O texto abaixo é meu. Os links são apenas para referência e ampliação das pesquisas aos interessados.
Talvez a coisa mais importante que foi inventada no mundo das máquinas tenha sido a roda, pois ela possibilitou o desenvolvimento de veículos terrestres confortáveis que exigem menos força para a locomoção.
Força então é a palavra chave no mundo da locomoção. Imaginem nos primórdios, quando homens da caverna tinham que arrastar um bisão abatido para consumo até a caverna, como fariam isso? Se puxassem simplesmente, muitos homens seriam necessários para essa tarefa. A coisa simplificou-se quando a roda foi inventada, reduzindo assim o atrito e consequentemente a força necessária para movimentar tal carga.
Daí extrai-se um importante conceito: movimentar carga exige força ou potência. Portanto, quanto mais potente o motor, maior a sua capacidade de movimentar pesos e consequentemente gerar movimentos. Todo motor é medido em potência, entre outros parâmetros.
Atrito é inimigo da propulsão, pois quanto mais denso o meio, ou pior a capacidade de deslizamento ou rolamento, maior o atrito ou resistência e consequentemente mais força será necessária para movimentar a carga. Se resistência é importante para determinar a força, então outro fator importante será necessário analisar – o veículo e o meio em que se movimentará.
Os meios conhecidos para movimentação dos veículos são: terra, água, ar e espaço. O meio que oferece maior resistência é a água, depois a terra, em seguida o ar e por fim o espaço.
A água é curiosa, em baixa velocidade é mais fácil para movimentar cargas, o que torna o transporte aquático mais barato, mas, para atingir alta velocidade, é necessário muita força para vencer a resistência da água, tornando inviável deslocamento em alta velocidade por água tanto pelo gasto de energia quanto pela perda de dirigibilidade que começa já em torno de 80 km por hora.
A terra vem em seguida, pois não se imagina locomoção na terra sem o uso da roda e portanto com uma sensível redução do atrito ou resistência, tornado-se o mais viável meio de transporte depois da água e permitindo boa dirigibilidade até velocidades de até 300 km por hora.
A partir de 100 km por hora, o ar já se torna uma barreira significativa para todos os veículos em qualquer meio. Em velocidades acima de 1.000 km por hora é necessário além de boa aerodinâmica, materiais capazes de resistir a altas temperaturas. Os aviões supersônicos necessitam de material especial para suportar velocidades elevadas sem derreter a fuselagem. As naves espaciais também. O ônibus espacial é revestido de uma cerâmica especial que absorve a temperatura de milhares de graus a que chega sua fuselagem durante a reentrada na atmosfera devido o atrito com o ar.
O ar vem depois com a vantagem de permitir grandes velocidades devido ao pequeno atrito, se comparado com a água ou a terra. Porém o gasto de energia é alto para manter o avião em sustentação e propulsão contínuos. Dependendo do tipo de aeronave, o consumo de energia pode ser reduzido drasticamente, sendo mais econômico viajar por ar que por terra. Exemplo: um avião a jato consome o equivalente a 1 litro de combustível a cada 27 km por passageiro, compatível com um carro com ar condicionado que faça 7 km por litro e transporte 4 passageiros.
Veículo desenvolvido é aquele que reduz ao mínimo o atrito criando maior capacidade de deslocamento no meio.
Tipos de veículos
Terrestres: carrinhos de mão, carroças, patins, patinetes, bicicletas, esquis, trens, motos, carros, ônibus, caminhões, etc;
Aquáticos: jangadas, canoas, barcos, navios, balsas, botes, lanchas, submarinos, esquis, mísseis, etc.
Aéreos: Balões, planadores, aviões, foguetes, mísseis, etc;
Espaciais: Foguetes, satélites, mísseis, estações espaciais, etc.
Não confundir veículo com propulsor. Podemos ter um barco a remo, cujo propulsor é o homem, um a vela e outro a motor. Então o mesmo tipo de veículo poderá receber diferentes tipos de propulsão. Logicamente a potência máxima que a estrutura do veículo deve suportar tem que ser respeitada, portanto, raramente pode-se alternar propulsão animal e a motor sem prejuízo para o desempenho ou a estrutura. O caso mais comum são os barcos que podem suportar motores e remos ou velas e motores sem grandes problemas para sua estrutura.
Normalmente o veículo já é projetado levando-se em consideração o tipo de propulsão que deverá utilizar.
Falando em propulsão, chegamos ao motor. O primeiro motor que dispôs o homem foi o próprio corpo. Então o corpo humano é um motor natural que pode movimentar um veículo por tração humana. Exemplos: carrinhos de mão, malas com rodinhas ou não, patinetes, patins, barcos, esquis e o mais engenhoso veículo de todos aqueles para tração humana – a bicicleta.
Depois vieram os cavalos, bois, cachorros e outros animais que possibilitaram a tração animal que até meados do século XX ainda desempenhava importante papel na vida humana. Muitos veículos foram projetados para utilizar a tração animal, tais como: carroças, charretes, carruagens, troles, barcos, entre outros.
A vela é um tipo de motor que foi importante na navegação permitindo a circunavegação e a geração de grande potência capaz de movimentar navios desde os mais remotos impérios humanos. Todas as civilizações fizeram uso da vela, desde fenícios, gregos, romanos, celtas, europeus e aborígenes australianos. No entanto a vela quadrada ou retangular foi a mais utilizada e somente com a invenção da vela triangular o homem pode de fato circundar o mundo, pois esta permite a navegação até 60º contra o vento.
Links sobre barcos a vela e seu funcionamento:
http://br.geocities.com/saladefisica7/f ... covela.htm
http://mundoestranho.abril.com.br/cienc ... 7891.shtml
http://www.feiradeciencias.com.br/sala19/texto31.asp
Finalmente chegamos aos motores propriamente ditos, aqueles que nos interessa de fato. O motor que iniciou o salto tecnológico da humanidade foi o utilizado pelas locomotivas. Trata-se de um motor de combustão externa que possibilitou o uso do carvão ou lenha como combustível.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Locomotiva_a_vapor
O motor elétrico chegou em seguida e embora seja anterior aos motores de carros, não foi empregado em larga escala nos meios de transportes individuais devido a dificuldade de carregar consigo sua fonte de energia – a eletricidade. Até hoje os cientistas lutam para conseguir baterias ou outra fonte de eletricidade capazes de dar boa autonomia a esses motores. A tecnologia que vem acenando é a célula de energia que transforma diretamente álcool ou hidrogênio em eletricidade simultaneamente ao consumo. Neste modelo, o veículo será abastecido com álcool ou hidrogênio, conforme a tecnologia empregada nas células e estas converterão o combustível estocado em energia elétrica à medida que for necessário. Tal invento esbarra nas altas temperaturas necessárias para a conversão e no tamanho das células. Porém, novas descobertas tem lançado luz sobre o problema que em algumas décadas poderá estar solucionado liberando para a humanidade um sistema novo de geração de energia elétrica para todas as aplicações.
Sobre o motor elétrico:
http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-eletrico.htm
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico
Sobre as células de energia e sua evolução:
http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lul ... t%C3%ADvel
Nova forma de construir células de energia
Nova forma de produzir hidrogênio
Depois veio o motor a combustão interna que todos nós já utilizamos, pois trata-se de motores a gasolina, álcool e diesel que equipa carros, motos, barcos, aviões, etc. Versátil, de baixo peso e consumo relativamente pequeno, pode manter um veículo em funcionamento por longo período antes do reabastecimento, o que favoreceu seu uso como meio de transporte.
As turbinas e foguetes são um tipo de motor a combustão superalimentados que geram alta potência com grande consumo de combustível gerando um jato que impulsiona o veículo.
Nos motores a combustão, o combustível não funciona sozinho. Necessita de um reagente para queimar denominado comburente. Na atmosfera o ar é rico em oxigênio e assim a queima ocorre naturalmente, mas em grandes alturas com pouco oxigênio e no espaço sideral um motor a combustão não funciona se não levar além do combustível o comburente.
Associado ao combustível temos ainda o conceito do poder de geração de energia, ou poder calorífico. A gasolina tem maior capacidade de geração de energia que a lenha permitindo maior autonomia. O Urânio viabilizou baterias atômicas utilizadas em submarinos que permitem grande autonomia e maior capacidade de carga já que não necessita transportar muito combustível nem comburente.
Intervalo de reabastecimento chama outro conceito importante dos meios de locomoção, denominado de autonomia. Portanto, autonomia é o tempo que um veículo mantém-se em funcionamento antes do reabastecimento.
Tempo de reabastecimento vem em seguida. É muito fácil reabastecer um carro. Alguns minutos no posto e pronto. Já um navio necessita de muitas horas. Um veículo elétrico também precisa de muitas horas para recarga das baterias. No uso cotidiano, autonomia e tempo de reabastecimento são importantes para viabilizar um veículo. De novo, ponto para os motores de combustão interna diante dos elétricos que ainda não conseguem ser eficientes nestes quesitos.
Considera-se uma autonomia satisfatória de pelo menos 6 horas para carros e motos, 12 horas para ônibus e caminhões, 18 horas para aviões, 1 mês para submarinos e navios e décadas para naves espaciais. Estes tempos são cálculos que eu mesmo fiz considerando-se a necessidade de cobertura do transporte utilizado. Por exemplo, carros e motos, dado a malha viária já desenvolvida no mundo, podem parar com bastante frequencia, então fixei 6 horas, mas nada impede que seja de apenas 1 hora. Lógico que um veículo assim seria problemático pois tornaria muito cansativa uma viagem de 1.000km, comuns no Brasil, por exigir 10 paradas para reabastecer. Logo 6h é bastante bom.
Ônibus e caminhões necessitam de tempo maior já que viajam por caminhos menos povoados e com maior dificuldade de reabastecimento, portanto, considero 12h satisfatório.
Já aviões para cruzar oceanos e continentes necessitam de tempos mais longos e 18 horas seria suficiente para um jato sair de São Paulo e pousar em Sidney nas Austrália mantendo uma velocidade em torno de 900 km por hora com boa margem de segurança. Apesar disso, muitos aviões caças e bombardeios voam muito pouco tempo antes do reabastecimento o que levou ao desenvolvimento dos porta-aviões e do reabastecimento em pleno vôo. Aviões regionais possuem no máximo 4 ou 5 horas de autonomia.
Navios e submarinos, pela lentidão característica, precisam de uma grande autonomia para viagens intercontinentais. Os barcos à vela, embora antigos, são muito úteis ainda, pois não necessitam reabastecer já que seu combustível é o vento disponível em todo o planeta. O maior inconveniente desse tipo de embarcação é o conforto já que viajar contra o vento obriga-o adernar muito causando inconvenientes.
Já que falei em combustível, um novo e importante fator aparece – a fonte de energia. O vento foi o primeiro combustível utilizado para propulsão e ainda hoje torna os veículos a vela atraentes devido a autonomia permanente. Como utiliza o vento para mover-se, não necessita carregar consigo o combustível aumentando sua carga útil.
Depois, com os barcos e trens a vapor, o combustível tornou-se o carvão e a lenha. Abundantes, baratos e de fácil obtenção na época, viabilizou esse meio de transporte. Apesar de exigir grandes volumes de combustível para a produção de energia motora, sendo o trem e o navio um meio de transporte de alta capacidade de carga, possibilitou seu uso sem problemas. A poluição talvez seja o principal inconveniente para sua utilização nos dias de hoje.
A gasolina, o diesel, o querosene e o álcool, permitiram a construção de motores a combustão interna, mais leves e eficientes que possibilitou equipar veículos menores levando pequena quantidade de combustível, já que seu poder de gerar energia é muito maior que do carvão e da lenha garantindo maior autonomia e aumento da carga útil.
Links para motores a combustão:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_c ... 3o_interna
http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros.htm
Veja neste link como funciona um motor a combustão:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/c ... Engine.gif
O uso da eletricidade em trens e trólebus viabilizou-se utilizando a energia disponível na rede elétrica que acompanham o percurso. Portanto, neste método, o reabastecimento é simultâneo ao consumo e o trajeto é fixo, além de exigir uma estrutura de distribuição de energia constante. Uma desvantagem obvia no transporte individual.
Como se dá a propulsão no meio:
Como interage um veículo e seu motor com seu meio para que seja propelido? Comece observando nossa caminhada. A medida que nossos pés empurram o solo para trás, impulsiona nosso corpo para a frente. O mesmo se dá com todos os veículos. Num barco a remo, o remo empurra a água para trás impulsionando o barco para frente. Num barco a vela, o vento impulsiona-a para frente levando o barco consigo. Nos barcos equipados com motores a combustão, este gera uma forte rotação numa hélice submersa que impulsiona a água para trás e impulsiona o barco para frente. No avião, ocorre o mesmo, seja com hélice ou turbina, o motor gera um jato para trás que impulsiona o veículo para frente. Trata-se do conceito básico de ação e reação.
Os motores e suas aplicações:
Cada motor pode ter uma ou mais aplicações, mas não se pode pensar que todos os motores servem para todos os tipos de veículos. Dadas as suas características, motores a combustão externa são mais adequados como gerador estacionário ou para grandes veículos como locomotivas e navios. Motores elétricos são úteis para meios de transporte que funcionem em trechos pré-determinados. São muito bons também para submarinos pois não necessitam de comburente. Associado a uma bateria nuclear dá grande autonomia a este tipo de veículo, mas obviamente não atende a necessidade de carros, pois não seria admissível que bilhões de carros e motos no mundo portassem uma perigosa bateria nuclear. Já os motores a combustão são bastante versáteis podendo ser utilizados em carros, motos, barcos, navios, aviões, trens, etc. É leve, produz boa relação peso/potência e gasta pouco combustível. Turbinas são mais adequadas a barcos e aviões. Foguetes são bons para mísseis e naves espaciais, pois não permitem parar e reiniciar, nem controlar a potência. Uma vez disparado, segue na trajetória prevista até o esgotamento da energia.
Os veículos e suas aplicações:
Os veículos terrestres ou aquáticos de superfície são os mais simples e fáceis de construir porque como operam na atmosfera ao nível do mar, não necessitam de habitáculo especial para as pessoas. Já um avião que voe a mais de 3.000 metros, necessita de uma cabine pressurizada e ar condicionado, pois a esta altura, a baixa pressão atmosférica poderia causar complicações respiratórias aos passageiros. A mais de 10.000 metros tanto a temperatura quanto o ar rarefeito seriam letais aos passageiros. Num submarino além do controle da pressão e da temperatura, é necessário levar todo o ar necessário para os passageiros respirarem durante a viagem. Se o motor for a combustão, será necessário também levar ar para o motor funcionar. Numa nave espacial, as coisas ficam mais complicadas, pois além do ar e da temperatura, temos a falta de gravidade, os raios cósmicos, ultravioletas e radiações magnéticas do sol. Na terra somos protegidos dos raios cósmicos, solares e ultravioletas pela atmosfera. A magnetosfera nos protege do campo magnético do sol. No espaço, as naves atuais modulam apenas a temperatura e a pressão. O resto é compensado com condicionamento físico e redução do tempo de exposição dos astronautas ao risco. No futuro, se quisermos ir a Marte e outros planetas, teremos que desenvolver naves que gerem gravidade artificial com escudo magnético e filtros para os raios cósmicos e ultravioletas. Isso significa que será necessário um motor que gere muita energia extraída de pouco volume de combustível, não utilize comburente e tenha uma autonomia mensurada em anos.
Resumindo, analisamos os seguintes conceitos que se interagem para permitir a deslocamento rápido com menor consumo de energia:
Potência: capacidade que o motor tem de propelir um veículo. Normalmente medida em CVs (Cavalo-Vapor), HPs (Horse-power), KW (quilowatz). Já motores de aviões são avaliados pelo empuxo em libras ou Newtons (N).
Resistência: é a reação contrária causada pelo atrito com o meio, seja a água, o ar, ou o solo.
Meio: é a via de deslocamento do veículo que pode ser terrestre, aquática, aérea ou espacial.
Veículo: é uma máquina construída para transporte de passageiros ou de carga e capaz de mover-se em um ou mais meios diferentes.
Combustível: é a energia que permitirá o funcionamento do motor e a propulsão do veículo. Pode ser líquido, sólido ou gasoso, renovável ou não, e também natural. Exemplo de combustível natural é a luz solar, o vento e as quedas d'água.
Comburente: é o oxigênio que ao reagir com o combustível e o calor, libera a energia estocada neste.
Poder calorífico: é a quantidade de energia de cada grama de combustível consegue fornecer. Quanto maior o poder calorífico, menos combustível é necessário transportar para cobrir a mesma distância numa dada velocidade.
Autonomia: é o tempo medido em horas ou quilometragem que um veículo funciona com o estoque de combustível que leva consigo. Determina o raio de ação antes do reabastecimento. Por exemplo: um avião com autonomia de 4h só servirá para vôos regionais impossibilitando-o de percorrer trajetos intercontinentais.
Tempo de reabastecimento: é o período de tempo necessário para encher o tanque ou recarregar as baterias. Inclui-se neste tempo o período de parada no posto, porto ou aeroporto para que a operação se efetive.
Algumas curiosidades:
Sabemos hoje que a turbina não é adequada para carros já que é mais recomendada para veículos em velocidade constante como aviões e barcos. Ainda assim, a Chrysler fez um carro com turbina, mas que não vingou devido ao alto custo operacional. Veja no link.:
http://www2.uol.com.br/bestcars/classicos/turbine-1.htm
Os motores dos foguetes V2 dos alemães era uma tecnologia altamente desenvolvida na época e provavelmente protegeu-os de um ataque nuclear já que os aliados estavam febris para colocar as mãos nela e depois conseguiram não só se apoderar dos V2 como também levar os cientistas alemães para os Estados Unidos. Tanto russos quanto americanos se apropriaram e beneficiaram-se dessa tecnologia alemã da 2ª Guerra Mundial que ainda hoje é a base de todo o desenvolvimento espacial russo e americano.
Veja uma foto no link abaixo desse fabuloso motor, pequeno e engenhoso:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/c ... engine.jpg
