Propulsão e Impulso

Os sistemas de propulsão de fluidos são onipresentes no projeto mecânico e são utilizados sempre que uma força relativa precisa ser aplicada entre um sistema mecânico e um fluido. Todas as embarcações aéreas e aquáticas empregam sistemas de propulsão de fluidos para fornecer forças de propulsão ou impulsos necessários para aceleração e direção através do fluido circundante. Seu uso não se limita a veículos. Sistemas estacionários, como equipamentos HVAC, também usam sistemas de propulsão. Mas, nesses casos, eles impulsionam a circulação do próprio fluido. Este vídeo ilustrará como o empuxo é produzido por sistemas de propulsão de fluido de operação aberta, uma categoria que inclui hélices e ventiladores. E demonstrar como o empuxo e a eficiência do empuxo podem ser estimados e medidos em laboratório.

O empuxo de sistemas de propulsão de fluido de operação aberta, como hélices de avião ou hélices de barcos, é produzido pela aceleração do fluido ambiente a uma alta velocidade. Esses sistemas extraem fluido de uma grande área a montante e o esgotam a jusante em um jato estreito. Com uma área de escoamento aproximadamente igual à área da face da hélice. Vamos ver como o empuxo é gerado adotando uma abordagem de volume de controle. Comece construindo um volume de controle ao longo das linhas de fluxo ao redor da hélice, estendendo-se da área de entrada até a área de saída. A taxa de fluxo de massa no volume de controle na entrada é o produto da densidade do fluido a montante, da área de entrada e da velocidade do fluido a montante. Da mesma forma, a vazão mássica do volume de controle no escapamento é o produto da densidade do fluido a jusante, da área de saída e da velocidade do fluido a jusante. Nenhum fluxo de massa ocorrerá através do limite da linha de fluxo por definição. Durante a operação constante, a massa dentro do volume de controle deve permanecer constante. Então, por conservação de massa, a taxa de saída de massa pela área de saída deve ser igual à taxa de entrada de massa pela área de entrada. Agora, como as densidades de entrada e saída são aproximadamente iguais, a velocidade de saída será igual à velocidade de entrada dimensionada pela proporção entre a área de entrada e saída. Como a área de entrada é muito maior do que a área de saída, a velocidade de saída será muito maior do que a velocidade de entrada. De maneira semelhante, a conservação do momento requer que qualquer diferença nas taxas de fluxo de momento para fora e para dentro do volume de controle se manifeste como uma força na hélice, o empuxo. Como as taxas de fluxo de massa de entrada e saída são equilibradas e a velocidade de saída é muito maior do que a velocidade de entrada, a contribuição do termo de velocidade de entrada é insignificante. Expandindo o termo da taxa de fluxo de massa neste resultado mostra que o empuxo é bem aproximado pela área de saída e velocidade. Em qualquer sistema de propulsão, a energia é fornecida por uma fonte externa para gerar o empuxo. A eficiência de empuxo do sistema, denotada aqui pela letra grega eta, é definida como a razão entre o empuxo gerado e a potência de entrada. Por exemplo, hélices de aeromodelos e ventiladores de PC são acionados por um motor elétrico. Se o empuxo for conhecido, dividi-lo pela potência de entrada elétrica produzirá a eficiência do empuxo. Nas seções a seguir, mediremos o empuxo e a eficiência de empuxo de alguns pequenos sistemas de propulsão usando uma bancada de teste estático. E então compare o empuxo medido com uma estimativa baseada na velocidade do fluxo.

Monte a bancada de teste conforme descrito no texto e coloque-a na bancada de trabalho. O suporte tem uma seção rígida em "L" suportada por um pivô na junta. Posicione a balança de precisão sob a extremidade do braço horizontal curto. O torque da balança digital no braço curto equilibrará qualquer torque gerado pelo impulso no braço longo. E a diferença de comprimentos amplifica a força medida pela escala para produzir leituras mais precisas. Com a bancada de teste montada, monte a hélice menor no braço vertical longo e alinhe o eixo da hélice de forma que fique paralelo ao braço curto. Meça e registre o diâmetro do prumo e o diâmetro do cubo. Agora meça e registre os comprimentos de ambos os braços de momento. O braço longo deve ser medido do eixo de pivô ao eixo da hélice. E o braço curto deve ser medido do eixo do pivô até o ponto de contato na escala. Conecte o motor a uma fonte de alimentação CC variável e ligue-o para verificar a direção do fluxo de ar, que deve ser direcionado para que haja uma força descendente na balança. Desligue a alimentação e, se necessário, corrija a direção do fluxo de ar invertendo a conexão elétrica. Quando o motor estiver completamente parado, tara a escala. Ligue a alimentação e aumente a tensão de zero volts, em incrementos de quatro volts, até, mas não excedendo, a tensão máxima de alimentação do motor. Para cada etapa da tensão, aguarde o motor se estabilizar e, em seguida, registre a tensão, a corrente, a leitura média da escala e a faixa da escala. Se um anemômetro térmico estiver disponível, meça a velocidade do ar de saída para uma baixa tensão de entrada e alta tensão de entrada. Observe que a velocidade do fluxo varia de acordo com a posição, portanto, esta é apenas uma medida de ordem de magnitude. Repita esse processo para o motor maior e o ventilador do PC. Assim que as medições forem concluídas, você estará pronto para analisar os dados.

Veja os dados coletados para a pequena hélice. Para cada tensão de alimentação, há também uma corrente de alimentação e as leituras da escala. Você também deve ter algumas medições da velocidade do ar de saída. Execute os seguintes cálculos para cada valor de tensão de alimentação. Calcule o empuxo a partir da leitura da escala. A força na escala é a leitura vezes a aceleração devido à gravidade. E o empuxo é essa força ampliada pela proporção dos braços de momento medidos anteriormente. Agora calcule a potência de entrada para o motor, que é simplesmente o produto da tensão e da corrente. Em seguida, calcule a eficiência do empuxo tomando a relação entre o empuxo e a potência de entrada. Se a velocidade de saída foi medida, você pode usá-la para prever o empuxo. Primeiro calcule a área de saída aproximada tomando a diferença entre as áreas da hélice e do cubo. Em seguida, combine esse resultado com a velocidade medida para estimar o empuxo usando a equação de empuxo anterior. Propague suas incertezas de medição conforme mostrado no texto para determinar a incerteza em seus resultados finais. Repita esses cálculos para a hélice e o ventilador grandes.

Comece traçando o empuxo em função da potência de entrada para todos os três dispositivos. A ventoinha do PC produz o maior empuxo dos três e tem uma potência máxima de entrada muito maior. A hélice pequena produz um pouco mais de empuxo do que a grande em qualquer potência de entrada, mas o ventilador grande é capaz de operar em potências mais altas. Agora compare a eficiência de empuxo em função da potência de entrada. A eficiência de empuxo da hélice grande permanece bastante constante, mas a eficiência cai com o aumento da potência para os outros dois dispositivos. Se você fez alguma medição da velocidade do ar de saída, compare a faixa estimada de empuxos com base nelas com o empuxo medido na bancada de teste. Você deve encontrar uma boa concordância entre a previsão e a medição. Mas devido à medição aproximada da velocidade de saída, essa análise deve ser interpretada apenas como qualitativa.

Os sistemas de propulsão de fluidos são onipresentes em uma variedade de sistemas mecânicos e naturais. A mobilidade é fundamental para muitas criaturas subaquáticas para a sobrevivência, e uma grande variedade de sistemas de propulsão natural evoluiu como resultado. Propulsão a jato de cefalópodes, barbatanas em peixes e flagelos em amebas são apenas alguns exemplos. Aprender como esses sistemas funcionam é importante para entender como esses animais vivem e interagem com seu ambiente. Moinhos de vento e turbinas funcionam com os mesmos princípios abordados neste vídeo, mas aplicados ao contrário. Em vez de usar a energia armazenada para gerar empuxo, esses sistemas extraem impulso e energia do ar. O eixo rotativo do moinho de vento pode acionar um processo mecânico ou então ser conectado a um gerador para produzir eletricidade.

Você acabou de assistir à introdução de Jove à propulsão e impulso. Agora você deve entender os princípios básicos de geração de empuxo com um sistema de propulsão de fluido de operação aberta. Você também aprendeu a realizar testes de empuxo estático em pequena escala e determinar a eficiência do empuxo. Obrigado por assistir.