Slide 5: Física por detrás do Impulso
Demonstração do Professor (ou Possível Atividade da Formação): Encher um balão simples com ar e libertá-lo no ar. (A turma pode ter visto antes, como parte do Tutorial 1; pode ou não querer repeti-la, dependendo da formação em si e do tempo. Como uma possível variação utilize o recurso disponível em: http://www.bloodhoundssc.com/shop/balloon-car-kit.)
Explicação: O ar dentro do balão está comprimido nas paredes de borracha do balão. Quando o bocal ou abertura do balão é libertada, o ar sai. A terceira lei do movimento de Newton afirma que cada ação tem uma reação igual e oposta. Assim, a ação de escape do ar cria uma reação – produz uma força nas paredes do balão que o lançam no ar. (Uma vez que a Terceira Lei de Newton é tão importante, deverá enfatizá-la novamente, contudo, muito tempo foi dedicado a este tema no T1.) De notar que o itinerário do voo do balão é muito irregular, porque não existem estruturas como no avião (estabilizadores) para o controlar.
Slide 6: Avião em movimento para a frente
O motor a jato do avião trabalha no mesmo princípio que a terceira lei do movimento de Newton.
Os gases de escape quentes dos motores a jato do avião empurram o ar, o que por sua vez produz uma reação oposta nos motores. Como o motor está fixo ao avião, este cria um movimento para a frente.
O movimento de avanço do avião e a forma aerodinâmica da asa fazem com que o ar na parte superior da asa se mova mais rapidamente do que em baixo. Isto cria uma camada de baixa pressão de ar acima da asa ao contrário do que acontece na parte inferior. A diferença de pressão gera uma força para cima, elevação, o que mantém o avião no ar. (Ver Tutorial FlyHigher 1.)
Slide 7: História dos Motores a Jato
Sir Isaac Newton foi o primeiro a propor a teoria da explosão canalizada para a retaguarda. Um exemplo simples de uma explosão canalizada para a retaguarda é um carro a vapor como se apresenta no slide. Em 1687 Newton tentou testar as suas leis recém-formuladas com o seu protótipo de "carro a vapor". Este tinha uma caldeira montada e para o fazer avançar, o vapor saia no bocal pela retaguarda. Embora o seu carro a vapor não tenha funcionado (o vapor não produzia pressão suficiente) a sua teoria ou força explosiva canalizada para a retaguarda provou ser produtiva nos últimos anos, quando adaptada por pioneiros para o fabrico de veículos rodoviários a vapor.
De notar que as máquinas a vapor, tão importantes para as primeiras redes de caminho-de-ferro, funcionam com princípios bastante diferentes e não relacionados com a propulsão a jato.
Possível Extensão: (i) pedir aos formandos para pesquisarem e escreverem um breve resumo sobre as várias realizações de Newton.
Possível Extensão: (ii) Como uma alternativa, pedir aos formandos para pesquisarem os primeiros jatos, "os carros de vapor” e por que motivo a ideia foi abandonada.
Slide 8
Os veículos rodoviários a vapor foram mais tarde substituídos por veículos a gasolina devido a um desempenho muito superior da gasolina. A invenção da Combustão Interna (CI) do motor durante o século XVIII fez com que os irmãos Wright adequassem o seu "Kitty Hawk" com um motor a gasolina de 12 cavalos (hp).
Extensão possível para grupos mais capazes ou da área científica:
Estes formandos devem estar cientes que 1 hp = 746 watts em que 1 watt = 1 Nm/s (metros por segundo de Newton) e é definida como a taxa na qual o trabalho é feito quando a velocidade de um objeto é mantida constante em 1 metro por segundo contra a força de oposição constante de um newton.
Outro exemplo doméstico:
Uma típica lâmpada incandescente doméstica tem uma potência de 25 a 100 watts; uma quantidade semelhante de luz seria produzida por lâmpadas fluorescentes com 5 a 30 watts, ou lâmpadas LED com 5 a 20 watts. Os formandos podem também ser relembrados para não confundirem watts, watts-hora e watts por hora.
Slide 9
As hélices são aerodinamicamente moldadas (portanto, são torcidas ao longo do comprimento). Várias forças agem sobre a hélice e a ciência é complexa. Os formandos podem estar familiarizados com a força centrífuga e tensões de curvatura (produzidas por cargas aerodinâmicas). Ambas complicam a conceção e a força necessária para que a hélice funcione.
A força do impulso gerado pelas lâminas da hélice é determinada pela área do disco das lâminas. Uma área muito pequena é, obviamente, menos eficiente, no entanto, um disco muito grande pode gerar mais ruído do que impulso!
Possível demonstração do professor:
Força centrífuga – rodopie um peso num fio e deixe-o voar
Tensão de Curvatura – Fixe uma régua de plástico numa das extremidades. Em seguida, com dois dedos aplique carga na outra extremidade. A deformação da régua acontece devido à tensão de curvatura.
Empurre com força suficiente e a régua de plástico irá dobrar e dobrar... e então quebrar! (geralmente subitamente). Com uma régua de madeira: a madeira - dependendo da espessura e tipo - provavelmente irá dobrar menos e rachar e quebrar de forma irregular. Com uma régua de metal: o metal vai provavelmente dobrar, mas não quebrar. No entanto, em algum momento irá ficar permanentemente distorcido, - para nunca mais retornar à sua forma original. Estas observações são lugar-comum, mas enfatize que os materiais com os quais as peças de aviões são produzidas são cruciais. Será que alguém quereria estar num avião em pleno voo quando a hélice quebrar de repente e voarem pedaços?!
Os aviões leves modernos ainda usam hélices (embora estas sejam feitas de materiais compósitos de alta tecnologia que são mais leves e mais fortes do que os do passado). Fundamentalmente, o custo de aquisição e manutenção de um motor de hélices é significativamente menor do que um motor a jato. Aviões leves, que voam curtas distâncias a velocidades modestas e altitudes mais baixas são, talvez, de um amador ou pulverizador de um agricultor. Os baixos custos são imperativos.
Os motores a jato são sofisticados e caros. Um avião pequeno, de alto desempenho (um Air-force, por exemplo) que tem de voar a elevadas altitudes e velocidades será, obviamente, a jato, como aviões executivos de uma empresa internacional (que tem de levar os seus VIPs a locais distantes, mas rapidamente).
Slide 10
Desde 1903, ano do primeiro voo dos irmãos Wright, até ao final de 1930, o motor de combustão interna a gasolina com uma hélice era o único meio utilizado para a propulsão de um avião. Foi Sir Frank Whittle, um piloto britânico, quem concebeu o primeiro turbojato em 1930.
Na imagem abaixo encontramos um Gloster E28/39 e, como os formandos devem reparar rapidamente, não existe uma hélice no nariz do avião. O motor tinha vários níveis de compressores e turbinas para criar impulso para a frente, mas em última análise, dependia do gás de escape para empurrá-lo para a frente - como o balão!
Provavelmente é importante salientar que este avião e o avião a hélices do slide anterior parecem semelhantes - mas muito, muito diferentes dos biplanos 30 anos antes e diferentes dos jatos modernos 30 anos mais tarde.
Slide 11 Fundamentos sobre Motores
Este slide demonstra o funcionamento básico de um motor com pistões, que é essencialmente o motor utilizado nos carros. Para demonstração uma seringa vazia pode ser usada com um pistão numa extremidade e um bocal na outra.
A primeira fase de funcionamento do motor é a entrada de ar através do movimento descendente do pistão. Um bom exemplo é quando o pistão de uma seringa é puxado para trás, este enche-a com ar.
A segunda etapa está relacionada com a compressão de ar, que é executada pelo movimento ascendente do pistão no cilindro. Demonstração - Se fechar o bico de uma seringa (ou bloqueá-lo com o dedo) e empurrar o pistão na direção do bico, vai comprimir o ar dentro. Note que num motor com pistões real, a entrada de ar fecha de forma segura, para evitar qualquer escape de ar a partir do cilindro e permitir a compressão de todo o ar.
A terceira fase de funcionamento do motor envolve a combustão pela adição e ignição de combustível. Obviamente existe uma ciência complexa. Todo o combustível dentro do cilindro tem de queimar, então a quantidade certa te de ser injetada. Para além disso, isso deve acontecer exatamente no momento correto no ciclo. Os formandos podem ter visto “velas de ignição” em motores simples, como um cortador de relva ou um velho carro, e possivelmente ouviram falar do
"distribuidor" que liga mecanicamente a vela de ignição à parte elétrica do carro no momento certo.
Se puder, mostre-lhes. Os motores dos carros modernos são controlados por computador e os formandos podem ter ouvido falar de sistemas de “injeção de combustível" eletrónicos.
A quarta etapa é o escape de gases quentes através da abertura de escape. Estes gases quentes têm elevada temperatura e pressão (energia) e, enquanto escapam causam o movimento descendente do pistão no interior do cilindro.
O movimento descendente do pistão provoca uma entrada de ar para o próximo ciclo. O ciclo prossegue assim por diante repetidamente.
O pistão está ligado à hélice do avião através de um virabrequim que provoca o movimento de rotação da hélice, como apresentado no slide seguinte.
Slide 12
Como pode ver na fotografia, o propulsor é ligado através de um virabrequim, o que provoca o movimento do pistão em rotação. Quantos mais pistões estiverem a bombear, mais energia é gerada e o mais suavemente roda o virabrequim. Portanto, o motor tem vários cilindros de modo a fornecer uma fonte de energia contínua a partir de ignições individuais, com mais que um pistão ligado ao virabrequim.
Geralmente, um motor de automóvel tem quatro cilindros - mas muitos têm seis (especialmente em veículos de prestígio e/ou maiores). Os cilindros tendem a ser em pares para se obter o equilíbrio com dois ou três de cada lado. No entanto, pequenos motores, tais como os encontrados em ciclomotores ou máquinas de jardinagem têm um único cilindro e utilizam apenas um único pistão, uma vez que a exigência de potência é menor. Os veículos maiores (por exemplo, camiões que transportam cargas mais pesadas) ou veículos especializados (por exemplo, carros de corrida F1) terão 8, 10 ou 12 cilindros, dependendo das exigências.
Slide 13.
Na imagem - Airbus A380 de longa distância, aviões de dois andares com quatro motores gigantes montados da Rolls Royce Trent 900 Motores ou Engine Alliance GP700. Estes são motores turboventiladores, mais adequados para voos comerciais que precisam de motores robustos e fiáveis.
O Airbus 380 é um dos aviões mais modernos. Pode transportar até 525 passageiros (com lugares económicos, executivos e de primeira classe). Podia transportar 853 passageiros se existem apenas lugares de classe económica. Tem um alcance de 15, 700 km e uma velocidade máxima de 945 km/h (9.755 milhas; 587 mph).
Formandos com capacidades médias ou superiores devem ser introduzidos aos números Mach que expressam velocidades (normalmente de aviões a jato) como uma fração da velocidade do som.
Aviões supersónicos voam mais rápido que a velocidade do som, daí a palavra "supersónico". A velocidade máxima do Airbus é de 0,89 Mach. O Concorde atingia a velocidade máxima de 1.2 Mach.
).
Slide 15: Outros Tipos de Motores a Jato
Debruce-se sobre este slide e no próximo, e depois ignore os Slides 17-21, se a idade/capacidade/interesse dos formandos ou o comprimento da formação o tornar adequado. O ponto essencial é que há agora muitos
tipos diferentes de motores a jato e as novidades continuam a acontecer.
Para fins não comerciais, o turboventilador não é necessariamente a melhor escolha. A utilização militar, por exemplo, exige o melhor desempenho possível e o custo é um problema menor que para as companhias aéreas. A tecnologia do motor a jato desenvolveu-se consideravelmente e existe atualmente uma variedade de opções, como o slide apresenta.
Estatorreator – Avião espião de alta velocidade e alta altitude. Utiliza a velocidade maciça para
"forçar" o ar para dentro do motor. Este é o Lockheed SR-71 "Black Bird" sobre as montanhas de Sierra Nevada na Califórnia, em 1994. Foram apenas construídas 32 aviões deste tipo. Os primeiros utilizadores foram a Força Aérea dos EUA e a NASA. Foi extremamente rápido (Mach 3 +, ou seja, em 1980 mph ou 3.186 Km/h) e um avião de reconhecimento aéreo. Uma excecionalmente alto desempenho do motor foi o principal requisito para este avião e os custos tiveram importância secundária.
Turbojato – avião militar que tem de ser robusto e fiável, transportar cargas significativas e de forma bastante rápida. Este é o Fairchild Republic A-10 Thunderbolt II e é composto por um assento e dois motores. No total foram construídos 716 e encontram-se ainda atualmente em serviço. Foi
concebido para proporcionar apoio aéreo próximo às forças terrestres, para atacar tanques, veículos armados e outros alvos terrestres com defesas aéreas limitadas. A exigência principal deste motor é o desempenho e fiabilidade.
Foguetão – NASA Atlantis Space Shuttle. Utiliza um motor de foguete criogénico de combustível líquido. Um motor de foguete criogénico é aquele que utiliza combustível (hidrogénio líquido) e um oxidante (Oxigénio líquido). Os requisitos principais deste motor não são apenas o desempenho e fiabilidade, mas operar no espaço (onde não há ar!). Por isso, deve fornecer o seu próprio oxigénio.
Turbopropulsor – Avião executivo pequeno; precisa de ser acessível, mas fiável e razoavelmente rápido. Este é o Beechcraft King Air 350i. É um avião executivo com 8 lugares equipado com dois motores - Pratt e Whitney (Canadá). Não é tão rápido como a maioria dos jatos (velocidade máxima de 523 kmh, 325 mph), mas mais rápido que um avião de hélices movidas com pistões. (A pista está na palavra “Turbo”!). Os motores são leves, eficientes em termos de combustível e simples na sua conceção (mais barato para funcionar e manter).
Avião de hélices movidas com pistões - Este é o Antonov AN-2. Era um avião agrícola monomotor, biplano (avião com duas asas principais empilhadas uma sobre a outra) concebido na União Soviética (Rússia) em 1946. O avião tinha uma velocidade máxima baixa de 258 km/h (160 mph), mas poderia transportar uma carga significativa (até 5.500 kg; 12.000lb). A exigência principal do motor com pistões de 9 cilindros era produzir o impulso necessário para levantar o avião no ar.
Slide 16: Seleção de Motores
O motor turboventilador tem um ventilador na entrada do motor para aumentar o impulso gerado pelo motor. Uma característica chave de classificação do motor turboventilador é que o ventilador está no interior da conduta do motor (não fora como uma hélice) e nem todo o ar passa através de todo o motor como no Turbojato, mas está dividido em diferentes fluxos. Complexo, mas muito comum em aviões comerciais.
Slide 19: Turbopropulsor
Os motores turbopropulsores são geralmente usados em pequenos aviões subsónicos. Utilizam as ideias principais de um turbojato, mas incluem maquinaria adicional para converter a energia nos gases de escape de alta velocidade para conduzir uma hélice. Isto, por sua vez, fornece a maior parte do impulso propulsor ao avião à medida que os gases de escape que saem do motor contêm pouca energia em comparação com um motor a jato e desempenham um papel menor na propulsão do avião.
Slide 20: Estatorreator
Os estatorreatores são a forma mais simples de propulsão. O ciclo de energia de trabalho do motor é idêntica à do motor de combustão interna. A entrada de ar na frente a alta velocidade, depois a compressão, alcançada dentro de um difusor (que abranda o ar, à medida que mais ar é "forçado"
para dentro, por isso a pressão aumenta). O combustível é queimado e pulverizado no interior da câmara de combustão e, em seguida, finalmente o ar a alta velocidade é expelido através do escape para gerar impulso.
Os motores estatorreatores dependem do avião já em movimento a alta velocidade e não funcionam quando parado. Os estatorreatores precisam de assistência para a decolagem e para acelerar a uma velocidade em que começam a produzir impulso. Trabalham de forma mais eficiente a velocidades supersónicas de cerca de Mach 3.
Slide 21: Foguetão
O motor de foguetão difere de todos os outros tipos de sistema de propulsão de aviões. Os motores de foguetão não são motores de “respiração de ar" e utilizam quer combustível quer oxigénio, uma vez que têm de funcionar em altitudes muito elevadas e em vácuo. Levar seu próprio abastecimento de combustível e oxidante também resulta é a sua principal fraqueza, devido ao aumento de peso. O impulso é gerado a partir das pressões elevadas no interior da câmara de combustão e o bocal de descarga, que produz as mudanças de aceleração dos gases de escape.
Slide 22: Sumário
Fonte: YouTube; Duração: 0:52
Agradecimento: www.rendermedia.co.uk
Este vídeo é silencioso! Pode precisar de o parar em alturas adequadas para verificar se os formandos absorveram as ideias centrais. Discuta cada componente com os formandos à medida que o filme é reproduzido. (As pausas serão provavelmente necessárias.)
Componentes na animação:
o Compressor – para comprimir o ar.
o Turbina – para extrair a energia dos gases quentes e colocar o compressor montado no eixo em funcionamento.
o Câmara de combustão – para queimar o ar comprimido por adição de combustível o Invólucro do motor – para acomodar todas as componentes
Como pode ver na animação, o ar frio (cor azul) que entra no motor é comprimido pelas hélices do compressor, é queimado na câmara de combustão através da adição de uma mistura de ar-combustível precisa e os gases quentes (cor vermelha) saem da turbina que fornece a força de propulsão necessária para empurrar o avião para a frente.
Slide 23: Conhecimento Adicional
Peça aos formandos para acederem ao website mencionado no slide - talvez na escola/faculdade, se for possível, ou em casa - e experimentar o simulador do motor.
Materiais Adicionais
Dentro ou Fora da Aula
Sopa de Letras
As duas sopas de letras que se seguem podem ser definidas a dois níveis: com as palavras-chave listadas como pistas ou sem essas palavras-chave. Podem ser utilizadas para prolongar a formação ou definidas como trabalho de casa. Todas as palavras devem ter sido utilizadas na apresentação em PowerPoint. As sopas de letras são apresentadas num formato fácil de copiar na próxima secção. (Todos os direitos de autor são renunciados para utilização educacional.)
A Sopa de Letras 1 é de um nível bastante baixo, mesmo sem as pistas. Todas as palavras são simplesmente exibidas vertical ou horizontalmente.
A Sopa de Letras 2 com as pistas é um pouco mais difícil e, sem as pistas, bastante difícil! Uma série de palavras estão escritas numa linha diagonal, ou da esquerda para a direita em linha reta, mas algumas palavras mais simples estão apresentadas da direita para a esquerda.
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Várias atividades que podem ser desenvolvidas fora da formação estão listadas em pontos relevantes para a apresentação. Poderiam, evidentemente, ser definidas no fim do tempo da formação. Estas são:
Após a discussão de Sir Isaac Newton (Slide 7):
Extensão Possível: (i) Pedir aos formandos para pesquisarem e escreverem um breve resumo das muitas realizações de Newton
Extensão Possível: (ii) Como alternativa, pedir aos formandos para pesquisarem os primeiros jatos "os carros a vapor” (em oposição aos motores a vapor) e por que a ideia foi abandonada
Após reparar no poder do motor a jato (Slide 8)
Extensão Possível (para grupos mais capazes, grupos gerais ou da área científica):
Os formandos devem estar cientes que 1 hp = 746 watts em que 1 watt = 1 Nm/s (metros por segundo de Newton) e é definida como a taxa na qual o trabalho é feito quando a velocidade de um objeto é mantida constante em um metro por segundo contra força de oposição constante de um newton.
Após o Tutorial
Extensão Possível (i) (Como o slide final sugere): Pedir aos formandos para acederem ao website
mencionado no slide - talvez na escola/faculdade, se for possível, ou em casa - e experimentar o simulador do motor.
Extensão Possível (ii) Os formandos também podem investigar os muitos vídeos no YouTube que
apresentam como funciona um motor a jato - alguns são engraçados no geral; outros são
bastante técnicos – os formandos decidem o quão profundamente desejam explorar.
SOPA DE LETRAS DE MOTORES A JATO 1A
Consegue encontrar todas as nove palavras relacionadas com motores a jato escondidas na grelha seguinte?
Para o ajudar, as dez palavras são:
* Airbus * Combustão * Escape * Jato
* Elevação * Newton * Impulso * Turbina * Whittle
A J A T O
I E L E V A C A O N
R E S C A P E E
B T U R B I N A W
U T
S I M P U L S O O
W H I T T L E N
C O M B U S T A O
Cada vez que encontra uma palavra, explique o que significa.
SOPA DE LETRAS SOBRE MOTORES A JATO 1B
Consegue encontrar todas as nove palavras sobre “Motores a Jato” escondidas na grelha seguinte?
Sem pistas! Tem de as encontrar por si próprio.
A R T O A T S U B M O C
I E L E V A C A O N U Y
R E S C A P E L K E J J
B T U R B I N A G W A H
U G F D S A Z X C T V B
S I M P U L S O O O M N
W H I T T L E L K N J H
T R E W Q S O D Y F U G
De cada vez que encontra uma palavra, explique o seu significado.
SOPA DE LETRAS SOBRE MOTORES A JATO 2A
Consegue encontrar todas as onze palavras escondidas na grelha seguinte? De cada vez que encontra uma palavra, explique o seu significado.
CUIDADO! Nem sempre as letras e encontram na vertical, horizontal ou diagonal, mas também (em alguns casos) de trás para a frente, ou seja, da direita para a esquerda. Para o ajudar, as doze palavras são:
CUIDADO! Nem sempre as letras e encontram na vertical, horizontal ou diagonal, mas também (em alguns casos) de trás para a frente, ou seja, da direita para a esquerda. Para o ajudar, as doze palavras são: