5.1 Sistema de Bloqueio Orientado e Guiado
5.1.1 Elemento Fixador
Neste mecanismo o elemento fixador é o pino de dente “serralhado”, o modelo ALPS LockTM Serrated Pin, o mesmo já utilizado no mecanismo ALPS Lock S 496-T [99], figura 5.3.
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Este pino é de aço inoxidável e possui um diâmetro de 10 𝑚𝑚 e um comprimento de 68 𝑚𝑚 [99]. Este possui uma zona roscada que é a que se liga ao liner e a parte com dentes “serralhados” que irão o seu alinhamento dentro do alojamento e a fixação.
O pino de dente “serralhado” deve estar ligado ao fio de guiamento, para que seja realizado um guiamento de sucesso até ao alojamento do sistema. No tópico 5.2, será abordado como o guiamento será realizado e quais os mecanismos que o realizam.
5.1.2 Mecanismo de Guiamento
Consiste num mecanismo no qual, um fio armazenado numa polia, fixo numa das extremidades, é puxado para fora da polia e por ação de uma mola em espiral de força constante, voltar a ser recolhido para dentro da polia, local de armazenamento do fio.
Fio de Guiamento
O fio é o elemento guiador do pino de dente “serralhado”. Perante a funcionalidade do mecanismo e dos objetivos estabelecidos, é necessário um fio com excelentes propriedades mecânicas.
Para efetuar um bom guiamento, o material do fio deve apresentar uma boa resistência à fadiga e à abrasão, tal como também, deve ser um fio bastante resistente a nós e à torção. Também é importante apresentar uma boa flexibilidade para proporcionar um bom guiamento e ergonómica.
Após uma pesquisa sobre materiais mais indicados chegou-se à conclusão que o melhor material para o fio será o monofilamento de nylon, comummente utilizados nos fios de pesca que apresentam as características supra mencionadas.
Os monofilamentos de nylon são obtidos através da resina de poliamida. A poliamida (PA) é um polímero termoplástico composta por ligações de amida, C(O)-NH, na sua cadeia principal. De entre as diferentes poliamidas destacam-se a PA 6.0 e a PA 6.6, ambas pertencem ao grupo de polímeros termoplásticos e possuem um vasto campo de aplicação, de entre o qual se destacam os fios de pesca. De forma geral, permite a obtenção de filamentos com excelentes propriedades mecânicas, destacando- se a sua resistência à abrasão [103].
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Determinação do diâmetro do fio de monofilamento de nylon
Este fio deve ter a capacidade de suportar cerca de 2,27 𝑘𝑔, que é aproximadamente um valor médio de peso considerado nas próteses, como se pode averiguar na tabela 5.1.
Tabela 5. 1 - Classificação de próteses de acordo com o seu peso, segundo diferentes autores. [adaptado de 104].
Referência Condição de Massa
Hale Prótese de peso reduzido (1,75 𝑘𝑔)
Prótese de peso médio (3,15 𝑘𝑔) Prótese de peso elevado (4.15 𝑘𝑔)
Gailey Prótese de peso reduzido (< 2,27 𝑘𝑔;
média de 2,0 𝑘𝑔)
Prótese de peso elevado (> 2,27 𝑘𝑔; média 2,7 𝑘𝑔)
Lehmann Prótese de peso reduzido (2,02 𝑘𝑔)
Prótese de peso médio (3,00 𝑘𝑔) Prótese de peso elevado (3,50 𝑘𝑔) Seguidamente foi realizada uma pesquisa sobre os diferentes diâmetros de fio de monofilamento de nylon e a sua capacidade. Foi definido referência o catálogo da SOUNETE-- FÁBRICA DE APRESTOS METÁLICOS, Ldª, empresa que se dedica à venda e produção de equipamentos para pesca industrial. No seu catálogo de fios de pesca, foi utilizado como referência o fio de diâmetro 0,20 𝑚𝑚 do modelo ASSO Classic, que lhe é característica excelentes propriedades mecânicas como elevada resistência à tensão, ao nó e também à abrasão. Na tabela 5.2 é possível observar os diferentes diâmetros e a força máxima que cada um consegue suportar [105].
Tabela 5. 2 - Catálogo de fio de monofilamentos de nylon da empresa SOUNETE - FÁBRICA DE APRESTOS METÁLICOS [adaptado de 105].
Ø mm 𝟎, 𝟏𝟐 𝟎, 𝟏𝟒 𝟎, 𝟏𝟔 𝟎, 𝟏𝟖 𝟎, 𝟐𝟎 𝟎, 𝟐𝟐 𝟎, 𝟐𝟖 𝟎, 𝟑𝟎
Força máxima/kg 0,9 1,2 1,7 2,1 𝟐, 𝟓 3,0 4,5 5,0
As propriedades mecânicas de um monofilamento de nylon de 0.2mm de diâmetro podem ser consultadas na tabela 5.3.
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Tabela 5. 3 - Propriedades mecânicas de um monofilamento de nylon com 0,2 mm de diâmetro [adaptado de 106].
Propriedades Valores
Resistência à rutura 434 𝑀𝑃𝑎
Alongamento de rutura 30%
Alongamento de cedência 7%
Comprimento do fio necessário
Para definir o comprimento de fio de guiamento necessário foram considerados os comprimentos máximos que os membros residuais podem assumir, uma vez que corresponde simultaneamente ao comprimento que o encaixe rígido irá assumir.
Num estudo efetuado em 2014 de forma a estudar o efeito do comprimento do membro residual no gasto energético nos amputados transfemorais. Este estudo teve uma amostra pequena de 26 pessoas de idade (32 ± 6,1 anos), altura de (177 ± 78 cm) e peso (84,5 ± 13,6 kg) apresentaram uma gama de comprimentos de membros residuais (27,49 ± 8,3 cm), sendo 35,49 cm o maior máximo da média, no entanto o maior comprimento de membro residual registado neste grupo foi de 40,4 cm [107].
Num estudo realizado em 2004 com o objetivo de analisar o efeito do peso dos componentes protéticos ao longo da marcha. Neste estudo foi utilizada uma amostra reduzida de 5 elementos com idades compreendidas entre os 32 e os 77 anos, média de peso de 83,37 kg e média de altura de 179,18 cm, apresentavam uma média de comprimentos de membro residual 11 ± 5 cm [108].
Desta forma, por uma questão de maior segurança e de o guiamento do pino de dente “serralhado” foi determinado um comprimento de 40 𝑐𝑚.
Ligação do fio ao pino de dente “serralhado”
Para um guiamento bem-sucedido do pino sem que interfira com nenhum dos restantes componentes e nem com a sua entrada no alojamento, deve ser aparafusado na parte distal do pino um parafuso de diâmetro inferior a 10 𝑚𝑚 associado ao fio de guiamento, e desta forma será possível fazer um guiamento bem-sucedido.
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Polia
A recolha e armazenamento do fio será realizado por uma polia perfil em “U”, de forma a reduzir arestas vivas no sistema, e consequentemente diminuir o desgaste que o fio de guiamento poderia sofrer.
As polias são componentes mecânicos cilíndricos, movimentadas pela rotação do eixo do motor e pela correia. Existem vários tipos de polias e estas são classificadas pela forma da superfície sob a qual a correia se movimenta. Na figura 5.4 é possível observar os vários tipos de polias que atualmente existem: 1. Polia de aro plano; 2. Polia de aro abaulado; 3. Polia escalonada de aro plano; 4. Polia escalonada de aro abaulado; 5. Polia com guia; 6. Polia em "V" simples; 7. Polia em "V" múltipla; 9. Polia para correia redonda, ilustradas na figura 5.9 [109].
Figura 5. 4 - Tabela com tipos de polias [109]
Cálculo da polia
Para o mecanismo optou-se por uma polia de com perfil “U”, semelhante ao da polia redonda da figura 5.5, de forma a evitar arestas viva dentro do mecanismo e desta forma diminuir o desgaste por abrasão ao fio de guiamento.
Nesta fase inicial de conceção, definiu-se uma polia de 14 𝑚𝑚 de diâmetro exterior, 9,5 𝑚𝑚 de diâmetro interior, 3,5 𝑚𝑚 de altura, figura 5.3 na qual será armazenada cerca de 400 𝑚𝑚 de comprimento de fio de guiamento de 0,20 𝑚𝑚 de diâmetro.
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Figura 5. 5 - Diagrama de medidas da polia com perfil em “U”.
Na prática as medidas de construção não respeitam as cotas nominais teoricamente determinadas. Assim sendo, torna-se necessário determinar a tolerância de construção. A tolerância é dada pela diferença entre duas cotas limites (a máxima e a mínima) que definem o intervalo de valores que as dimensões podem assumir. No entanto, cota nominal (CN) definida é a cota de referência [110].
Neste caso em específico, foi adotada uma classe de ajustamento “deslizante” para movimentos guiados com precisão e montagem à mão, considerando-se um ajustamento mecânico corrente do tipo H8/h8. Consultando a tabela de folgas e de ajustamentos de “Furo Básico” de acordo com a ISO 286, Sistema ISO de tolerâncias e ajustamentos, obtém-se os seguintes valores de desvios máximo (Dmáx.), e desvio mínimo (Dmin.) para o veio e para o furo, para uma cota nominal do furo e do veio de 14𝑚𝑚 de diâmetro [111]. Desta forma, é possível representar as tolerâncias dimensionais da seguinte forma (figura 5.6), sendo 1 alusivo ao alojamento e 2 alusivo à polia (veio):
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Para que haja a recolha do fio, tal como anteriormente mencionado, incorpora- se no interior da polia uma mola de força constante. Para tal deve ser realizado um furo de 8 𝑚𝑚 de diâmetro, no qual deve estar incorporado um pino central com 2 𝑚𝑚 de diâmetro concêntrico, cujo será o eixo central da polia e a mola de força constante, figura 5.7.
Figura 5. 7 - Representação esquemática da polia com o furo e pino central para a inserção da mola de força constante.
Mola de Força Constante
As molas são componentes mecânicos presentes na base de muitos sistemas mecânicos. É uma peça suscetível de sofrer deformações significativas quando submetida à ação de uma força e recuperar retomando à posição inicial quando deixa de ser solicitada. A elasticidade que lhes é característica permite-lhes armazenar energia de deformação sem que o material exceda o limite elástico quando são solicitadas por forças ou momentos. A sua função foca-se na exerção de força, providenciar flexibilidade ao sistema e armazenar ou absorver energia [110] [112].
Existem vários tipos de molas que diferem na forma como resistem e respondem quando são solicitadas. Estes componentes podem ser classificadas quando à forma, distinguindo-se as molas de compressão, de tração, de torção e de força constante. Relativamente à forma é possível diferenciar molas helicoidais, em voluta, espiral e lâminas [110].
São molas fabricadas a partir de uma lâmina enrolada uniformemente em torno de si própria, como é possível analisar na figura 5.8, apresentando-se em forma de
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bobinas de lâminas de raio constante. Exibem uma resistência praticamente uniforme ao desenrolamento, resultando uma força aproximadamente constante ao desenrolar a lâmina, devido à homogeneidade do raio de curvatura, o que conduz a uma classificação de mola não linear, de rigidez nula para a gama de trabalho [113].
Figura 5. 8 - Representação gráfica de uma mola de força constante [114].
Considerações no cálculo da mola de força constante
O recurso a uma mola de força constante neste mecanismo deve-se à principalmente vantagem de estas molas ocuparem muito pouco espaço e de possuir um comportamento de força constante. O mecanismo de recolha de fio neste sistema de guiamento e fixação do fio deve ocupar o mínimo de espaço possível, sendo por isso esta mola incorporada na polia com perfil em “U”.
Desta forma, a mola deve ser dimensionada de forma a possuir um diâmetro exterior máximo de 9,5 𝑚𝑚 e uma altura máxima de 3,5 𝑚𝑚. A extremidade interna da mola deve ser fixada no pino central e a extremidade externa à polia, para que quando a polia rode no sentido dos ponteiros do relógio fique carregada, sentido no qual o fio deve ser puxado, e quando esta deixar de ser solicitada, para voltar à posição inicial, permite que a polia rode no sentido anti-horário solidariamente com a mola, ocorrendo a recolha do fio de guiamento e o guiamento do pino de dente “serralhado” para dentro do alojamento do sistema.
Para um dimensionamento mais exato do material, do número de revoluções, espessura e a altura da lâmina, bem como a força máxima que a mola será capaz de
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exercer será necessário realizar um conjunto de experiências, nas quais devem ser estudadas molas com diferentes espessuras de lâmina, materiais e alturas.
Distribuição do fio ao longo do perfil da polia
Quando o fio está totalmente recolhido na polia, figura 5.9, ao fim de 7 revoluções da polia (aproximadamente), este ocupa cerca de 4% da área livre da polia, possuindo assim um elevado coeficiente de segurança e permitindo que não haja margem para o fio de guiamento não ficar armazenado dentro da polia.
Figura 5. 9 - Secção transversal que demonstra a área ocupada pelo fio de guiamento na polia do sistema.
Roda de linguete e linguete
Para um melhor controlo do guiamento de fio, coloca-se uma roda de linguete em justaposição à polia com perfil em “U”, figura 5.10. Esta roda linguete possui um diâmetro exterior de 14 𝑚𝑚 e um diâmetro interno de 12 𝑚𝑚. A roda linguete e o linguete associado encontram-se esquematizados na figura 5.11. A roda linguete é concêntrica à polia e o linguete sobre um eixo de 0,10 𝑚𝑚 de diâmetro e 0,5 𝑚𝑚 de altura e possui uma espessura de 0,5 𝑚𝑚 tal como roda linguete. Para o menos desgaste possível, opta-se por um linguete de poliamida (PA), e uma polia e a roda linguete de aço.
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Figura 5. 10 – (a) Polia em justaposição com a roda linguete; (b) Linguete, desenhos 3D obtidos no Solidworks 2015.
Figura 5. 11 – (a)Roda Linguete; (b) Linguete e respetivas dimensões.
A roda linguete permite o movimento da polia no sentido do ponteiro dos relógios quando o fio é puxado para o exterior. No entanto não consegue rodar no sentido contrário, enquanto o linguete estiver em justaposição com a roda linguete, como na figura 5.12.
Figura 5. 12- Linguete em contato com a roda de linguete, nesta posição o paciente consegue puxar o fio de guiamento e a polia roda no sentido dos ponteiros do relógio, desenho 3D obtido no Solidworks.
(a) (b)
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Para que se suceda o movimento no sentido contrário, cujo vai permitir à mola recuperar a forma inicial, o linguete deve deixar de estar em contacto com a roda, tal como na figura 5.13.
Figura 5. 13 - Linguete sem estar em contato com a roda de linguete, nesta posição há a recolha do fio de guiamento.
Quando o linguete assumir a posição da figura 5.13, tal como mencionado anteriormente, a polia com perfil em “U” irá rodar no sentido oposto até a mola de força constante recupere a força total. Ao longo de rotações efetuadas pela polia em solidariedade com a mola de força constante, o fio de guiamento é recolhido e o pino de dente “serralhado” é guiado corretamente para dentro do alojamento.
O linguete apenas deixa de estar em contato com a roda linguete sob ação de uma força exterior que o force a mover-se. O movimento do linguete será provocado pelo deslocamento longitudinal quando a roda cilíndrica de dentado reto exterior, figura 5.14, quando o paciente pressionar no botão de acionamento.
Figura 5. 14 - Momento em que a roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado entra em contacto com o linguete, desenho adaptado do Solidworks 2015.
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Depois de o linguete ser movido por ação da roda cilíndrica de dentado reto exterior, este deve voltar à sua posição inicial, para tal deve ser adicionada uma mola helicoidal a trabalhar à tração. No momento em que a roda linguete rodar no sentido dos ponteiros dos relógios, figura 5.12, as espiras irão separar-se conforme o linguete percorra o dente da roda, no entanto a no momento em que o linguete estiver totalmente na vertical, a mola estará em repouso e as espiras estarão todas em contacto. A sua extensão máxima ocorrerá quando a roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado entrar em contato com o linguete, figura 5.14, o linguete deixar de estar em contacto com a roda linguete.
Mola helicoidal a trabalhar à tração
As molas são componentes mecânicos que exercem força, providenciam flexibilidade e permitem o armazenamento ou absorção de energia. De entre os vários tipos existentes, as molas a trabalhar à tração são do tipo mais aplicado em sistemas mecânicos.
As molas helicoidais a trabalhar à tração apresentam a capacidade de armazenar e de exercer força de tração. Regra geral, são produzidas com fio redondo e sujeitas a uma pré-tensão que une todas as espiras ativas da mola quando esta está em posição de repouso, ou seja, não deformada. Para a separação das espiras é necessário superar a pré-tensão inicial.
Para além disso, apresentam diferentes formas de extremidades, figura 5.15, através das quais estabelecem a ligação com o restante sistema e realizam a transferência de carga. E normalmente, são dimensionadas para valores tensão inferiores às molas de compressão, uma vez que, contrariamente às molas de compressão, estas não possuem um limite máximo de força a que podem ser sujeitas [112].
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Figura 5. 15- Diferentes tipos de terminação de molas helicoidais a trabalhar à tração [102]
Considerações de cálculo da mola de tração
Para o dimensionamento da mola de tração, foi fornecido um estudo pela empresa FANAMOL – Fábrica Nacional de Molas Lda, a mais antiga fábrica de molas do país sediada no Porto, indicando apenas restrição de comprimento máximo que a mola poderia assumir em repouso de 1,6 𝑚𝑚. Desta forma, o estudo permitiu a obtenção da seguinte mola ilustrada na figura 5.16. com as características apresentadas na tabela 5.4.
Figura 5. 16 - Mola de tração desenhada pela FANAMOL.
Tabela 5. 4 - Características da mola de tração
Características Valores
Comprimento total (L0) 1,6 𝑚𝑚
Comprimento de enrolamento (L) 0,9 𝑚𝑚
Número de espiras ativas 4
Diâmetro Exterior (De) 1,10 𝑚𝑚
Diâmetro Médio (D) 0,9 𝑚𝑚
Diâmetro do arame (d) 0,20 𝑚𝑚
Índice de Mola (C) 4,5
120 5.1.3 Mecanismo de Fixação
Este mecanismo encontra-se, atualmente, aplicado no modelo ALPS Lock S496 T. É composto por um botão de acionamento, por uma mola helicoidal cilíndrica a trabalhar à compressão sem as suas extremidades afagadas, um parafuso com parte cilíndrica e parte roscada, um rolamento da INA modelo HFL 0822 e uma roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado, figura 5.17. Todos os componentes deste mecanismo são de aço inoxidável.
Figura 5. 17 - Componentes do mecanismo de fixação.
Suporte Roscado
Parafuso com parte cilíndrica e parte roscada de rosca direita Acme ¾ in × 16 filetes por polegada normalizado segundo UNF – Fine Thread (consultar Anexo E) figura 5.18. Na figura 5.19 é possível analisar um esquema do suporte com as dimensões principais.
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Figura 5. 19 - Esquema de dimensões principais do suporte roscado.
Este componente está em justaposição com todos os restantes componentes (mola helicoidal a trabalhar à compressão sem extremidades afagadas, roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado e rolamento INA HFL 0822), sendo possível afirmar que é o alojamento dos componentes responsáveis por este mecanismo. Sob a parte roscada encontra-se, em justaposição, o rolamento especial.
Rolamento INA HFL 0822
O rolamento da INA, modelo HFL 0822, é o componente chave que impede a saída do pino de dente “serralhado”, permitindo uma ligação efetiva e segura entre o paciente e a prótese.
O rolamento da INA HFL 0822, figura 5.20, consiste num rolamento de agulhas axiais e buchas livres unidirecional. Nas suas paredes finas estão compreendidos anéis exteriores com uma série de rampas no interior do seu diâmetro, gaiolas de plástico, molas de pressão e rolamentos de agulha, tal como se pode analisar na figura 5.21. Este rolamento consegue transmitir binários elevados e é particularmente compacto, isto é, de espessura reduzida, na direção radial [101].
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Figura 5. 20 - Rolamento da INA, modelo HFL 0822, presente no mecanismo [101].
O rolamento permite uma enorme precisão de ajuste, uma vez que as molas presentes neste sistema nos rolamentos de agulhas assegura ao contacto contínuo entre o veio, rolamentos de agulhas e as rampas. A alta precisão de ajuste deve-se à baixa inercia de todos componentes.
Figura 5. 21 - Esquematização transversal do rolamento [101].
Na tabela 5.5 encontram-se descriminadas as propriedades deste rolamento.
Tabela 5. 5 - Medidas do rolamento [adaptado de 101]
Propriedades Valores D 12 𝑚𝑚 C 22−0,3 0 𝑚𝑚 Fw 8 𝑚𝑚 Massa 7 𝑔. Binário (máximo) 3,5 𝑁𝑚
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Mola helicoidal cilíndrica a trabalhar à compressão sem as suas extremidades afagadas
Os vários tipos de molas podem ser classificados quando à forma, distinguindo- se as molas de compressão, de tração, de torção e de força constante. Relativamente à forma é possível diferenciar molas helicoidais, em voluta, espiral e lâminas [110].
No mecanismo de fixação é aplicada uma mola helicoidal cilíndrica a trabalhar à compressão sem as suas extremidades afagadas, figura 5.22.
Figura 5. 22 - Mola helicoidal cilíndrica a trabalhar à compressão sem as suas extremidades afagadas.
Esta mola é a responsável pelo movimento longitudinal da roda cilíndrica de dentado exterior normalizado no mecanismo de fixação. Na tabela 5.6 encontram-se descriminadas as propriedades desta mola.
Tabela 5. 6- Propriedades da Mola helicoidal cilíndrica a trabalhar à compressão sem as suas extremidades afagadas
Propriedades da mola Valores
Diâmetro da secção circular (d) 0,9 𝑚𝑚
Sentido da hélice 𝐸𝑠𝑞𝑢𝑒𝑟𝑑𝑎
Diâmetro médio da hélice (Dm) 12,1 𝑚𝑚
Comprimento livre (L) 18 𝑚𝑚
Roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado
A roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado, figura 5.23. É este o componente de aço inoxidável responsável pelo guiamento do pino de dente “serralhado” dentro do alojamento. Os seus dentes alinham-se com dentes “serralhados” do pino e para além do guiamento, permite simultaneamente a sua fixação, porque se encontra em justaposição com o rolamento da INA HFL 0822. A figura 5.24 clarifica as dimensões deste componente.
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Figura 5. 23- Roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado
Este componente possui pode ser dividido em duas partes:
1. A roda de dentado reto exterior normalizado que se alinha com o pino de dente “serralhado”;
2. Veio cilíndrico, no qual na zona oposta, apresenta um furo roscado no qual se vai encaixar o botão de acionamento.
Figura 5. 24 - Representação esquemática da roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado.
Botão de acionamento
O botão de acionamento, figura 5.25, encontra-se em justaposição com a mola de compressão e com a roda cilíndrica de dentado reto exterior normalizado. Este botão permite dois movimentos importantes no sistema de fixação:
1. Rotação no sentido dos ponteiros do relógio irá permitir a rotação da roda