Livro Hidráulica - Hisrostática, Exercícios de Hidráulica

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SISTEMAS

HIDRÁULICOS E

PNEUMÁTICOS

Elmo Souza

Dutra da

Silveira Filho

tanque de gasolina, no radiador, nas câmaras de combustão, no sistema de exaustão, na bateria, no sistema de freios, etc. Utilizamos a energia cinética de um fluido em movimento nos moinhos de vento, e a sua energia potencial em usinas hidroelétricas. Na Figura 1, você pode ver um exemplo de uso da hidráulica em um avião. A pneumática e a hidráulica utilizam fluidos como meios de transmissão de energia — ar e óleo, respectivamente. Para um estudo completo desses assuntos, é importante abordar aspectos físicos do comportamento de gases e líquidos sob pressão.

Figura 1. Exemplo de um avião a jato, que utiliza a hidráulica para trem de pouso, flaps, leme. Fonte: Marumaru/Shutterstock.com.

Definição de fluido e domínio da mecânica dos fluidos

Um fluido é uma substância que pode escoar, adaptando-se prontamente ao contorno de qualquer recipiente que o contém. Nos sólidos, os átomos estão postos num arranjo tridimensional completamente rígido, chamado de rede cristalina; nos fluidos, porém, não existe qualquer arranjo ordenado de grande alcance, e as interações se restringem às moléculas vizinhas. A mecânica dos fluidos é o ramo da física que estuda o comportamento dos líquidos e gases. É dividida em fluidostática (fluidos em repouso) e fluidodinâ- mica (fluidos em movimento). Como a água era o fluido utilizado antigamente, utilizam-se os conceitos hidrostática e hidrodinâmica como sinônimos.

Leis genéricas da hidráulica

A tecnologia dos fluidos requer o entendimento das características mecânicas desses fluidos, isto é, a sua capacidade de transmitir pressão ou energia. A denominação hidromecânica é mais empregada em óleo-hidráulica.

Hidrostática

Conforme estudado na física elementar, a base da hidrostática é a lei de Pascal , que enuncia: “[...] no interior de um fluido em repouso, a pressão é constante em cada ponto” (REIS, 2008, p. 34). A determinada profundidade, a pressão é a mesma em qualquer direção. Ao confinar um fluido em uma câmara, como ocorre nos sistemas óleo- -hidráulicos (por exemplo, um cilindro), queremos atuar com valores bem mais altos do que os valores atuantes no campo da gravidade terrestre. Essa pressão surgirá por meio do uso de técnicas apropriadas, como bombas hidráulicas. Para a movimentação de um cilindro, a bomba hidráulica deve conti- nuar alimentando esse cilindro com fluido sob pressão, movimentando uma quantidade desse fluido. Outro estudo da física usado para fundamentar a hidrostática é a lei de Stevin, cuja aplicação é ilustrada na Figura 2 por meio de vasos comunicantes.

Figura 2. Exemplo de vasos comunicantes: a pressão é a mesma em pontos à mesma altura. Fonte: Designua/Shutterstock.com.

Figura 3. Aplicação da lei de Pascal: a pressão é constante em cada ponto de um fluido em repouso. Fonte: Fouad A. Saad/Shutterstock.com.

Leis da vazão

Denomina-se velocidade média de um fluido, em determinada seção, a ve- locidade cujo produto pela superfície dessa seção resulta na vazão do fluido. Denomina-se vazão a quantidade de fluido que passa, por unidade de tempo, em determinada seção. Nos circuitos hidráulicos, a vazão geralmente é medida na unidade de litros por minuto; a velocidade, em metros por segundo; e as seções, em cm 2.

Q = A v

Onde: Q = vazão v = velocidade Em um duto de seção constante, a vazão também é constante. Em dutos com seções transversais diferentes, a velocidade do fluido também será diferente. A Figura 4 ilustra esse princípio.

Figura 4. Equação da continuidade. Fonte: Fouad A. Saad/Shutterstock.com.

Se o duto tem seções transversais A 1 e A 2 , então deverá ocorrer, na região das seções transversais, uma velocidade de fluxo específica:

Q 1 = Q 2

Q 1 = A 1 v 1 Q 2 = A 2 v 2

A equação da continuidade resulta:

A 1 v 1 = A 2 v 2

Classificação dos escoamentos

Escoamento laminar: até determinada velocidade, os fluidos escoam como se fossem lâminas ou camadas, através do duto. Admitindo-se que a veloci- dade das partículas na parede da tubulação é nula, no centro ela será máxima — também denominada de crítica. A variação de velocidades descreve um perfil quadrático.

Tanto a fluidez quanto a viscosidade são propriedades características de cada fluido, que se manifestam em seu interior, independentemente do material sólido com o qual estão em contato. A Figura 6 mostra um exemplo de fluido de alta viscosidade: o asfalto.

Figura 6. Asfalto é um fluido de alta viscosidade. Fonte: Thaweechai Rujiramora/Shutterstock.com.

Analogia hidroelétrica

Um circuito hidráulico pode ser comparado por analogia a um circuito elétrico: a bomba hidráulica equivale a uma fonte de tensão, a pressão equivale à tensão. O fluxo de óleo equivale à corrente elétrica, e as restrições à passagem de fluido equivalem à resistência elétrica.

Vantagens da hidráulica

O óleo hidráulico é um fluido praticamente incompressível. Com atuadores de pequenas dimensões, é possível controlar grandes cargas com segurança e precisão de posicionamento e velocidade, proporcionando paradas precisas e suaves. A hidráulica é utilizada em máquinas de precisão, como tornos, fresadoras CNC, robôs. O óleo é o próprio lubrificante do sistema, que evita a oxidação das partes metálicas e ajuda na dissipação do calor gerado.

Desvantagens da hidráulica

O óleo hidráulico necessita de dutos de retorno. Por trabalhar com altas pres- sões, os componentes são robustos e caros. Além disso, a viscosidade do óleo faz com que, de maneira geral, não se obtenham grandes velocidades nos atu- adores, as quais também são dependentes da temperatura. Outra desvantagem é que vazamentos de fluido ocasionam sujeira e poluição.

Sistema hidráulico básico

Um sistema hidráulico básico é constituído por um circuito fechado de um fluido em bombeamento: um motor aciona uma bomba, que cria a vazão desse fluido, o qual sempre retorna ao reservatório. As restrições à passagem do fluido vão criar a pressão, medida por um manômetro. Válvulas protegem o circuito de sobrepressões, assim como direcionam e controlam o fluxo de óleo para utilização nos atuadores (cilindros e motores hidráulicos que executam o trabalho). A Figura 7 ilustra um sistema hidráulico básico.

Figura 7. Elementos de um sistema hidráulico em blocos e em um circuito aplicativo.

Elementos de trabalho

• Cilindros
• Motores

Elementos de comando e regulagem

• Válvulas direcionais
• Válvulas de fluxo
• Válvulas de pressão

Elementos de alimentação

• Bomba, reservatório
• Líquido e filtro

Relações entre pressão e área

A pressão é definida como a aplicação de uma força distribuída sobre uma área:

A unidade de medida da pressão é newton por metro quadrado (N/m²). A pressão também pode ser exercida entre dois sólidos. No caso dos fluidos, o newton por metro quadrado também é denominado pascal ( Pa ). A Figura 9 traz um esquema representativo da relação entre força e área.

Figura 9. Relações entre força e área. Fonte: Fouad A. Saad/Shutterstock.com.

Pressão = Força/Área

Força

Área

Pressão

Pressão atmosférica

No nosso planeta, em qualquer parte da sua superfície, os corpos estão envoltos em um fluido gasoso: o ar. Como todo fluido, ele causa uma pressão nos corpos

nele imersos. A pressão atmosférica deve ser expressa em Pa (N/m²). Todavia, outras unidades podem ser encontradas:

 atmosfera (atm);  milímetros de mercúrio (mmHg) ou centímetros de mercúrio (cmHg);  metros de coluna d’água (mca).

Então, é possível relacionar as várias medidas comparando-se os valores da pressão atmosférica ao nível do mar:

1 atm = 101325 Pa = 10,2 mca = 760 mmHg = 1 bar = 14,22 lb/pol 2 (psi) = 1 kg/cm 2

A força de atuação em cilindros hidráulicos é um exemplo de aplicação desse princípio. Como a força é igual ao produto da pressão pela área, para um cilindro de 80 cm 2 de área a uma pressão de 300 kg/cm^2 , a força resultante será de 80 × 300 = 24.000 kg.

1. Sistemas hidráulicos utilizam que tipo de fluido de trabalho? a) Vácuo. b) Ar comprimido. c) Nitrogênio comprimido. d) Óleo hidráulico. e) Água pressurizada. 2. Sistemas hidráulicos têm como principais características: a) grandes velocidades com pequena força, sem precisão de acionamento. b) baixas velocidades com grandes forças e precisão

de acionamento. c) grandes velocidades, paradas intermediárias sem precisão e pequena força. d) baixas velocidades, pequenas forças, paradas precisas só em fim de curso dos atuadores. e) nenhuma das alternativas.

3. Qual o nome da propriedade física que ocorre devido ao atrito interno das moléculas no interior dos fluidos e surge quando o fluido entra em escoamento, manifestando-se

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