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Desenhista Projetista de Mecnica (Rotativos)

Tecnologia Mecnica

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TECNOLOGIA MECNICA

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FERREIRA, Julio Csar Valente. Tecnologia Mecnica / CEFET-RJ. Rio de Janeiro, 2007.

186 p.: 217il.

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Av. Almirante Barroso, 81 17 andar Centro CEP: 20030-003 Rio de Janeiro RJ Brasil

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NDICE

I Mecnica Tcnica ............................................................................................................................. 18 1.1. Conceitos Tericos...................................................................................................................... 19

1.1.1 Grandezas Vetoriais ............................................................................................................. 19 1.1.2 Sistemas de Unidades.......................................................................................................... 21 1.1.3 Leis de Newton ..................................................................................................................... 23 1.1.4 Princpio da Transposio de Foras ................................................................................... 24 1.1.5 Momento de Fora................................................................................................................ 24

1.2 Esttica......................................................................................................................................... 25 1.2.1 Equilbrio............................................................................................................................... 25 1.2.2 Vnculos Estruturais e Reaes de Apoio ............................................................................ 25 1.2.3 Diagrama de Corpo Livre ..................................................................................................... 28 1.2.4 Baricentro de Figuras Planas ............................................................................................... 29

1.3 Cinemtica ................................................................................................................................... 30 1.3.1 Movimento Retilneo Uniforme ............................................................................................. 30 1.3.2. Movimento Circular Uniforme.............................................................................................. 31 1.3.3 Movimento Retilneo Uniformemente Variado...................................................................... 32 1.3.4 Movimento Circular Uniformemente Variado ....................................................................... 33

1.4 Dinmica ...................................................................................................................................... 33 1.4.1 Fora, Massa e Peso............................................................................................................ 33 1.4.2 Foras no Movimento Circular.............................................................................................. 34 1.4.3 Trabalho e Potncia.............................................................................................................. 34 1.4.4 Energia Potencial.................................................................................................................. 36 1.4.5 Energia Cintica ................................................................................................................... 36

II Cincia dos Materiais ....................................................................................................................... 37 2.1 Introduo .................................................................................................................................... 38 2.2 Classes e Tipos de Materiais ....................................................................................................... 38

2.2.1 Materiais Metlicos ............................................................................................................... 38 2.2.2 Materiais Plsticos................................................................................................................ 39 2.2.3 Materiais Cermicos............................................................................................................. 39 2.2.4 Materiais Compsitos ........................................................................................................... 40 2.2.5 Materiais Naturais................................................................................................................. 41

2.3 Ensaios Mecnicos ...................................................................................................................... 41 2.3.1 Ensaios de Trao e Compresso ....................................................................................... 41 2.3.2 Ensaios de Cisalhamento e Toro...................................................................................... 43

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2.3.3 Ensaio de Flexo .................................................................................................................. 44 2.3.4 Ensaios de Impacto .............................................................................................................. 45 2.3.5 Ensaio de Fluncia ............................................................................................................... 46 2.3.6 Ensaio de Fadiga.................................................................................................................. 47 2.3.7 Ensaios de Dureza ............................................................................................................... 50 2.3.8 Ensaio Visual ........................................................................................................................ 53 2.3.9 Ensaio por Lquido Penetrante ............................................................................................. 53 2.3.10 Ensaio por Partculas Magnticas ...................................................................................... 54 2.3.11 Ensaio por Radiografia ....................................................................................................... 55 2.3.12 Ensaio por Ultra-Som ......................................................................................................... 56

2.4 Propriedades Mecnicas.............................................................................................................. 58 2.4.1 Mdulo de Elasticidade e Limite de Escoamento................................................................. 58 2.4.2 Limite de Resistncia ........................................................................................................... 58 2.4.3 Ductilidade ............................................................................................................................ 59 2.4.4 Tenacidade ........................................................................................................................... 59 2.4.5 Encruamento ........................................................................................................................ 59 2.4.6 Estrico ............................................................................................................................... 60

2.4.7 Coeficiente de Poisson ( ).................................................................................................. 60 2.4.8 Coeficiente de Atrito ............................................................................................................. 60

2.5 Propriedades Trmicas ................................................................................................................ 60 2.5.1 Capacidade Trmica............................................................................................................. 60 2.5.2 Coeficiente de Dilatao Trmica......................................................................................... 61 2.5.3 Condutividade Trmica......................................................................................................... 61

2.6 Propriedades Eltricas ................................................................................................................. 61 2.6.1 Condutividade....................................................................................................................... 61 2.6.2 Comportamento Dieltrico.................................................................................................... 62

2.7 Metalografia.................................................................................................................................. 62 2.7.1 Exame macrogrfico............................................................................................................. 63 2.7.2 Exame microgrfico.............................................................................................................. 63

2.8 Tratamentos em Materiais............................................................................................................ 63 2.8.1 Mecanismo de Solubilizao e Precipitao ........................................................................ 64 2.8.2 Tratamentos Trmicos.......................................................................................................... 64 2.8.2.1 Recozimento...................................................................................................................... 64 2.8.2.2 Esferoidizao ................................................................................................................... 65 2.8.2.3 Normalizao..................................................................................................................... 65 2.8.2.4 Tmpera ............................................................................................................................ 65 2.8.2.5 Revenido............................................................................................................................ 65 2.8.2.6 Martmpera ....................................................................................................................... 66

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2.8.2.7 Austmpera ....................................................................................................................... 66 2.8.3 Tratamentos Termoqumicos................................................................................................ 66 2.8.3.1 Tmpera Superficial .......................................................................................................... 66 2.8.3.2 Cementao ...................................................................................................................... 67 2.8.3.3 Nitretao .......................................................................................................................... 67 2.8.3.4 Cianetao......................................................................................................................... 67 2.8.3.5 Carbonitratao ou Cianetao a Gs .............................................................................. 67 2.8.3.6 Boretao .......................................................................................................................... 68

2.9 Seleo de Materiais.................................................................................................................... 68 III Resistncia dos Materiais ............................................................................................................... 70

3.1 Tenso ......................................................................................................................................... 73 3.2 Deformao.................................................................................................................................. 75 3.3 Carregamento Axial...................................................................................................................... 77 3.4 Toro .......................................................................................................................................... 80 3.5 Diagrama de Esforos Internos.................................................................................................... 83 3.6 Flexo........................................................................................................................................... 84 3.7 Flambagem .................................................................................................................................. 88

IV Elementos de Mquinas ................................................................................................................. 92 4.1 Elementos de Juno................................................................................................................... 93

4.1.1 Parafusos, Porcas, Arruelas e Roscas................................................................................. 93 4.1.2 Rebites................................................................................................................................ 100

4.2 Eixos e rvores .......................................................................................................................... 101 4.3 Molas.......................................................................................................................................... 101

4.3.1 Molas Helicoidais................................................................................................................ 101 4.3.2 Molas Planas ...................................................................................................................... 103

4.4 Chavetas, Anis Elsticos e Pinos ............................................................................................. 104 4.5 Mancais ...................................................................................................................................... 106

4.5.1 Mancais de Deslizamento .................................................................................................. 106 4.5.2 Mancais de Rolamento....................................................................................................... 108

4.6 Elementos de Transmisso........................................................................................................ 112 4.6.1 Engrenagens ...................................................................................................................... 112 4.6.2 Polias, Correias, Correntes e Cabos .................................................................................. 116 4.6.3 Acoplamentos ..................................................................................................................... 118

V Processos de Fabricao .............................................................................................................. 123 5.1 Processos Metalrgicos ............................................................................................................. 124

5.1.1 Fundio ............................................................................................................................. 124 5.1.2 Soldagem............................................................................................................................ 126

5.2 Processos de Conformao ....................................................................................................... 128

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5.2.1 Extruso.............................................................................................................................. 128 5.2.2 Estampagem....................................................................................................................... 130 5.2.3 Forjamento.......................................................................................................................... 130 5.2.4 Laminao .......................................................................................................................... 131 5.2.5 Trefilao ............................................................................................................................ 132

5.3 Processos de Usinagem ............................................................................................................ 132 5.3.1 Torneamento ...................................................................................................................... 133 5.3.2 Fresamento......................................................................................................................... 135 5.3.3 Furao............................................................................................................................... 137 5.3.4 Alargamento ....................................................................................................................... 138 5.3.5 Aplainamento...................................................................................................................... 139 5.3.6 Brochamento ...................................................................................................................... 141 5.3.7 Retificao .......................................................................................................................... 141 5.3.8 Mandrilamento .................................................................................................................... 142 5.3.9 Processos No-Convencionais .......................................................................................... 143

5.4 Processos de Fabricao de Materiais Polimricos................................................................... 145 5.5 Metalurgia do P ........................................................................................................................ 147 5.6 Fabricao Assistida por Computador ....................................................................................... 148

VI Mecnica Aplicada........................................................................................................................ 150 6.1 Moito......................................................................................................................................... 151 6.2 Cabrestantes .............................................................................................................................. 151 6.3 Cunha......................................................................................................................................... 152 6.4 Sistema Planetrio ..................................................................................................................... 152 6.5 Mecanismo BielaManivela........................................................................................................ 153 6.6 Mecanismo de Quatro Barras..................................................................................................... 153 6.7 Excntricos e Cames ................................................................................................................. 154 6.8 Embreagens e Freios ................................................................................................................. 155 6.9 Volantes ..................................................................................................................................... 161 6.10 Balanceamento de rotores ....................................................................................................... 161

VII Fenmenos de Transporte........................................................................................................... 165 7.1 Propriedades Fsicas dos Fluidos .............................................................................................. 166 7.2 Grandezas de Estado................................................................................................................. 166

7.2.1 Dilatao Trmica............................................................................................................... 167 7.2.2 Equaes de Estado de Gs Ideal ..................................................................................... 168 7.2.3 Calorimetria ........................................................................................................................ 170

7.3 Termodinmica........................................................................................................................... 172 7.3.1 Processos Reversveis e Irreversveis ............................................................................... 172 7.3.2 Primeira Lei da Termodinmica....................................................................................... 173

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7.3.3 Transformao Adiabtica.................................................................................................. 174 7.3.4 Segunda Lei de Termodinmica......................................................................................... 176

7.4 Transferncia do Calor............................................................................................................... 177 7.5 Mecnica dos Fluidos................................................................................................................. 179

7.5.1 Presso Atmosfrica........................................................................................................... 179 7.5.2 Hidrosttica......................................................................................................................... 180 7.5.3 Hidrodinmica..................................................................................................................... 182

BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................................... 185

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.0 Mecanismo biela-manivela. ............................................................................................... 18 Figura 1.1 Fora aplicada em um corpo. ............................................................................................ 20 Figura 1.2 Soma de vetores pela lei dos paralelogramos................................................................... 20 Figura 1.3 Soma de vetores pela regra dos tringulos ....................................................................... 20 Figura 1.4 Componentes retangulares de um vetor ........................................................................... 21 Figura 1.5 Lei dos co-senos e lei dos senos aplicados em operaes com vetores.......................... 21 Figura 1.6 Unidades e prefixos do Sistema Internacional aplicados dimenso de comprimento ... 22 Figura 1.7 Fatores de converso de unidades do Sistema Ingls para o Sistema Internacional....... 22 Figura 1.8 Fatores de converso de outras unidades para o Sistema Internacional ......................... 23 Figura 1.9 Princpio da transposio de foras................................................................................... 24 Figura 1.10 Momento de fora ............................................................................................................ 24 Figura 1.11 Condies de equilbrio de um corpo rgido (Morsch, 2002). .......................................... 25 Figura 1.12 Representao dos graus de liberdade no espao e no plano (Morsch, 2002). ............. 25 Figura 1.13 Vnculos de primeira ordem (Morsch, 2002).................................................................... 26 Figura 1.14 Vnculos de segunda ordem (Morsch, 2002)................................................................... 27 Figura 1.15 Vnculos de terceira ordem (Morsch, 2002)..................................................................... 27 Figura 1.16 Sistema fsico e diagrama de corpo livre de uma partcula (Morsch, 2002).................... 28 Figura 1.17 Sistema fsico e diagrama de corpo livre de um corpo rgido (Morsch, 2002) ................ 28 Figura 1.18 Principais centrides de superfcies simples ................................................................... 29 Figura 1.19 Determinao do centride de uma figura plana a partir de superfcies simples (Morsch, 2002). ..................................................................................................................................................... 30 Figura 1.20 Movimento retilneo uniforme (Morsch, 2002) ................................................................. 30 Figura 1.21 Exemplo de movimento circular uniforme (Morsch, 2002) .............................................. 31 Figura 1.22 Foras no movimento circular uniformemente variado.................................................... 34 Figura 2.0 Representao esquemtica de uma mquina universal de ensaios. .............................. 37 Figura 2.1 Formas de aplicao do reforo em um material compsito. ............................................ 40 Figura 2.2 Compsito sanduche (Callister, 2001).............................................................................. 41 Figura 2.3 Ensaio de trao (Chiaverini, 1986)................................................................................... 41 Figura 2.4 Grfico tenso x deformao obtido em ensaio de trao (Chiaverini, 1986)................... 42 Figura 2.5 Corpos de prova de ensaio de trao (Chiaverini, 1986). ................................................. 42 Figura 2.6 Formas de ensaio de cisalhamento (Chiaverini, 1986). .................................................... 43 Figura 2.7 Ensaio de toro (Garcia et. al., 2000). ............................................................................. 44 Figura 2.8 Ensaio de flexo................................................................................................................. 44

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Figura 2.9 Equipamento para o ensaio de impacto (Chiaverini, 1986)............................................... 45 Figura 2.10 Corpos de prova para o ensaio de impacto (Chiaverini, 1986). ...................................... 46 Figura 2.11 Equipamento para ensaio de fluncia (Chiaverini, 1986). ............................................... 46 Figura 2.12 Grfico tempo x deformao de fluncia (Chiaverini, 1986). .......................................... 47 Figura 2.13 Exemplos de cargas cclicas (Chiaverini, 1986). ............................................................. 48 Figura 2.14 Superfcie fraturada por fadiga (Chiaverini, 1986)........................................................... 48 Figura 2.15 Grfico obtido em ensaio de fadiga (Garcia et. al., 2000). .............................................. 49 Figura 2.16 Representao do ensaio de fadiga de flexo rotativa (Garcia et. al., 2000). ................ 49 Figura 2.17 Categorias do ensaio de fadiga (Garcia et. al., 2000). .................................................... 50 Figura 2.18 Tipos de penetradores para ensaios de dureza (Garcia et. al., 2000). ........................... 51 Figura 2.19 Representao do equipamento para ensaio de dureza Shore (Garcia et. al., 2000). ... 52 Figura 2.20 Fases de execuo do ensaio por lquido penetrante. .................................................... 54 Figura 2.21 Campo magntico desviado por uma trinca e sua visualizao (Garcia et. al., 2000).... 55 Figura 2.22 Representao do ensaio radiogrfico (Garcia et. al., 2000). ......................................... 56 Figura 2.23 Ilustrao dos mtodos de ensaio por ultra-som: (A) transparncia e (B) reflexo (Garcia et. al., 2000)............................................................................................................................................ 57 Figura 2.24 Grfico tenso x deformao com limite de escoamento no-identificvel (Callister, 2001). ..................................................................................................................................................... 58 Figura 2.25 Mapa de relao entre as propriedades de limite de escoamento e limite de resistncia (Ashby, 1992). ........................................................................................................................................ 69 Figura 3.0 Mtodo experimental para determinao de deformaes em componente estrutural. ... 70 Figura 3.1 Modelos de slidos. ........................................................................................................... 72 Figura 3.2 Tenses aplicadas em um slido....................................................................................... 73 Figura 3.3 Componentes do tensor de tenses. ................................................................................. 74 Figura 3.4 Aumento de comprimento em uma barra prismtica......................................................... 75 Figura 3.5 Deformaes em uma barra prismtica............................................................................. 75 Figura 3.6 Deformao cisalhante em um slido (Gere, 2003). ......................................................... 76 Figura 3.7 Lei de Hooke generalizada. ............................................................................................... 76 Figura 3.8 Representaes das tenses em uma unio de chapas................................................... 78 Figura 3.9 Representao de uma barra submetida tenso trmica............................................... 80 Figura 3.10 Representao de um eixo de motor sendo submetido a um esforo de toro. ........... 80 Figura 3.11 Tenses cisalhantes na seo transversal e deformao por distoro ao longo do eixo longitudinal. ............................................................................................................................................ 81 Figura 3.12 Fora de cisalhamento e momento fletor resultante atuante em uma viga carregada. .. 83 Figura 3.13 Conveno de sinais para fora de cisalhamento e momento fletor............................... 83 Figura 3.14 Exemplos de vigas com trechos em flexo pura e flexo simples. ................................. 84 Figura 3.15 Exemplos de vigas com trechos em flexo pura e flexo simples. ................................. 85 Figura 3.16 Posicionamento da linha neutra em uma viga submetida flexo pura. ........................ 85

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Figura 3.17 Valores para momentos de inrcias de sees transversais de vigas............................ 86 Figura 3.18 Empenamento das sees em flexo.............................................................................. 87 Figura 3.19 Tenses cisalhantes mximas em flexo simples........................................................... 88 Figura 3.20 Formas de equilbrio em sistemas mecnicos................................................................. 88 Figura 3.21 Valores para comprimentos efetivos de flambagem........................................................ 89 Figura 3.22 Flambagem excntrica..................................................................................................... 90 Figura 3.23 Tenso de escoamento em funo do ndice de esbeltez e da excentricidade.............. 90 Figura 4.0 Exemplos de elementos de transmisso. .......................................................................... 92 Figura 4.1 Parafusos de cabea hexagonal e quadrada. ................................................................... 93 Figura 4.2 Parafuso sem porca. .......................................................................................................... 94 Figura 4.3 Parafuso com porca. .......................................................................................................... 94 Figura 4.4 Parafuso prisioneiro. .......................................................................................................... 94 Figura 4.5 Parafuso Allen.................................................................................................................... 95 Figura 4.6 Parafusos de fundao. ..................................................................................................... 95 Figura 4.7 Parafusos auto-atarraxantes.............................................................................................. 95 Figura 4.8 Parafusos de montagem em metais e plsticos. ............................................................... 96 Figura 4.9 Parafusos de montagem em madeiras. ............................................................................. 96 Figura 4.10 Porca castelo. .................................................................................................................. 96 Figura 4.11 Porca cega. ...................................................................................................................... 97 Figura 4.12 Porca borboleta................................................................................................................ 97 Figura 4.13 Contraporca. .................................................................................................................... 97 Figura 4.14 Arruela lisa. ...................................................................................................................... 98 Figura 4.15 Arruela de presso........................................................................................................... 98 Figura 4.16 Arruela estrelada.............................................................................................................. 98 Figura 4.17 Rosca externa e interna. .................................................................................................. 98 Figura 4.18 Rosca de perfil triangular. ................................................................................................ 99 Figura 4.19 Rosca de perfil trapezoidal. ............................................................................................. 99 Figura 4.20 Rosca de perfil redondo. .................................................................................................. 99 Figura 4.21 Rosca de perfil dente de serra......................................................................................... 99 Figura 4.22 Rosca de perfil quadrado............................................................................................... 100 Figura 4.23 Tipos e aplicaes de rebites. ....................................................................................... 100 Figura 4.24 Exemplos de montagens com rebites............................................................................ 101 Figura 4.25 Tipos de molas helicoidais de trao............................................................................. 102 Figura 4.26 Tipos de molas helicoidais de compresso. .................................................................. 102 Figura 4.27 Tipos de molas helicoidais de toro............................................................................. 102 Figura 4.28 Tipos de molas helicoidais cnicas................................................................................ 103 Figura 4.29 Tipos de molas planas. .................................................................................................. 103

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Figura 4.30 Exemplos de montagem com chavetas e tipos de chavetas e exemplos de montagem: a) paralelas ou lingetas; b) embutidas; c) plana com cabea; d) Woodruff; e) inclinada sem cabea; f) inclinada com cabea........................................................................................................................... 104 Figura 4.31 Tipos de anis elsticos................................................................................................. 105 Figura 4.32 Pinos do tipo cilndrico paralelo, de unio, cnico, estriado, tubular fundido e contrapino............................................................................................................................................................... 105 Figura 4.33 Mancal de deslizamento. ............................................................................................... 106 Figura 4.34 Mancal de escora........................................................................................................... 106 Figura 4.35 Mancal inteirio. ............................................................................................................. 107 Figura 4.36 Mancal bipartido............................................................................................................. 107 Figura 4.37 Mancal ajustvel. ........................................................................................................... 107 Figura 4.38 Mancal a gs.................................................................................................................. 108 Figura 4.39 Elementos constituintes de um rolamento. .................................................................... 108 Figura 4.40 Rolamento de contato angular....................................................................................... 109 Figura 4.41 Rolamento autocompensador de esferas...................................................................... 109 Figura 4.42 Rolamento axial de esferas. .......................................................................................... 110 Figura 4.43 Rolamento de rolos cilndricos....................................................................................... 110 Figura 4.44 Rolamento autocompensador de rolos cilndricos......................................................... 110 Figura 4.45 Rolamento axial autocompensador de rolos cilndricos. ............................................... 111 Figura 4.46 Rolamento de rolos cnicos........................................................................................... 111 Figura 4.47 Rolamento de agulhas. .................................................................................................. 111 Figura 4.48 Engrenagem cilndrica de dentes retos. ........................................................................ 112 Figura 4.49 Engrenagem cilndrica de dentes internos. ................................................................... 113 Figura 4.50 Engrenagem cilndrica de dentes helicoidais. ............................................................... 113 Figura 4.51 Engrenagem cilndrica de dentes em V......................................................................... 114 Figura 4.52 Engrenagem cnica de dentes retos. ............................................................................ 114 Figura 4.53 Engrenagem cnica de dentes helicoidais. ................................................................... 115 Figura 4.54 Conjunto pinho e cremalheira. ..................................................................................... 115 Figura 4.55 Conjunto rosca sem-fim e coroa. ................................................................................... 115 Figura 4.56 Tipos de polia................................................................................................................. 116 Figura 4.57 Transmisso por correias. ............................................................................................. 117 Figura 4.58 Transmisso por correntes: (a) corrente de rolos; (b) corrente de dentes; (c) corrente de elos livres; (d) corrente comum; (e) corrente de blocos..................................................................... 117 Figura 4.59 Constituintes de um cabo de ao................................................................................... 118 Figura 4.60 Acoplamento rgido de flanges aparafusados. .............................................................. 118 Figura 4.61 Acoplamento rgido com luva de compresso............................................................... 119 Figura 4.62 Acoplamento rgido de discos ou pratos........................................................................ 119 Figura 4.63 Acoplamento elstico de pinos. ..................................................................................... 119

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Figura 4.64 Acoplamento elstico perflex. ........................................................................................ 120 Figura 4.65 Acoplamento elstico de garras..................................................................................... 120 Figura 4.66 Acoplamento elstico de dentes arqueados.................................................................. 120 Figura 4.67 Acoplamento elstico de fitas de ao. ........................................................................... 121 Figura 4.68 Junta universal homocintica......................................................................................... 121 Figura 4.69 Acoplamentos mveis. ................................................................................................... 122 Figura 5.0 Exemplos de processos de fabricao por sopro e usinagem. ....................................... 123 Figura 5.1 Fundamento do processo de fundio............................................................................. 124 Figura 5.2 Caractersticas dos processos de fundio. .................................................................... 125 Figura 5.3 Soldagem a arco eltrico com eletrodo revestido............................................................ 126 Figura 5.4 Soldagem a arco eltrico com proteo gasosa MIG...................................................... 127 Figura 5.5 Soldagem por arco submerso.......................................................................................... 127 Figura 5.6 Soldagem a gs. .............................................................................................................. 128 Figura 5.7 Caractersticas dos principais processos de soldagem................................................... 129 Figura 5.8 Extruso. .......................................................................................................................... 129 Figura 5.9 Estampagem. ................................................................................................................... 130 Figura 5.10 Operaes de forjamento. ............................................................................................. 131 Figura 5.11 Laminao...................................................................................................................... 131 Figura 5.12 Trefilao. ...................................................................................................................... 132 Figura 5.13 Torneamento de uma pea (Diniz, 2001). ..................................................................... 133 Figura 5.14 Elementos constitutivos do torno mecnico. ................................................................. 134 Figura 5.15 Operaes de torneamento (Freire, 1988). ................................................................... 135 Figura 5.16 Fresadoras vertical e horizontal..................................................................................... 136 Figura 5.17 Fresamento de topo. ...................................................................................................... 136 Figura 5.18 Fresamento tangencial. ................................................................................................. 136 Figura 5.19 Broca helicoidal em operao de furao. .................................................................... 137 Figura 5.20 Furadeira de bancada (Freire, 1988). ............................................................................ 137 Figura 5.21 Alargadores (Ferraresi, 1970)........................................................................................ 138 Figura 5.22 Movimentos na usinagem por aplainamento. ................................................................ 139 Figura 5.23 Plaina limadora. ............................................................................................................. 140 Figura 5.24 Operaes de aplainamento (Chiaverini, 1986). ........................................................... 140 Figura 5.25 Brochamento interno e externo...................................................................................... 141 Figura 5.26 Retificadora. ................................................................................................................... 142 Figura 5.27 Rebolo em operao de retificao. .............................................................................. 142 Figura 5.28 Operaes de mandrilamento (Ferraresi, 1970)............................................................ 143 Figura 5.29 Processo de extruso em plsticos. .............................................................................. 145 Figura 5.30 Processo de injeo em plsticos.................................................................................. 145 Figura 5.31 Processo de sopro em plsticos. ................................................................................... 146

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Figura 5.32 Etapas da metalurgia do p. .......................................................................................... 147 Figura 5.33 Processo de extruso na metalurgia do p. .................................................................. 148 Figura 5.34 Centro de usinagem....................................................................................................... 149 Figura 6.0 Verificao de balanceamento de sistemas rotativos...................................................... 150 Figura 6.1 Moites............................................................................................................................. 151 Figura 6.2 Cabrestante...................................................................................................................... 151 Figura 6.3 Cunha............................................................................................................................... 152 Figura 6.4 Sistema planetrio. .......................................................................................................... 152 Figura 6.5 Mecanismo biela-manivela. ............................................................................................. 153 Figura 6.6 Mecanismo de quatro barras. .......................................................................................... 153 Figura 6.7 Excntrico. ....................................................................................................................... 154 Figura 6.9 Embreagem de disco. ...................................................................................................... 155 Figura 6.10 Embreagem cnica. ....................................................................................................... 155 Figura 6.11 Embreagem centrfuga. ................................................................................................. 156 Figura 6.12 Embreagem unidirecional. ............................................................................................. 156 Figura 6.13 Embreagem eletromagntica......................................................................................... 157 Figura 6.14 Embreagem hidrulica. .................................................................................................. 157 Figura 6.15 Freio de disco................................................................................................................. 158 Figura 6.16 Freio de disco................................................................................................................. 158 Figura 6.17 Freio de tambor de sapatas internas. ............................................................................ 159 Figura 6.18 Freio de tambor de sapatas internas para automveis. ................................................ 159 Figura 6.19 Freio multidisco. ............................................................................................................. 160 Figura 6.20 Freio centrfugo. ............................................................................................................. 160 Figura 6.21 Geometria do balanceamento de rotores. ..................................................................... 162 Figura 6.22 Rotor desbalanceado. .................................................................................................... 163 Figura 6.23 Rotor com discos em balano nos dois extremos. ........................................................ 163 Figura 6.24 Balanceadora. ................................................................................................................ 164 Figura 7.0 Exemplos de Escoamentos ............................................................................................. 165 Figura 7.1 Relao entre escalas de temperatura. ........................................................................... 167 Figura 7.2 Modificao de comprimento devido variao de temperatura. ................................... 167 Figura 7.3 Variao da quantidade de calor entre as fases da gua. .............................................. 172 Figura 7.4 Processo de transformao termodinmica. ................................................................... 173 Figura 7.5 Transferncia de calor por conduo entre dois pontos.................................................. 177 Figura 7.6 Transferncia de calor por conveco............................................................................. 178 Figura 7.7 Experincia de Torricelli para determinao da presso atmosfrica............................. 179 Figura 7.8 Princpio de Stevin. .......................................................................................................... 180 Figura 7.9 Prensa hidrulica. ............................................................................................................ 181 Figura 7.10 Princpio de Arquimedes................................................................................................ 181

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Figura 7.11 Escoamento estacionrio............................................................................................... 182 Figura 7.12 Escoamento em uma tubulao. ................................................................................... 182 Figura 7.13 Medidor Venturi.............................................................................................................. 183

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LISTA DE TABELAS

Tabela 5.1 Elementos constitutivos do torno mecnico.................................................................... 133 Tabela 5.2 Razes para a adoo de usinagem no-convencional ................................................. 143 Tabela 5.3 Principais tipos de usinagem no-convencional ............................................................. 144 Tabela 5.4 Processo de fabricao de materiais polimricos........................................................... 146

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APRESENTAO

O Curso Desenhista Projetista de Mecnica (Rotativos) tem como propsito qualificar profissionais desenhistas projetistas de mquinas rotativas para o setor de petrleo e gs. Visa, portanto, a formar mo-de-obra qualificada para o referido setor, na especificidade de desenhista projetista de mecnica, com nfase em equipamentos rotativos.

Este Curso abrange contedos gerais e especficos das reas de mecnica e naval e foi planejado para alunos de nvel mdio completo, com experincia profissional mnima de 01 (um) ano na funo de desenhista ou tcnico de nvel mdio completo em rea correlata sem experincia.

O Curso tem 240h, distribudas em seis mdulos, cada um com uma carga horria de estudo de 40h, a saber:

Desenho Bsico. Tecnologia Mecnica. Desenho Tcnico Mecnico. Introduo aos Equipamentos Rotativos. Leitura e Interpretao de Projetos de Equipamentos. Rotativos. Tcnicas de CAD (SolidWorks). O primeiro mdulo ser relativo ao Desenho Bsico e permitir ao aluno exercitar a viso

espacial, desenvolver a capacidade de leitura de desenho, bem como a possibilidade de executar qualquer representao grfica de acordo com as atuais normas vigentes.

O segundo mdulo, outrora denominado Tecnologia Mecnica, trabalhar conhecimentos bsicos necessrios nas reas de mecnica tcnica, cincia dos materiais, resistncia dos materiais, elementos de mquinas, processos de fabricao mecnica, mecnica aplicada s mquinas e fenmenos de transporte para o entendimento de todas as fases de constituio e aplicao dos equipamentos rotativos.

O terceiro mdulo sob o ttulo de Desenho Tcnico Mecnico unir os contedos vistos nos mdulos anteriores e ampliar as fronteiras do desenho bsico em direo sua aplicao na representao grfica de elementos mecnicos, bem como os princpios de representao de desenhos de conjunto, montagem e detalhamento.

O quarto mdulo - denominado Introduo aos Equipamentos Rotativos - ser a primeira oportunidade de apresentar os principais equipamentos rotativos, abordando seus tipos, caractersticas, normas e simbologia.

O quinto mdulo - chamado de Leitura e Interpretao de Projetos de Equipamentos Rotativos - busca integrar os contedos dos mdulos anteriores e visa a capacitar o aluno para a leitura, a interpretao e o detalhamento de projetos de equipamentos rotativos, unindo os

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conhecimentos de representao grfica de elementos e conjuntos mecnicos e os referidos aos equipamentos rotativos.

Por ltimo, o sexto mdulo - denominado Tcnicas de CAD - objetiva introduzir o aluno no uso de ferramentas computacionais de auxlio representao grfica em 2D e 3D, com didtica voltada a exemplos de equipamentos rotativos, especificamente a partir do SolidWorks, software amplamente adotado na indstria metal-mecnica.

A avaliao ser promovida por mdulo durante toda a fase de execuo do curso atravs de atividades individuais e coletivas, realizadas presencialmente ou extraclasse, contextualizando os contedos a serem avaliados com aqueles j vistos anteriormente, tendo como norte as competncias profissionais especficas do mdulo em questo.

Agora que voc j conhece as caractersticas gerais do Curso, vejamos o que ir estudar neste mdulo que se inicia.

Este mdulo Tecnologia Mecnica tem sete captulos de estudo. No Captulo I, voc ter a oportunidade no s de conhecer a definio das leis da mecnica, mas tambm de aplicar essas leis no estudo da esttica, cinemtica e dinmica, bem como analisar as foras externas e os movimentos conseqentes em sistemas mecnicos. O Captulo II apresenta os materiais utilizados na engenharia, no que diz respeito s classes e tipos, s formas de ensaios, analise de suas propriedades, verificao dos mtodos de exame, aos processos de alterao de suas propriedades, e s metodologias de seleo. O Captulo III visa a conceituar tenso e deformao e apresenta o estudo das formas de aplicao de tenso em componentes mecnicos. A apresentao dos principais elementos de mquinas e suas aplicaes, bem como os seus princpios de funcionamento sero demonstrados no Captulo IV. No Captulo V, voc ter a oportunidade de estudar os mtodos de fabricao de componentes mecnicos e as principais mquinas utilizadas nestes processos. O estudo das principais formas de transmisso de foras e movimentos e dos equipamentos que adotam estes mecanismos de transmisso sero apresentados no Captulo VI. Concluindo o estudo deste mdulo, no Captulo VII voc estudar os contedos de mecnica voltados aos fluidos e suas aplicaes em mecanismos de transmisso. Esperamos que, com este mdulo, voc seja capaz de adquirir conhecimentos bsicos nas reas de mecnica tcnica, cincia dos materiais, resistncia dos materiais, elementos de mquinas, processos de fabricao mecnica, mecnica aplicada s mquinas e fenmenos de transporte para o entendimento de todas as fases de constituio e aplicao dos equipamentos rotativos.

O mdulo 2 Tecnologia Mecnica compe o curso de Desenhista Projetista de Mecnica (Rotativos) que est sendo implementado pelo PROGRAMA DE MOBILIZAO NACIONAL DE PETRLEO E GS NATURAL.

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I MECNICA TCNICA

Figura 1.0 Mecanismo biela-manivela.

Se na srie de coisas a investigar se apresentar alguma coisa que nosso entendimento no possa intuir suficientemente bem, preciso deter-se ali, sem examinar as demais que se

seguem, evitando assim um trabalho suprfluo. Ren Descartes

Objetivos deste Captulo:

Definir as leis da mecnica. Aplicar estas leis no estudo da esttica, cinemtica e dinmica. Analisar as foras externas e movimentos conseqentes em sistemas mecnicos.

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Mecnica Tcnica

Inicialmente, dedicaremos nossas atenes mecnica de corpos slidos, os quais podem ser classificados como corpos rgidos ou corpos deformveis. A primeira parte objetivo de estudo da mecnica tcnica e a segunda alvo de anlise pela resistncia dos materiais com colaborao da cincia dos materiais.

Ao final desta unidade, o aluno ser capaz de representar todas as foras externas e movimentos que um corpo possui em um dado cenrio. Alm de represent-las, o aluno possuir habilidade de manipular as expresses oriundas deste ramo de conhecimento e calcular valores desconhecidos de foras e demais variveis para manter um sistema em uma dada configurao.

1.1. Conceitos Tericos

Define-se Mecnica Tcnica como o conjunto de contedos que estuda os estados de repouso ou movimento dos corpos rgidos sob a ao de foras. A esttica refere-se ao equilbrio destes corpos sob a ao de foras, a cinemtica reporta-se ao movimento destes corpos e a dinmica refere-se s foras e movimentos resultantes verificados nestes corpos.

Entretanto, antes de propriamente dedicar ateno ao estudo dos problemas, faz-se necessria a conceituao de seus princpios fundamentais, a saber:

Espao - a regio geomtrica ocupada por corpos cujas posies so descritas por medidas lineares e angulares em relao a um sistema de coordenadas.

Tempo - a medida da sucesso de eventos. Massa - a medida da inrcia de um corpo, isto , a resistncia variao de movimento. Fora - a ao de um corpo sobre um outro, podendo ser exercida por contato ou a

distncia, sendo esta uma grandeza vetorial, isto , definida ento pela intensidade, direo, sentido e ponto de aplicao.

Partcula - um corpo com dimenses desprezveis em relao ao espao de anlise. Quando as dimenses de um corpo so irrelevantes para a caracterizao de sua posio ou de seu movimento, o corpo pode ser considerado uma partcula.

Corpo rgido - um corpo cujo movimento relativo entre suas partes pode ser negligenciado, ou seja, as posies relativas entre os elementos deste corpo permanecem inalteradas.

1.1.1 Grandezas Vetoriais

Grandezas vetoriais necessitam ser identificadas por um vetor, o qual a descreve de forma completa. Como exemplos deste tipo de grandeza, temos: deslocamento, velocidade, acelerao, fora e momento. Um exemplo de fora aplicada em um corpo ilustrada na Figura 1.1.

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Figura 1.1 Fora aplicada em um corpo.

Ao contrrio das grandezas escalares, em que bastam somar os valores das intensidades, as grandezas vetoriais so operacionalizadas tambm a partir das consideraes sobre as direes e sentidos dos vetores em anlise. Na Figura 1.2, mostra-se a soma de dois vetores a partir da lei dos paralelogramos. A Figura 1.3 exemplifica uma soma de vetores atravs da regra dos tringulos.

Figura 1.2 Soma de vetores pela lei dos paralelogramos

Figura 1.3 Soma de vetores pela regra dos tringulos

Normalmente, mais conveniente lidar com componentes vetoriais perpendiculares entre si, chamados de componentes retangulares. Desta forma, todo e qualquer vetor pode ser projetado em um sistema de referncia, gerando ento duas componentes, cada uma relativa a cada projeo, conforme pode ser verificado na Figura 1.4, a qual j identifica a intensidade de cada uma dessas. Como sero gerados dois tringulos retngulos com ngulos complementares, atravs de relaes trigonomtricas chega-se ao resultado descrito nesta figura.

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Figura 1.4 Componentes retangulares de um vetor

Para a determinao da intensidade do vetor resultante, podem-se utilizar os dois mtodos: a lei dos co-senos ou a lei dos senos, ambas oriundas do estudo da geometria plana em tringulos. Essas leis so mostradas na Figura 1.5.

Figura 1.5 Lei dos co-senos e lei dos senos aplicados em operaes com vetores

1.1.2 Sistemas de Unidades

O Sistema Internacional de Unidades cada vez mais tem sido aceito universalmente e vem substituindo outros sistemas de unidade. Trata-se de um sistema absoluto de unidades baseado nas quantidades de comprimento, tempo e massa. No Sistema Gravitacional, empregado por muitos pases durante muito tempo, o quilograma era usado tanto como unidade de massa como de fora, o mesmo ocorrendo com a libra no Sistema Ingls. necessrio proteger-se contra esta prtica ao utilizar o sistema Internacional. As Figuras 1.6, 1.7 e 1.8 mostram as unidades do Sistema Internacional e as correlaes dos outros sistemas com esse, alm dos fatores de converso de outras unidades e os prefixos de unidades do Sistema Internacional.

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Figura 1.6 Unidades e prefixos do Sistema Internacional aplicados dimenso de comprimento

Figura 1.7 Fatores de converso de unidades do Sistema Ingls para o Sistema Internacional

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Figura 1.8 Fatores de converso de outras unidades para o Sistema Internacional

1.1.3 Leis de Newton

Para os sistemas que iremos estudar ao longo deste curso, as leis da mecnica formuladas por Isaac Newton continuam vlidas, pois trabalharemos com ordens de grandeza de movimentao absoluta e relativa bem inferiores quelas que demandam o uso de modelos mais avanados de anlise. A primeira lei estabelece que uma partcula permanea em repouso ou em contnuo movimento em linha reta, ou com velocidade constante, se nenhuma fora isolada ou no equilibrada atue sobre ela.

A segunda lei postula que, se a fora resultante que atua sobre uma partcula no nula, ento esta possuir uma acelerao (a) diretamente proporcional intensidade dessa fora (Fr), sendo a massa do corpo igual a M. Com isso, temos a expresso 1.1 que denota esta relao.

Fr = M. a (1.1)

A terceira lei afirma que as foras de ao e reao entre corpos possuem a mesma intensidade, a mesma direo e sentidos opostos. Porm, cabe ressaltar que estas foras no so aplicadas no mesmo corpo. Por exemplo, se um corpo A executa uma fora sobre o corpo B, este corpo B reage aplicando no corpo A uma fora de reao nos moldes da terceira lei.

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Tambm se inclui nesta listagem a lei da gravitao, a qual estabelece que a fora de atrao seja mtua entre dois corpos de massas M e m. Sobre a superfcie terrestre, para a gama de problemas estudados neste curso, a nica fora gravitacional devida atrao da Terra, denominada peso, cuja intensidade dada tambm pela expresso 1.1, sendo a acelerao da gravidade variante conforme a localizao do sistema estudado. Para fins prticos, o valor da acelerao da gravidade adotado ser de 9,8 m/s2.

1.1.4 Princpio da Transposio de Foras

Uma fora pode ser aplicada por contato mecnico direto ou por ao remota. Neste ltimo caso, encontram-se as foras gravitacionais, eltricas e magnticas. As foras so de duas espcies: foras aplicadas (ativas) e reativas. Uma fora atuando em um corpo rgido pode ser aplicada em qualquer ponto de sua linha de ao sem alterar os seus efeitos resultantes (Figura 1.9).

Figura 1.9 Princpio da transposio de foras

1.1.5 Momento de Fora

Alm da tendncia de deslocar um corpo na direo de sua aplicao, as foras tendem a girar um corpo extenso em torno de qualquer eixo que no seja concorrente ou paralelo linha de ao da fora resultante. A intensidade do momento ou tendncia da fora girar o corpo sobre um eixo no plano do papel que passe pelo ponto O claramente proporcional intensidade da prpria fora F e da distncia d entre a direo da fora e o eixo citado anteriormente, conforme se verifica na expresso 1.2 e na Figura 1.10. No Sistema Internacional, o momento de fora possui unidade N.m.

Mo = F. d (1.2)

Figura 1.10 Momento de fora

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1.2 Esttica

Ramo da mecnica destinada a estudar as foras e as condies necessrias para o seu equilbrio.

1.2.1 Equilbrio

possvel constatar que um corpo est em equilbrio quando a resultante de todas as foras que agem sobre ele nula. Desta forma, o somatrio dos momentos das foras tambm nulo, conforme ilustrao na Figura 1.11.

Figura 1.11 Condies de equilbrio de um corpo rgido (Morsch, 2002).

Devido s propriedades do sistema retangular (ilustrado na Figura 1.4), tambm possvel projetar todas as foras neste sistema e igualar a zero os somatrios das projees nas direes.

1.2.2 Vnculos Estruturais e Reaes de Apoio

A funo dos vnculos de restringir um ou mais movimentos do corpo. Para cada movimento impedido, corresponde a um esforo aplicado, seja ele uma fora ou um momento aplicado. Cada um destes movimentos representa um grau de liberdade, sendo estes seis no espao (trs translaes e trs rotaes) e trs em problemas bidimensionais (duas translaes e uma rotao), conforme pode ser visto na Figura 1.12.

Figura 1.12 Representao dos graus de liberdade no espao e no plano (Morsch, 2002).

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As figuras 1.13 a 1.15 apresentam os principais tipos de vnculos e suas resultantes no corpo apoiado, sendo dedicadas, respectivamente, aos vnculos de primeira, segunda e terceira ordens, sendo a diferena entre eles o fato de que os vnculos de primeira ordem desenvolvem uma nica reao de apoio e, desta forma, sucessivamente em relao aos demais.

Figura 1.13 Vnculos de primeira ordem (Morsch, 2002)

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Figura 1.14 Vnculos de segunda ordem (Morsch, 2002)

Figura 1.15 Vnculos de terceira ordem (Morsch, 2002)

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1.2.3 Diagrama de Corpo Livre

Vale ressaltar que o diagrama de corpo livre tem como finalidade ilustrar todas as foras ocorrentes em um corpo ou em sistema de corpos conectados. Essas foras podem ser ativas (isto , aplicadas externamente) ou reativas (isto , aplicadas pelos vnculos estruturais). Um diagrama pode ou no conter distncias, pois o corpo em questo pode ser uma partcula (Figura 1.16) ou um corpo extenso (Figura 1.17).

Figura 1.16 Sistema fsico e diagrama de corpo livre de uma partcula (Morsch, 2002)

Figura 1.17 Sistema fsico e diagrama de corpo livre de um corpo rgido (Morsch, 2002)

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1.2.4 Baricentro de Figuras Planas

Tambm denominado centride ou centro de gravidade, definido como o ponto pelo qual passam todos os eixos possveis em relao aos quais o momento da resultante nulo. A ao que o peso prprio de um corpo exerce sobre ele mesmo, em termos de equilbrio, equivalente a concentrar esta solicitao toda em nico ponto, o qual representa o baricentro. Em grande parte das aplicaes, uma figura mais complexa pode ser divida em figuras simples com propriedades conhecidas. Para o clculo do centride, calcula-se a razo do somatrio do produto entre a rea (A) e a posio do centro de gravidade (xg ou yg) e a rea de cada parte pelo somatrio da rea. As Equaes 1.3 e 1.4 mostram a determinao do baricentro de um corpo, a Figura 1.18 lista os principais centrides de superfcies simples e a Figura 1.19 exemplifica uma aplicao.

xg = [P(i) . A(i)] / A(i) xg = xg1.A1+ xg2.A2+... + xgi.Ai / A1+ A2+... + Ai (1.3)

yg = [P(i) . A(i)] / A(i) yg = yg1.A1+ yg2.A2+... + ygi.Ai / A1+ A2+... + Ai (1.4)

Figura 1.18 Principais centrides de superfcies simples

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Figura 1.19 Determinao do centride de uma figura plana a partir de superfcies simples (Morsch, 2002).

1.3 Cinemtica

A cinemtica uma das partes da mecnica que estuda o movimento em si, classifica-o e descreve-o matematicamente, sem levar em conta as causas e seus efeitos. Um corpo se encontra em movimento quando em tempos sucessivos varia sua posio. Caso esta alterao no ocorra, este corpo estar em repouso. Para identificar a alterao ou no da posio de um corpo, faz-se necessrio comparar sua posio com os demais corpos que o cercam, sendo estes denominados referenciais. Em relao ao tempo, o movimento poder ser uniforme ou variado e, em relao trajetria, poder ser retilneo ou curvilneo.

1.3.1 Movimento Retilneo Uniforme

Um movimento retilneo e uniforme quando sua trajetria reta e percorre distncias iguais em tempos iguais. Esta razo entre distncia percorrida e tempo gasto denominada velocidade e sua unidade no sistema internacional metro por segundo (m/s), sendo ilustrada na Figura 1.20.

Figura 1.20 Movimento retilneo uniforme (Morsch, 2002)

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Desta forma, a variao espacial, isto , a posio P do corpo em dois intervalos de tempo, t e t+t, dada pela Equao 1.5.

P (t+t) P (t) = V . t (1.5)

Por exemplo, se o cabeote de uma plaina limadora leva 2s no curso de 500 mm, a velocidade da mesma ser:

0,5 - 0 = V . 2 V = 0,25 m/s

1.3.2. Movimento Circular Uniforme

Este tipo de movimento caracteriza-se por apresentar sua trajetria com o formato geomtrico de uma circunferncia (Figura 1.21), percorrendo arcos iguais para intervalos de tempo de mesma magnitude. Este arco pode ser medido por seu comprimento ou pelo ngulo percorrido, sendo a unidade angular o radiano (rad). Com isto, definem-se duas velocidades: velocidade tangencial (V) e velocidade angular (), com unidades no sistema internacional, respectivamente iguais a m/s e rad/s, cujas expresses esto nas equaes 1.6 e 1.7, consecutivamente, sendo r o raio da trajetria e n o nmero de rotaes completas que um corpo executa no intervalo de tempo de um minuto.

Figura 1.21 Exemplo de movimento circular uniforme (Morsch, 2002)

V = 2 pi r n / 60 (1.6)

= 2 pi n / 60 (1.7)

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Outras variveis importantes no movimento circular so o perodo (T), tempo necessrio para o corpo percorrer uma volta completa, e a freqncia (f), nmero de giros completados pelo corpo por segundo. Suas expresses esto nas equaes 1.8 e 1.9, respectivamente.

T = 60 / n (1.8)

= n / 60 (1.9)

Um exemplo de aplicao destes princpios encontra-se no clculo das velocidades perifrica e angular dos pontos A e B do volante abaixo, sabendo que o eixo gira a 60 rpm.

VA = 2 . pi . 0,1 . 60 / 60 = 0,628 m/s

VB = 2 . pi . 0,025 . 60 / 60 = 0,157 m/s

= 2 . pi . 60 / 60 = 2 . pi rad/s

1.3.3 Movimento Retilneo Uniformemente Variado

Este movimento caracteriza-se pela variao da velocidade ao longo do tempo. Esta variao fornecida pela varivel denominada acelerao (a), que significa a razo entre a variao da velocidade e o tempo necessrio para esta, cuja unidade no sistema internacional metro por segundo ao quadrado (m/s2). Ao relacionar as variveis de tempo, variao de posio, velocidade e acelerao, trs expresses so obtidas, sendo estas descritas nas Equaes 1.10 a 1.12.

V(t+t) V(t) = a . t (1.10)

P(t+t) = V(t) . t + 0,5 . a . (t)2 (1.11)

P(t+t) = {[V(t+t)] 2 [V(t)] 2}/ (2 . a) (1.12)

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Como exemplo, a acelerao de uma bala que atravessa o cano de uma arma em 0,02 s, saindo com uma velocidade de 500 m/s :

500 0 = a . 0,02 a = 25.000 m/s2

1.3.4 Movimento Circular Uniformemente Variado

Este movimento caracteriza-se pela variao da velocidade tangencial e da velocidade angular ao longo do tempo. Esta variao fornecida pelas variveis denominadas acelerao tangencial (a) e acelerao angular (), sendo a unidade desta ltima no sistema internacional radiano por segundo ao quadrado (rad/s2). As expresses para estas variveis encontram-se nas Equaes 1.13 e 1.14.

a = 2 pi r [n(t+t) - n(t)] / (60 . t) (1.13)

= 2 pi [n(t+t) - n(t)] / (60 . t) (1.14)

Como exemplo, se um volante de 1 m de dimetro gira a 190 rpm, o clculo das aceleraes tangencial e angular necessrias para girar o mesmo a 250 rpm em 5 segundos :

a = 2 . pi . 0,5 . (250 -150) / 60 . 5 = 0,628 m/s2

= 2 . pi . (250 -150) / 60 . 5 = 0,4 . pi rad/ s2

1.4 Dinmica

A dinmica o ramo da mecnica destinada a estudar as relaes estabelecidas entre o movimento e o conjunto de foras que o provoca.

1.4.1 Fora, Massa e Peso

No tpico 1.1.3 deste texto, foram estabelecidas as leis de Newton, as quais governam o estudo da mecnica tcnica. Relacionando a Equao 1.1 com a lei de gravitao, uma srie de problemas envolvendo fora, massa, peso pode ser trabalhada.

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Por exemplo, se um edifcio possui um elevador com massa de 500 kg, o clculo da tenso nos seus cabos, para executar um movimento com acelerao de ascenso de 0,5 m/ s2, :

F = 500 . 0,5 = 250 N T = F + P = 250 + 500 = 750 N

1.4.2 Foras no Movimento Circular

A fora centrfuga uma fora de inrcia que est associada a um corpo que realiza um movimento de rotao. A fora de corilis uma fora de inrcia cujo efeito se manifesta quando se observa o movimento de um corpo a partir de um referencial que rotaciona. A expresso para a fora centrfuga delineada na Equao 1.15. A Figura 1.22 ilustra estas foras e a Figura 1.28 exemplifica uma aplicao destes princpios.

Fcentr = (m . V2) / r (1.15)

Figura 1.22 Foras no movimento circular uniformemente variado.

Como exemplo, uma coroa de um volante de dimetro 2 m possui peso de 800 N. O clculo da fora quando a mesma gira a 120 rpm :

Fcentr = 800 . (12,56)2 / 9,8 . 1 = 12878 N

1.4.3 Trabalho e Potncia

O trabalho T de uma fora F definido pelo produto da projeo da componente da fora colinear ao movimento que o corpo executa com a distncia percorrida. A unidade no sistema internacional denominada Joule (J = N . m).

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Como exemplo, o clculo necessrio para o martelo de uma bate-estaca de 500 N ser erguido 4 m :

T = 500 . 4 = 2000 J

Potncia definida como o trabalho produzido por intervalo de tempo, sendo que o rendimento de um sistema mecnico dado pela razo entre a potncia efetivamente utilizada e a potncia fornecida. A unidade no sistema internacional denominada Watt (W = J / s). Outra unidade usual o Cavalo-Vapor (1 CV = 736 W ou 746 W). Como exemplo, o clculo da carga que o sarilho representado na figura abaixo pode elevar com a velocidade de 0,5 m/s, admitindo que o rendimento do conjunto seja de 80%, feito da seguinte forma:

N = 2 . 0,8 = 1,6 CV F = 75 . 1,6 / 0,5 = 240 N

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1.4.4 Energia Potencial

Entendendo energia como a quantificao da capacidade de um corpo executar um trabalho, a energia potencial definida como a parcela da energia do corpo armazenada devido ao gravitacional em relao a um referencial distante verticalmente a uma distncia h, sendo sua expresso delineada na Equao 1.16.

Ep = P . h (1.16)

1.4.5 Energia Cintica

A energia cintica reporta-se parcela da energia do corpo quando este se encontra em movimento, sendo definida pela expresso descrita nas Equaes 1.17 e 1.18 (sendo esta ltima, uma variao possvel para o movimento curvilneo).

Ec = (m . V2) / 2 (1.17)

Ec = (m . 2. r2) / 2 (1.18)

O clculo da energia cintica para que um corpo com peso de 0,98 N seja lanado para cima com velocidade inicial de 4 m/s :

Ec = 0,98 . 42 / 2 . 0,98 = 0,8 J

Outro exemplo o clculo da energia cintica de uma esfera de ao de massa 2 kg em movimento circular de raio 0,5 m a 300 rpm:

V = 2 . pi . 0,5 . 300 / 60 = 15,7 m/s Ec = 2 . 15,72 / 2 = 247,12 J

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II CINCIA DOS MATERIAIS

Figura 2.0 Representao esquemtica de uma mquina universal de ensaios.

Um homem que quer mudar a sociedade no pode ter idias tmidas. Pe. Dehon

Objetivos deste Captulo:

Conhecer as classes e tipos de materiais. Estudar as formas de ensaiar materiais Analisar as propriedades dos materiais. Verificar os mtodos de exame e os processos de alterao de propriedades de materiais. Conhecer as metodologias de seleo de materiais.

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Cincia dos Materiais

Este estudo tem como objetivo compreender a natureza dos materiais e estabelecer conceitos e teorias que permitam relacionar comportamento e propriedades com a estrutura dos diversos tipos de materiais.

Ao longo desta unidade, o aluno ser apresentado aos principais tipos de materiais, ensaios que determinam suas propriedades mecnicas e o seu conseqente estudo. Alm disto, outras propriedades sero delineadas. Por fim, sero apresentadas as formas de exame em materiais e os processos de alterao de suas propriedades, sendo ento finalizado com um tpico sobre metodologias de seleo de materiais.

2.1 Introduo

Uma das principais atividades econmicas no mundo a produo e transformao de materiais em bens acabados. Na produo de uma pea, por exemplo, necessrio que se faa uma seleo de materiais, na qual sero analisados os custos e, principalmente, as necessidades tcnicas exigidas. de grande importncia o conhecimento da estrutura interna dos materiais, tendo uma previso do comportamento do material em servio e, assim, programar controle de suas propriedades e caractersticas. Cada profissional da rea industrial necessita estar intimamente relacionado com os materiais disponveis para uso. Conhecimentos sobre as propriedades e caractersticas do comportamento dos materiais so necessrios ao profissional da rea industrial.

2.2 Classes e Tipos de Materiais

2.2.1 Materiais Metlicos

Os materiais metlicos so substncias inorgnicas que contm um ou mais elementos metlicos e que podem conter tambm alguns elementos no-metlicos. Em geral, os metais so bons condutores de calor e eletricidade. Muitos destes so relativamente resistentes e macios em temperatura ambiente, mantendo em alguns casos uma boa resistncia mecnica em temperaturas elevadas. A razo para serem bons condutores est no fato de que, nesses materiais, h eltrons com liberdade de movimentao, sendo ento bons condutores, ao contrrio dos materiais plsticos e cermicos. Esses materiais podem ser divididos em duas classes: metais ferrosos e metais no-ferrosos. Para os primeiros, seus principais exemplos so os aos e ferros fundidos, ligas ferro-carbono com elevado teor de ferro, cujo percentual de carbono os diferenciam. Os no-ferrosos no contm ferro

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ou apenas se verificam pequenas quantidades. Alumnio, cobre, zinco, titnio e nquel so exemplos deste tipo de material, alm de suas respectivas ligas.

2.2.2 Materiais Plsticos

Os materiais plsticos podem ser definidos como substncias inorgnicas que contm cadeias longas ou redes de molculas orgnicas (contendo carbono). Em relao a sua estrutura, grande parte dos materiais plsticos (ora tambm denominados como polimricos) no cristalina. A ductilidade e a resistncia desse tipo de material variam bastante. Diferentemente dos metais, nos materiais plsticos encontrada condutibilidade trmica e eltrica bem limitada, pois a energia transferida por vibrao atmica, processo este mais lento que o transporte via eltrons. Devido a este fato, so bons isoladores e, por isso adotados em aplicaes eltricas. Em geral, estes materiais possuem baixa densidade e no so resistentes ao calor. Materiais que contm somente elementos no-metlicos compartilham eltrons e produzem molculas extensas. Estas so chamadas freqentemente de macromolculas. A palavra polmero vem do fato de que estes materiais so constitudos de grandes cadeias de molculas com unidades repetidas, denominadas meros. Em geral, os elementos constituintes dos materiais polimricos so: Hidrognio (H), Carbono (C), Silcio (Si), Nitrognio (N), Oxignio (O) e Flor (F). Diferentemente dos cermicos, os materiais polimricos so freqentemente possuidores de baixa densidade e so uma alternativa de baixo custo em algumas aplicaes estruturais, substituindo os metais. Substanciais progressos tm sido obtidos nas ltimas dcadas no desenvolvimento de novos plsticos com alta resistncia, que permitam sua introduo em campos onde anteriormente os metais reinavam absolutamente.

2.2.3 Materiais Cermicos

Os cermicos so materiais inorgnicos constitudos de elementos metlicos e no-metlicos ligados quimicamente entre si. Ento, esses materiais podem possuir estrutura cristalina ou no, ou ter partes de cada uma.

Os materiais cermicos possuem elevada dureza e grande resistncia mecnica a altas temperaturas, porm tendem a serem frgeis. Um exemplo de aplicao est no seu uso em motores, pois aliam baixo peso, grande resistncia mecnica e dureza, boa resistncia ao calor e abraso, alm de possuir baixo coeficiente de atrito e de ser isolante. A base para estas caractersticas est no fato de que os eltrons mais externos dos componentes metlicos so retidos pelos componentes no-metlicos, caracterizando, ento, as baixas condutividades trmica e eltrica.

O fato de serem isolantes, conjuntamente com a resistncia ao calor e ao desgaste, faz com que muitos cermicos sejam utilizados em revestimentos de fornos para, por exemplo, fuso de metais.

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2.2.4 Materiais Compsitos

Diferentemente das trs categorias anteriores que se diferenciavam atravs de sua composio qumica, os materiais compsitos utilizam-se da combinao dos materiais previamente citados para obter melhor desempenho, otimizando a estrutura resultante. Os materiais compsitos possuem duas fases macroscopicamente visveis, sendo uma mistura de dois ou mais materiais. Os materiais compsitos so feitos, em geral, de um material que resista aos esforos (denominado como reforo) e de um outro que tem como funo transferir os esforos e fornecer maior ductilidade e tenacidade ao conjunto (denominado como matriz). Para reforo, so adotados materiais, como carbono, boro e vidro em formato particulado ou em fibras. A matriz pode ser fabricada de algum material metlico, cermico ou polimrico (este ltimo o mais adotado). Em termos de configurao, o reforo pode estar disposto em partculas, em flocos e em fibras longas sem ordenao ou com ordenao (Figura 2.1). Neste ltimo exemplo, a variao do arranjo destas fibras ao longo da espessura do material altera significativamente suas propriedades.

Figura 2.1 Formas de aplicao do reforo em um material compsito.

Um outro tipo de material compsito de grande aplicabilidade o denominado compsito sanduche (Figura 2.2). Ele consiste de uma parte central (denominada como recheio), geralmente feita de um material com resistncia em somente uma direo e baixa densidade, e seus extremos ocupados por lminas de material resistente. Este tipo de arranjo adotado em estruturas com esforos em somente uma direo.

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Figura 2.2 Compsito sanduche (Callister, 2001).

Os materiais compsitos aliam as propriedades de dois materiais porque visam a construir um elemento com excelente desempenho. Logicamente que este tipo de material tem como principais fatores limitantes de uso o alto custo de fabricao e a dificuldade de trabalh-lo mecanicamente.

2.2.5 Materiais Naturais

Podem ser considerados materiais naturais todos aqueles encontrados na natureza sem a necessidade do uso de procedimentos de transformao fsica e/ou qumica. Neste grupo, encontram-se materiais como fibras, rochas e madeiras.

2.3 Ensaios Mecnicos

2.3.1 Ensaios de Trao e Compresso

As propriedades mecnicas estticas so obtidas comumente a partir de ensaios de trao (Figura 2.3).

Figura 2.3 Ensaio de trao (Chiaverini, 1986).

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No corpo padro de prova aplicado um esforo de trao e um grfico tenso x deformao (Figura 2.4) obtido.

Figura 2.4 Grfico tenso x deformao obtido em ensaio de trao (Chiaverini, 1986).

Para realizar um teste de trao, prepara-se um corpo de prova, conforme o indicado na Figura 2.5. Para materiais metlicos e plsticos, utilizam-se corpos de prova cilndricos, assim como os obtidos de uma chapa de material. Ambos os tipos apresentam maior rea nas extremidades para proporcionar no s a fixao do corpo mquina de ensaio, mas tambm a deformidade do corpo na regio central sem afetar consideravelmente os extremos, permitindo uma leitura mais precisa na regio da zona do ensaio e a ocorrncia da ruptura nesta parte e no na regio de engate na mquina. A regio central do corpo de ensaio possui seo transversal constante, unindo-se s extremidades de maior rea atravs de uma ampliao gradual desta.

Figura 2.5 Corpos de prova de ensaio de trao (Chiaverini, 1986).

As tenses em um ensaio de trao ou compresso simples so calculadas, dividindo-se a carga medida pela mquina de ensaio pela rea da seo transversal da zona de ensaio do corpo de prova. Essas tenses so denominadas de tenses nominais, pois so calculadas em funo da rea

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inicial. Entretanto, esta rea se alterar durante o ensaio, sendo estas tenses obtidas de acordo com a rea em cada instante denominadas como tenses reais, as quais em um ensaio de trao sero maiores que as nominais.

A deformao a razo entre a variao de comprimento do corpo de prova e seu comprimento inicial. Desta forma, a deformao no possui unidade.

Sem dvida que fatores como geometria e condies do corpo de prova, do mtodo de ensaio, da velocidade de deformao e, principalmente, das caractersticas da mquina de ensaio afetam o limite de escoamento. Da, a necessidade de se normalizar tudo aquilo que faz parte do ensaio de trao, para que possamos utilizar com segurana os dados oriundos dele.

Observando novamente a Figura 2.4, verifica-se que, antes da regio de escoamento, o ensaio de trao revela uma relao linear entre tenso e deformao. Esta parte identificada como a regio elstica do material. Isto , se ocorrer o descarregamento do material dentro desta faixa de tenso, o mesmo retorna sua configurao inicial. Portanto, no se verifica a existncia de deformaes residuais. Aps atingir o ponto de escoamento (regio instvel que se caracteriza por possuir significativa deformao com pouca variao na tenso), o material entra em sua fase plstica, o qual possuir alguma deformao residual aps o descarregamento do sistema. A fase plstica caracteriza-se por ser regida por uma lei no-linear e por apresentar os pontos de tenso mxima e de tenso de ruptura do material.

O ensaio de compresso assemelha-se ao ensaio de trao, somente diferenciando-se pelo sentido de aplicao da carga. Esse tipo de ensaio comumente utilizado em materiais frgeis.

2.3.2 Ensaios de Cisalhamento e Toro

O ensaio de cisalhamento consiste na aplicao de uma carga em um corpo de prova apoiado de tal forma que provocar o seu cisalhamento (Figura 2.6).

Figura 2.6 Formas de ensaio de cisalhamento (Chiaverini, 1986).

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O ensaio de toro consiste na aplicao de carga rotativa em um corpo de prova geralmente de forma cilndrica (Figura 2.7). Esse tipo de ensaio amplamente utilizado na indstria de componentes mecnicos, como motores de arranque, turbinas aeronuticas, rotores de mquinas pesadas. Esse tipo de ensaio possui a vantagem de fornecer dados quantitativos das caractersticas mecnicas dos materiais que compem o eixo. Entre os principais resultados deste ensaio, destacam-se o limite de escoamento trao, limite de ruptura toro e o mdulo de elasticidade em cisalhamento.

Figura 2.7 Ensaio de toro (Garcia et. al., 2000).

2.3.3 Ensaio de Flexo

O ensaio de flexo tem como objetivo determinar o mdulo de elasticidade do material e avaliar sua ductilidade. Este ensaio tambm adotado para verificar a resistncia de juntas soldadas. O ensaio consiste em aplicar um esforo de deformao atravs de uma carga imposta sobre um corpo de prova simplesmente apoiado (Figura 2.8). Esse esforo cessado quando um ngulo previamente determinado atingido ou quando se verifica, em uma inspeo visual, a primeira fissura na superfcie op