Estado Potencial da Energia

Quando no estado potencial a energia está acumulada, ela está pronta e esperando para entrar em ação, para transformar-se em energia cinética tão logo surja a oportunidade. A energia potencial tem a propriedade de transformasse em energia cinética por causa do seu constituinte físico, ou da sua posição acima de certo ponto de referência.

• Trabalho

É o movimento de um objeto através de uma determinada distância. Temos como unidade para trabalho o:

Eq. 2

A expressão que descreve o trabalho é:

Eq. 3

• Potência

A unidade para medir "potência" é o N.m/s. James Watt, o inventor da máquina a vapor, quis comparar a quantidade de potência que a sua máquina poderia produzir com a potência produzida por um cavalo. Por métodos experimentais, Watt descobriu que um cavalo poderia erguer 250 kgf à altura de 30,5 cm em um segundo, que é igual a:

Eq. 4

A expressão que descreve potência é:

Eq. 5

• Definição de Pressão

Pressão é a força exercida por unidade de superfície. Em hidráulica, a pressão é expressa em kgf/cm^2 , atm ou bar. A pressão também poderá ser expressa em psi (Pound per square inch) que significa libra força por polegada quadrada, abrevia-se lbf/pol^2.

• Pressão Hidrostática

É a pressão exercida por uma coluna de líquido, e é dada pela seguinte expressão:

• Energia Molecular

As moléculas nos líquidos estão continuamente em movimento. Elas deslizam umas sob as outras, mesmo quando o líquido está em repouso. Este movimento das moléculas chama-se energia molecular.

• Os líquidos assumem qualquer forma

O deslizamento das moléculas umas sob as outras ocorre continuamente, por isso o líquido é capaz de tomar a forma do recipiente onde ele está.

• Os líquidos são relativamente Incompressíveis

Com as moléculas em contato umas às outras, os líquidos exibem características de sólidos. Os líquidos são relativamente impossíveis de serem comprimidos. Uma vez que os líquidos são relativamente Incompressíveis e podem tomar a forma do recipiente, eles possuem certas vantagens na transmissão de força.

Existem quatro métodos de transmissão de energia: mecânica, elétrica, hidráulica e pneumática, são capazes de transmitir forças estáticas (energia potencial) tanto quanto a energia cinética. Quando uma força estática é transmitida em um líquido, essa transmissão ocorre de modo especial. Para ilustrar, vamos comparar como a transmissão ocorre através de um sólido e através de um líquido em um recipiente fechado.

i. Força Transmitida através de um Sólido A força através de um sólido é transmitida em uma direção. Se empurrarmos o sólido em uma direção, a força é transmitida diretamente no sentido contrário, ação e reação.

ii. Força Transmitida através de um Líquido Se forçar o tampão de um recipiente cheio de líquido, o líquido do recipiente transmitirá pressão sempre da mesma maneira, independentemente de como ela é gerada e da forma do mesmo.

Vamos supor um recipiente cheio de um líquido, o qual é praticamente incompressível. Quando aplicamos uma força de 10 kgf em uma área de 1cm^2 , obtemos como resultado uma pressão interna de 10 kgf/cm^2 agindo em toda a parede do recipiente com a mesma intensidade. Este princípio, descoberto e enunciado por Pascal, levou à construção da primeira prensa hidráulica no princípio da Revolução Industrial. Quem desenvolveu a descoberta de Pascal foi o mecânico Joseph Bramah.

Onde:

• Princípio de Bernoulli

O princípio de Bernoulli diz que a soma da energia potencial e energia cinética, nos vários pontos de um sistema, são constantes para uma vazão constante. Quando o diâmetro de um tubo diminui a velocidade do fluido aumenta. A energia cinética aumenta. Logo a energia cinética precisa ser compensada pela redução da pressão.

• Regimes de Fluxos

O fluxo em um sistema hidráulico pode ser laminar ou turbulento.

• Velocidade x Vazão

Nos sistemas dinâmicos, o fluido que passa pela tubulação se desloca a certa velocidade. Esta é a velocidade do fluido, que de modo geral é medida em centímetros por segundo (cm/seg.). O volume do fluido passando pela tubulação em um determinado período de tempo é a vazão (Q = V.A), em litros por segundo (l/s).

A relação entre velocidade e vazão pode ser vista na ilustração.

Para encher um recipiente de 20 litros em um minuto, o volume de fluido em um cano de grande diâmetro deve passar a uma velocidade de 300 cm/s. No tubo de pequeno diâmetro, o volume deve passar a uma velocidade de 600 cm/s para encher o recipiente no tempo de um minuto. Em ambos os casos a vazão é de 20 litros/minuto, mas as velocidades do fluido são diferentes.

a. A energia de trabalho está se deslocando do ponto 1 para o ponto 2.

b. Enquanto está se deslocando entre os dois pontos, 2 kgf/cm^2 da energia são transformados em energia calorífica por causa da resistência do líquido.

• Hidráulica:

É a ciência que estuda líquidos em escoamento e sob pressão. No nosso estudo, tratamos apenas do óleo hidráulico, que é um ramo da hidráulica que utiliza óleo como fluido.

• Sistemas Óleo Hidráulico:

são sistemas transmissores de potência ou movimento, utilizando como elemento transmissor o óleo que, sob pressão, é praticamente incompressível. Os sistemas óleo hidráulico podem ser classificados em estáticos e cinéticos:

• Sistemas Óleo Hidráulico Estáticos:

São sistemas onde a energia utilizada é a potencial, com o fluido sob alta pressão e baixas velocidades. Atualmente, tem-se conseguido atingir até 1.000 bar (14.507, psi). Os sistemas óleo hidráulico estáticos são também denominados simplesmente óleo hidráulico.

• Sistemas Óleo Hidráulico Cinéticos:

São sistemas onde a energia utilizada é a cinética. Em outras palavras, é utilizado fluido em movimento a altas velocidades, em torno de 50 m/s (180 km/h).

• Vantagens e Desvantagens dos Sistemas Hidráulicos

Fazendo uma comparação entre estes três sistemas, analisaremos as vantagens e desvantagens do emprego dos sistemas hidráulicos.

A. Vantagens

i. Fácil instalação dos diversos elementos, oferecendo grande flexibilidade, inclusive em espaços reduzidos. O equivalente em sistemas mecânicos já não apresenta essa flexibilidade;

ii. Devido a baixa inércia, os sistemas hidráulicos permitem uma rápida e suave inversão de movimentos, não ocorrendo o mesmo nos sistemas mecânicos e elétricos; iii. Possibilidade de variações micrométricas na velocidade. Já nos sistemas mecânicos e elétricos só as escalonadas e de modo muito custoso e difícil;

iv. São sistemas autolubrificados, não ocorrendo o mesmo com os mecânicos ou elétricos; v. Têm pequeno peso e tamanho com relação a potência consumida em comparação aos sistemas elétricos e mecânicos; vi. Transmissão de grandes forças (torques) em volumes de construção relativamente pequenas. vii. Possibilidade de comando por apalpadores (copiadores hidráulicos); viii. São sistemas de fácil proteção contra sobrecargas em comparação aos mecânicos e elétricos; ix. O óleo hidráulico é um excelente condutor de calor, o que inclusive é um fator importante no dimensionamento do reservatório que poderá servir como trocador de calor.

B. Desvantagens

Seu custo é mais alto em comparação aos sistemas mecânicos e elétricos;

Baixo rendimento, que é devido a três fatores:

a) Transformação de energia elétrica em mecânica e mecânica em hidráulica para,

posteriormente, ser transformada novamente em mecânica;

b) Vazamentos internos em todos os componentes;

c) Atritos internos e externos;

d) Perigo de incêndio, pois o óleo, normalmente, é inflamável. Atualmente têm-se

empregado certos fluidos resistentes ao fogo que, na realidade, apenas evitam a sua propagação, como veremos mais adiante.

• Conversão das Principais Unidades de Pressão

A utilização da tabela de conversão de unidades de pressão consiste em tomar o valor do módulo da unidade conhecida na coluna e multiplicar pelo valor da unidade solicitada na linha.

• Unidades de Pressão mais Utilizadas em Sistemas Hidráulicos

Exemplo: A pressão atmosférica ao nível do mar corresponde aproximadamente a uma coluna de água com 10,13 metros de altura.

• Principais Unidades de Capacidade ou Volume

• Principais Unidades de Força
• Principais Unidades de Vazão

• Fontes de energia
• Válvulas Direcionais

Válvulas direcionais são responsáveis pelo direcionamento do fluido. Suas características principais são:

Número de Posições As válvulas são representadas graficamente por quadrados. O número de quadrados unidos representa o número de posições ou manobras distintas que uma válvula pode assumir. Devemos saber que uma válvula de controle direcional possui no mínimo dois quadrados, ou seja, realiza no mínimo duas manobras.

Número de Vias O número de vias de uma válvula de controle direcional corresponde ao número de conexões úteis que uma válvula pode possuir.

Nos quadrados representativos de posição podemos encontrar vias de passagem, vias de bloqueio ou a combinação de ambas.

Para fácil compreensão do número de vias de uma válvula de controle direcional podemos também considerar que:

Observação: Devemos considerar apenas a identificação de um quadrado. O número de vias deve corresponder nos dois quadrados.

Posição Normal Posição normal de uma válvula de controle direcional é a posição em que se encontram os elementos internos quando a mesma não foi acionada. Esta posição geralmente é mantida por força de uma mola.

• Métodos de Acionamento