Os resultados da pesquisa se encontram abaixo:
quarta-feira, 15 de abril de 2015
Exemplos de projetos de aviões de papel
A partir dos resultados de uma pesquisa realizada pelo grupo, foram encontrados alguns exemplos de projetos de aviões de papel que podem ser utilizados para a confecção de nossos protótipos.
Os resultados da pesquisa se encontram abaixo:
Os resultados da pesquisa se encontram abaixo:
Curiosidade: Fisica por traz do avião de papel
FÍSICA DO VOO DE AERONAVES
O movimento de planadores como os aviões de papel é descrito pela atuação de três forças e as Leis de Newton. A figura 1 mostra o diagrama de corpo livre de um avião de papel em trajetória ascendente, posicionando a força peso (P) a força de sustentação (FS) e a força de arrasto (FA). As forças FS e FA tem origem aerodinâmica, ou seja, na interação com a atmosfera, e dependem da velocidade do ar. A força de arrasto está relacionada com a resistência que o choque com as partículas de ar realiza com o objeto em movimento.
A origem da força de sustentação está na interação de objetos com o ar em velocidade. A diferença entre as velocidades do volume de ar abaixo e acima do objeto gera uma força direcionada de baixo para cima, que resiste à ação do peso, ou seja, é uma reação devida ao contato com a atmosfera. Esta reação é obtida com facilidade em objetos planos, onde a diferença entre as velocidades do ar acima e abaixo é relativamente alta dependendo da orientação relativa do objeto e a velocidade do ar, gerando a força de sustentação perpendicular a superfície.
A Física envolvida na origem desta força pode ser entendida utilizando 2 princípios, igualmente corretos. O primeiro e mais empregado, envolve a Física de Fluidos e o princípio de Bernoulli, que relaciona a pressão do fluido e a velocidade de escoamento. No caso, o princípio diz que fluidos a velocidades maiores exercem pressões menores. Logo, a pressão acima da asa é menor que abaixo, gerando uma diferença de pressão e a força de baixo para cima. O segundo e mais intuitivo utiliza a 3ª Lei de Newton. Neste caso, quando a velocidade acima do objeto é maior que abaixo, o ar é acelerado para baixo pelo objeto que atravessa o fluido, e a atmosfera reage sobre o objeto com uma força contrária, ou seja, para cima.
A teoria sobre o voo de aeronaves, que são objetos com asa, indica o comportamento descrito na equação 1 para a força de sustentação = 1 2 . . . . , (1) onde ρ é a densidade do fluido (ar), v é a velocidade relativa do ar, A é a área da asa e CS é o coeficiente de sustentação, cujo valor é dependente da forma da asa e do valor do ângulo de ataque da superfície da asa.
METODOLOGIA
Esta seção esta subdividida em duas partes. A primeira tem como objetivo descrever a experiência que será realizada. A segunda descreve os detalhes experimentais para a realização dos experimentos.
Dinâmica do voo de aviões de papel.
O estudo do voo de aviões de papel será realizado analisando experimentalmente a trajetória destes aviões. De maneira geral, a trajetória de um avião de papel lançado horizontalmente com uma velocidade vx vai obedecer um comportamento parabólico como o ilustrado na figura 2.
A trajetória envolvida na figura 2 é resultado da ação das forças verticais P e FS e da velocidade horizontal inicial vx. A velocidade vertical vy aumenta de um valor inicial nulo (lançamento horizontal) devido à aceleração vertical ay causada pela diferença entre P e FS. Considerando a força FA desprezível para os aviões de papel, e, portanto, a velocidade vx constante, as equações da cinemática explicam a trajetória através das equações 2 e 3.
Através da equação 3, conhecendo a massa do avião (a massa de uma folha de papel), o valor da velocidade do lançamento vx e medindo os correspondentes valores de h e x, altura do lançamento e alcance, obtêm-se experimentalmente o valor da aceleração vertical que pode ser utilizada para caracterizar o valor da força de sustentação envolvida através da equação 4.
Medição experimental do voo de aviões de papel
Para realizar os experimentos com os aviões, e obter os valores de alcance, altura e velocidade de lançamento, foi desenvolvido um equipamento lançador de aviões. O objetivo deste equipamento é lançar aviões horizontalmente onde o valor da velocidade de lançamento possa ser controlado. Assim, utilizou-se o impulso de uma mola como propulsor dos aviões, inserida em um tubo com uma fenda para o apoio dos mesmos. A intensidade da deformação da mola altera a velocidade de lançamento dos protótipos. A figura 3 ilustra o equipamento lançador desenvolvido para o estudo.
Figura 3: desenho do equipamento lançador de aviões de papel.
A calibração do equipamento foi realizada empregando um objeto com a mesma massa de um avião de papel, que foi uma folha de tamanho A4 (210 x 297 mm) trabalhada para obter a forma esférica, de maneira que pode ser considerada uma partícula em lançamento parabólico, onde a sustentação é nula. A figura 4 ilustra a trajetória do objeto.
Figura 4: ilustração da trajetória de um objeto esférico (sem asas).
A medida do alcance x em função da deformação da mola permite caracterizar o controle da velocidade de lançamento do lançador através da equação 5.
O movimento de planadores como os aviões de papel é descrito pela atuação de três forças e as Leis de Newton. A figura 1 mostra o diagrama de corpo livre de um avião de papel em trajetória ascendente, posicionando a força peso (P) a força de sustentação (FS) e a força de arrasto (FA). As forças FS e FA tem origem aerodinâmica, ou seja, na interação com a atmosfera, e dependem da velocidade do ar. A força de arrasto está relacionada com a resistência que o choque com as partículas de ar realiza com o objeto em movimento.
Figura 1: diagrama de corpo livre de um avião de papel. P é o peso, FS a força de
sustentação e FA a força de arrasto.
A origem da força de sustentação está na interação de objetos com o ar em velocidade. A diferença entre as velocidades do volume de ar abaixo e acima do objeto gera uma força direcionada de baixo para cima, que resiste à ação do peso, ou seja, é uma reação devida ao contato com a atmosfera. Esta reação é obtida com facilidade em objetos planos, onde a diferença entre as velocidades do ar acima e abaixo é relativamente alta dependendo da orientação relativa do objeto e a velocidade do ar, gerando a força de sustentação perpendicular a superfície.
A Física envolvida na origem desta força pode ser entendida utilizando 2 princípios, igualmente corretos. O primeiro e mais empregado, envolve a Física de Fluidos e o princípio de Bernoulli, que relaciona a pressão do fluido e a velocidade de escoamento. No caso, o princípio diz que fluidos a velocidades maiores exercem pressões menores. Logo, a pressão acima da asa é menor que abaixo, gerando uma diferença de pressão e a força de baixo para cima. O segundo e mais intuitivo utiliza a 3ª Lei de Newton. Neste caso, quando a velocidade acima do objeto é maior que abaixo, o ar é acelerado para baixo pelo objeto que atravessa o fluido, e a atmosfera reage sobre o objeto com uma força contrária, ou seja, para cima.
A teoria sobre o voo de aeronaves, que são objetos com asa, indica o comportamento descrito na equação 1 para a força de sustentação = 1 2 . . . . , (1) onde ρ é a densidade do fluido (ar), v é a velocidade relativa do ar, A é a área da asa e CS é o coeficiente de sustentação, cujo valor é dependente da forma da asa e do valor do ângulo de ataque da superfície da asa.
METODOLOGIA
Esta seção esta subdividida em duas partes. A primeira tem como objetivo descrever a experiência que será realizada. A segunda descreve os detalhes experimentais para a realização dos experimentos.
Dinâmica do voo de aviões de papel.
O estudo do voo de aviões de papel será realizado analisando experimentalmente a trajetória destes aviões. De maneira geral, a trajetória de um avião de papel lançado horizontalmente com uma velocidade vx vai obedecer um comportamento parabólico como o ilustrado na figura 2.
Figura 2: ilustração de um lançamento horizontal de um avião de papel.
A trajetória envolvida na figura 2 é resultado da ação das forças verticais P e FS e da velocidade horizontal inicial vx. A velocidade vertical vy aumenta de um valor inicial nulo (lançamento horizontal) devido à aceleração vertical ay causada pela diferença entre P e FS. Considerando a força FA desprezível para os aviões de papel, e, portanto, a velocidade vx constante, as equações da cinemática explicam a trajetória através das equações 2 e 3.
Através da equação 3, conhecendo a massa do avião (a massa de uma folha de papel), o valor da velocidade do lançamento vx e medindo os correspondentes valores de h e x, altura do lançamento e alcance, obtêm-se experimentalmente o valor da aceleração vertical que pode ser utilizada para caracterizar o valor da força de sustentação envolvida através da equação 4.
Medição experimental do voo de aviões de papel
Para realizar os experimentos com os aviões, e obter os valores de alcance, altura e velocidade de lançamento, foi desenvolvido um equipamento lançador de aviões. O objetivo deste equipamento é lançar aviões horizontalmente onde o valor da velocidade de lançamento possa ser controlado. Assim, utilizou-se o impulso de uma mola como propulsor dos aviões, inserida em um tubo com uma fenda para o apoio dos mesmos. A intensidade da deformação da mola altera a velocidade de lançamento dos protótipos. A figura 3 ilustra o equipamento lançador desenvolvido para o estudo.
Figura 3: desenho do equipamento lançador de aviões de papel.
A calibração do equipamento foi realizada empregando um objeto com a mesma massa de um avião de papel, que foi uma folha de tamanho A4 (210 x 297 mm) trabalhada para obter a forma esférica, de maneira que pode ser considerada uma partícula em lançamento parabólico, onde a sustentação é nula. A figura 4 ilustra a trajetória do objeto.
Figura 4: ilustração da trajetória de um objeto esférico (sem asas).
A medida do alcance x em função da deformação da mola permite caracterizar o controle da velocidade de lançamento do lançador através da equação 5.
Mais informações: http://www.fadep.br/engenharia-eletrica/congresso/pdf/117227_1.pdf
segunda-feira, 13 de abril de 2015
Protótipo de Aviões
O grupo entrou em consenso e concordou que o quanto antes começarmos a fazer os aviões, que é o próximo projeto, melhor.
Com o consentimento de todos os integrantes do grupo, foi estipulada uma data para o envio das fotos para o responsável por postar as mesmas no blog. Esta data era até a ultima sexta-feira, dia 10/04, mas o prazo foi prolongado para domingo, dia 12/04, devido ao simulado de sábado, e depois foi novamente prolongado para segunda feira, dia 13/04.
O combinado foi que todos do grupo, sem exceção, fizessem protótipos com o intuito que, posteriormente, marquemos uma data para os testes dos mesmos aviões.
Abaixo vemos as fotos dos aviões enviadas:
- Matheus Gonçalves
- Gabriel Anália
- Matheus de Oliveira
- Pedro Augusto
- Murilo de Oliveira
- Gabriel Ferreira
terça-feira, 7 de abril de 2015
Grupo na Competição e Crachá
Foto do grupo reunido na competição
Sobre a competição, o grupo todo compareceu, com exceção do integrante Gabriel Ferreira, que por motivos pessoais previamente avisados não pode comparecer ao evento.
O carrinho nos surpreendeu, passando algumas colocações, e correspondeu a nossa expectativa com uma ótima participação na competição.
Esta é uma foto do crachá do grupo antes da fixação no colar:
Experiência revela novas propriedades dos campos magnéticos
Pesquisadores da Universidade de Ohio descobriram como controlar o calor com um campo magnético, conforme reporta a edição de 23 de Março da revista Nature Materials [1], eles descrevem como um campo magnético mais ou menos do tamanho de um aparelho de ressonância magnética reduziu a quantidade de calor que flui através de um semicondutor em até 12%.
O estudo é o primeiro a provar que os fônons acústicos – as partículas elementares que transmitem calor e som – tem propriedades magnéticas.
“Isso acrescenta uma nova dimensão à nossa compreensão de ondas acústicas”, afirma Joseph Heremans, professor de engenharia mecânica da Universidade de Ohio. “Nós mostramos que podemos orientar o calor magneticamente. Com um campo magnético forte o suficiente, devemos ser capazes de orientar as ondas sonoras também.”
Os Fônons
O nome ” fônons ” parece-se com “fótons”. Isso porque os pesquisadores consideram que eles sejam primos: Fótons são partículas de luz, e fônons são partículas de calor e som. Mas os pesquisadores têm estudado intensamente fótons por cem anos – desde que Einstein descobriu o efeito fotoelétrico. Fônons não receberam tanta atenção, e assim não se sabe tanto sobre eles além de suas propriedades de calor e som. Este estudo revela que os fônons também possuem propriedades magnéticas.
O Transporte dos fônons é a chave para a condutividade térmica nos semicondutores.( Imagem : Berlekey Lab )
Relação entre o calor e o som
As pessoas podem se surpreender ao saber que o calor e som tem relação um com o outro, ainda mais que qualquer um dos dois pode ser controlado por ímãs, reconheceu Heremans. Mas ambas são expressões da mesma forma de energia, em termos de mecânica quântica. Assim, qualquer força que controla um deve controlar o outro. “Essencialmente, o calor é a vibração dos átomos”, explicou ele. “O calor é conduzido através de materiais por vibrações. Quanto mais quente for um material, mais rápido os átomos vibram.
Representação de um fônon aquecendo material sólido. Os átomos do material, são mostrados em laranja, e são unidos com ligações atômicas flexíveis, mostrados como molas. O fônon transmite calor ao colidir com o átomo, criando uma vibração. A trilha do fônon é marcada com o aumento da intensidade do campo magnético, mostrado em verde. No canto inferior direito há a indicação do sentido do campo. Um campo magnético suficientemente forte faz os fônons colidirem uns com os outros e serem deflectidos fora do curso, o que reduz o fluxo de calor através do material.( Imagem: Renee Ripley Universidade de Ohio. )
“O som também é a vibração dos átomos, também,” ele continuou. “É por meio de vibrações que eu falo com você, porque minhas cordas vocais comprimem o ar e criam vibrações que viajam até você para serem processadas em seus ouvidos.” “Acreditamos que essas propriedades gerais estão presentes em qualquer sólido”, disse Hyungyu Jin, pesquisador do Estado de Ohio, pós-doutorado e principal autor do estudo. A implicação:
Em materiais como vidro, pedra, plástico – materiais que não são convencionalmente magnéticos – o calor pode ser controlado magneticamente, se você tem um ímã poderoso o suficiente. O efeito passaria despercebido em metais, que transmitem tanto calor através de elétrons que o calor transportado por fônons é insignificante se comparados. Não haverá qualquer aplicação prática desta descoberta tão cedo: ímãs de 7 teslas como o utilizado no estudo não existem fora de hospitais e laboratórios, e os semicondutores tiveram de ser refrigerados a -450 graus Fahrenheit (- 268 graus Celsius) – Muito perto do zero absoluto – para fazer os átomos do material desacelerar o suficiente para os movimentos dos fônons serem detectáveis. É por isso que a experiência foi tão difícil, disse Jin.
Fazer uma medição térmica, a uma temperatura tão baixa era complicado. Sua solução foi pegar um pedaço do semicondutor indium antimonide e moldá-lo como um diapasão não simétrico. Um braço do garfo foi de 4 mm de largura e o outro, 1 mm de largura. O design funcionou por causa de um truque no comportamento do semicondutor à baixa temperatura. Normalmente, a capacidade de um material de transferir o calor irá depender apenas dos tipos de átomos, dos quais ela é feita. Mas à temperaturas muito baixas, tais como os usados nesta experiência, um outro fator entra em jogo: o tamanho da amostra a ser testada. Sob essas condições, uma amostra maior, pode transferir o calor mais rapidamente do que uma amostra menor do mesmo material. Isso significa que o braço maior do garfo pode transferir mais calor do que o braço menor. Heremans explicou o porquê. “Imagine que o diapasão é uma pista, e os fônons que fluem a partir da base são corredores na pista. Os corredores que tomam o lado estreito do garfo mal tem espaço suficiente para correr, e eles ficam batendo nas paredes da pista, os tornando mais lentos.
Os corredores que vão a faixa mais ampla podem correr mais rápido, porque eles têm muito espaço. “Todos eles acabam passando através do material – a questão é o quão rápido”, continuou ele. “Quanto mais colisões eles são submetidos, mais lentos ficam.” Na experiência, Jin mediou a alteração da temperatura em ambos os braços do garfo e subtraídos um do outro, ambos com e sem um campo magnético de 7 teslas ligado.
Na ausência do campo magnético, o braço maior no garfo transferiu mais calor do que o braço menor, assim como os pesquisadores esperavam. Mas, na presença do campo magnético, o fluxo de calor através do braço maior diminuiu em 12 por cento. Então, o que mudou? Heremans disse que o campo magnético gerado fez com que alguns dos fônons que passam através do material vibrarem fora de sincronização, de modo que eles batiam uns nos outros, um efeito identificado e quantificado por meio de simulações de computador realizadas por Nicolas Antolin, Oscar Restrepo e Wolfgang Windl, todos do
Departamento do Estado de Ohio de Ciência e Engenharia de Materiais. No braço maior, a liberdade de circulação trabalhou contra os fônons – eles sofreram mais colisões. Mais fônons foram jogados pra fora, e menos (88% do original) passaram através do material ilesos. Os fônons reagiram ao campo magnético, de modo que as partículas devem ser sensíveis ao magnetismo, concluíram os pesquisadores. Em seguida, eles planejam testar se eles podem desviar as ondas sonoras para o lado com campos magnéticos. No estudo, os co-autores incluem Stephen Boona, pesquisador de pós-doutorado em engenharia mecânica e aeroespacial; e Roberto Myers, professor associado de ciência e engenharia de materiais, engenharia elétrica, computação e física. O Financiamento para o estudo veio do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e da National Science Foundation (NSF), incluindo recursos do Ciência Research NSF Materiais e Centro de Engenharia no estado de Ohio. Os recursos de computação foram fornecidos pelo Centro de Supercomputação de Ohio.
O Transporte dos fônons é a chave para a condutividade térmica nos semicondutores.( Imagem : Berlekey Lab )
Fazer uma medição térmica, a uma temperatura tão baixa era complicado. Sua solução foi pegar um pedaço do semicondutor indium antimonide e moldá-lo como um diapasão não simétrico. Um braço do garfo foi de 4 mm de largura e o outro, 1 mm de largura. O design funcionou por causa de um truque no comportamento do semicondutor à baixa temperatura. Normalmente, a capacidade de um material de transferir o calor irá depender apenas dos tipos de átomos, dos quais ela é feita. Mas à temperaturas muito baixas, tais como os usados nesta experiência, um outro fator entra em jogo: o tamanho da amostra a ser testada. Sob essas condições, uma amostra maior, pode transferir o calor mais rapidamente do que uma amostra menor do mesmo material. Isso significa que o braço maior do garfo pode transferir mais calor do que o braço menor. Heremans explicou o porquê. “Imagine que o diapasão é uma pista, e os fônons que fluem a partir da base são corredores na pista. Os corredores que tomam o lado estreito do garfo mal tem espaço suficiente para correr, e eles ficam batendo nas paredes da pista, os tornando mais lentos.
Os corredores que vão a faixa mais ampla podem correr mais rápido, porque eles têm muito espaço. “Todos eles acabam passando através do material – a questão é o quão rápido”, continuou ele. “Quanto mais colisões eles são submetidos, mais lentos ficam.” Na experiência, Jin mediou a alteração da temperatura em ambos os braços do garfo e subtraídos um do outro, ambos com e sem um campo magnético de 7 teslas ligado.
Na ausência do campo magnético, o braço maior no garfo transferiu mais calor do que o braço menor, assim como os pesquisadores esperavam. Mas, na presença do campo magnético, o fluxo de calor através do braço maior diminuiu em 12 por cento. Então, o que mudou? Heremans disse que o campo magnético gerado fez com que alguns dos fônons que passam através do material vibrarem fora de sincronização, de modo que eles batiam uns nos outros, um efeito identificado e quantificado por meio de simulações de computador realizadas por Nicolas Antolin, Oscar Restrepo e Wolfgang Windl, todos do
Departamento do Estado de Ohio de Ciência e Engenharia de Materiais. No braço maior, a liberdade de circulação trabalhou contra os fônons – eles sofreram mais colisões. Mais fônons foram jogados pra fora, e menos (88% do original) passaram através do material ilesos. Os fônons reagiram ao campo magnético, de modo que as partículas devem ser sensíveis ao magnetismo, concluíram os pesquisadores. Em seguida, eles planejam testar se eles podem desviar as ondas sonoras para o lado com campos magnéticos. No estudo, os co-autores incluem Stephen Boona, pesquisador de pós-doutorado em engenharia mecânica e aeroespacial; e Roberto Myers, professor associado de ciência e engenharia de materiais, engenharia elétrica, computação e física. O Financiamento para o estudo veio do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e da National Science Foundation (NSF), incluindo recursos do Ciência Research NSF Materiais e Centro de Engenharia no estado de Ohio. Os recursos de computação foram fornecidos pelo Centro de Supercomputação de Ohio.
Curiosidade: Avião de papel - referencia
Foto referencia usada para um de nossos projetos do Avião De Papel.
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