As Provas Do Enade Completo

Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO – CQA/UNIPENGENHARIA MECÂNICA MATERIAL INSTRUCIONAL ESPECÍFICO (VOLUME ÚNICO) 2013 Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 1 COORDENADORA E ORGANIZADORA Christiane Mazur Lauricella Doutora em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Mestre em Tecnologia Nuclear, Engenheira Química e Licenciada em Matemática, com Aperfeiçoamento em Estatística. É professora titular da Universidade Paulista. AUTOR José Carlos Morilla Doutor em Engenharia de Materiais, Mestre em Engenharia de Produção, Especialista em Engenharia Metalúrgica e Física e Graduado em Engenharia Mecânica, com MBA em Gestão Empresarial. É professor adjunto da Universidade Paulista e da Universidade Santa Cecília. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 2 Questão 1 Questão 1. 1 A figura mostra, esquematicamente, uma turbina de alta rotação que aciona um gerador através de um redutor com engrenagens helicoidais. O gerador opera com rotação de 50 rad/s (478 rpm) a uma potência de 280 kW. O diâmetro do eixo de acionamento do gerador deve ser dimensionado pelo Critério de Tresca (mais conservativo), utilizando um fator de segurança igual a π. O material do eixo é o aço de alta resistência ASTM-A242 cuja resistência ao escoamento medida no ensaio de tração vale 350 MPa. Considerando o eixo sujeito a torção pura ( máx =T.R/J, na qual J= .R 4 /2) e desprezando qualquer perda no sistema de transmissão, seu diâmetro mínimo, em mm, deve ser A. 20 B. 40 C. 60 D. 80 E. 100 1 Questão 22 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 3 1. Introdução teórica 1.1. Momento de torção em uma barra Seja um sólido submetido a uma força constante que, devido a essa força, sofra deslocamento , como se vê na figura 1. Figura 1. Sólido submetido a uma força constante. O trabalho executado por é definido como o produto escalar entre , ou seja, Para o caso em estudo, define-se a potência P como o trabalho realizado em um intervalo de tempo, isto é, Considerando que o trabalho é , a potência pode ser escrita como Lembrando que é o módulo da velocidade do corpo, a potência pode ser escrita como Para um sólido em rotação, como o mostrado na figura 2, a velocidade de um ponto é Na expressão anterior, R é a distância entre o ponto e o centro de rotação. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 4 Figura 2. Sólido em rotação em torno de um eixo. Com isso, a potência pode ser escrita como Visto que os vetores e são perpendiculares entre si, o módulo do produto vetorial fica Assim, a potência pode ser escrita como Como é o módulo do torque em relação ao eixo de rotação, a potência pode ser expressa como 1.2. Critério de Tresca ou critério da máxima tensão de cisalhamento Segundo Riley (2003), o critério de Tresca tem como premissa limitar a máxima tensão de cisalhamento que ocorre em um ponto, a fim de que neste não haja deformação plástica. Essa premissa tem como suporte o fato de que o principal mecanismo de deformação plástica é o mecanismo de escorregamento, que está associado à tensão de cisalhamento. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 5 De acordo com Hibbeler (2004), as tensões principais em uma torção possuem o mesmo valor e sinais contrários. O valor dessas tensões é igual ao da tensão de cisalhamento máxima. Isso pode ser observado na figura 3. Figura 3. Tensões principais no círculo de Mohr de uma barra solicitada à torção (MILFONT, 2009). Na figura 3, os pontos A e B representam, respectivamente, as tensões principais . Observando-se a figura 3, para a torção pura, é possível escrever que: No critério de Tresca, a tensão equivalente ( eq ) é dada por Para evitar que ocorra deformação plástica, segundo o critério de Tresca, o dimensionamento deve ser feito limitando a tensão equivalente ao valor da tensão de escoamento ( e ). A relação entre a tensão de escoamento e a tensão equivalente é o fator de segurança do dimensionamento (s). Dessa forma, é possível escrever (HIBBELER, 2004): ou 2. Indicações bibliográficas FRANÇA, L. N. F.; MATSUMURA, A Z. Mecânica Geral. São Paulo: Edgard Blucher, 2004. HALLIDAY, D. Fundamentos de Física: Mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 2009, v. 1. HIBBELER, R. C. Resistência dos materiais. São Paulo: Pearson, 2004. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 8 Questão 2 Questão 2. 2 Durante um teste de aterrissagem em pista molhada, foram medidas as deformações específicas em um ponto da fuselagem de um avião, utilizando extensômetros elétricos (strain gages), e as tensões correspondentes foram calculadas, resultando nos valores, expressos em MPa, apresentados na figura. Com base nessas tensões e considerando o material da fuselagem elástico linear, conclui-se que este é um ponto sujeito a um(a) A. cisalhamento puro. B. estado uniaxial de tensão. C. estado plano de deformações. D. tensão cisalhante máxima superior a 5 MPa. E. tensão normal máxima de tração igual a 10 MPa. 2 Questão 24 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 9 1. Introdução teórica Estado de tensões Um ponto material de um corpo qualquer está sujeito a um estado de tensões que pode ser uniaxial, plano ou geral (SHIGLEY, 2005). Os extensômetros elétricos são equipamentos aplicados à superfície de uma peça e possuem a capacidade de medir deformações uniaxiais na direção de seu eixo, como mostrado na figura 1. Figura 1. Direção da medida da deformação (adaptado de ANDOLFATO, 2004). A partir da deformação medida por um extensômetro, é possível determinar a tensão normal existente no ponto em estudo, na direção de aplicação do extensômetro. Como os extensômetros são aplicados nas superfícies dos corpos, eles permitem estudar apenas os estados planos de deformação, já que, para o estado geral, é necessário, também, estudar as deformações que ocorrem na direção normal ao plano dessas superfícies (GERE, 2003). Nos estados planos de tensão, tomada uma direção como referência e indicando-a por x , a tensão normal e a tensão de cisalhamento variam de acordo com as funções (NORTON, 2004): Nas expressões, x é a tensão na direção x; y é a tensão na direção y, que é perpendicular a x; xy é a tensão de cisalhamento que atua no plano cuja normal é x; é a tensão normal que forma ângulo com a direção x e é a tensão de cisalhamento atuante no plano cuja normal é a direção de (GERE, 2003). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 10 Por serem expressões cíclicas, possuem valores máximos e valores mínimos que, segundo Gere (2003), valem: Nas expressões acima, 1 é a tensão normal máxima, 2 é a tensão normal mínima e máx é a tensão de cisalhamento máxima. Uma maneira gráfica de mostrar o estado duplo é pelo círculo de Mohr. Nesse círculo, cada plano de tensões é representado por um ponto cujas coordenadas são as tensões atuantes no plano. A figura 2 ilustra um círculo de Mohr para um estado duplo de tensões (NORTON, 2004). Figura 2. Círculo de Mohr (adaptado de NORTON, 2004). Seguem algumas observações importantes. Nos planos cujas normais são as direções de 1 e 2 , a tensão de cisalhamento é igual a zero. As tensões 1 e 2 possuem direções perpendiculares entre si. A média entre as tensões de direções perpendiculares entre si é constante para um estado plano. A tensão normal que atua no plano onde age máx é a igual à tensão média. As tensões de cisalhamento em planos perpendiculares entre si são iguais e de sinais opostos. x y xy - xy X Y 2 1 mínimo máximo 2 Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 11 Nos planos de máx e mín , a tensão normal possui o mesmo valor e é igual à tensão normal média. 2. Indicações bibliográficas ANDOLFATO, R. P.; CAMACHO, J. S.; BRITO, G. A. Extensometria básica. Disponível em <http://www.nepae.feis.unesp.br/Apostilas/Extensometria basica.pdf>. Acesso em 11 ago. 2010. GERE, J. M. Mecânica dos Materiais. São Paulo: Thomson Learning, 2003. JUVINALL, R. C.; MARSHEK, K. M. Fundamentos do projeto de componentes de máquinas. Rio de Janeiro: LTC, 2008. NORTON, R. L. Projeto de máquinas – uma abordagem integrada. Porto Alegre: Bookman, 2004. SHIGLEY, J. Projeto de Engenharia Mecânica. Porto Alegre: Bookman, 2005. 3. Análise das alternativas Considerando o estado de tensões apresentado na questão, o círculo de Mohr fica como o apresentado na figura 3. Figura 3. Círculo de Mohr para o estado de tensões da questão. 10. 00 5 . 0 0 5. 00 5 . 0 0 11. 51 6. 57 9 . 0 4 (MPa) (MPa) Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 14 Questão 3 Questão 3. 3 No estado plano de tensões, as tensões principais σ 1 e σ 2 podem ser utilizadas para efeito de dimensionamento e análise de falhas em componentes estruturais. No gráfico, estão representados os eixos relativos a essas tensões principais e as curvas de limite de resistência, segundo os critérios de Tresca e de Von Mises, onde Y representa a tensão de escoamento do material. A análise do gráfico permite concluir que, segundo A. O critério de Von Mises, um ponto sujeito às tensões σ 1 = σ Y /2 e σ 2 = -σ y /2 não falhará. B. O critério de Von Mises, um ponto fora do polígono de seis lados e da elipse representa uma condição de falha. C. O critério de Von Mises, as maiores tensões normais não podem ultrapassar a tensão de escoamento Y. D. O critério de Tresca, um ponto sujeito às tensões σ 1 = σ Y e σ 2 = -σ y não falhará. E. Os dois critérios, um ponto entre o polígono de seis lados e a elipse representa uma condição de falha.3 3 Questão 23 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 15 1. Introdução teórica Critérios de resistência Segundo Juvinall (2008), a falha de um componente estrutural ocorre por uma combinação das tensões principais oriundas do estado de tensões a que esse ponto está sujeito. Assim, é necessário estabelecer uma teoria de falha para os materiais a fim de prever sua resistência, tendo como base o ensaio de tração do material. As teorias de falhas estáticas visam a estabelecer uma relação entre a tensão de falha de um ensaio de tração e o estado de tensões que levou o componente à ruína. Das teorias desenvolvidas, destacamos a teoria da máxima tensão de cisalhamento ou teoria de Tresca e a teoria da máxima energia de distorção, conhecida, também, como teoria de Von Mises (GERE, 2003). A teoria da máxima tensão de cisalhamento estabelece que qualquer material falhará quando a tensão cisalhante máxima for superior à resistência do material ao cisalhamento, que deve ser determinada a partir do ensaio de tração uniaxial (HIBBELER, 2004). Para um estado plano de tensões, de acordo com a teoria de Tresca, é possível traçar o gráfico da figura 1. Figura 1. Gráfico da teoria de Tresca (adaptado de JUVINALL, 2008). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 16 Na figura 1, é possível observar um polígono de seis lados que cruza os eixos 1 e 2 (eixos das tensões principais) nos pontos onde o valor da tensão é o da tensão de escoamento e (JUVINALL, 2008). De acordo com essa teoria, não ocorrerá falha quando o estado de tensões produzir as tensões principais (σ 1 e σ 2 ) tais que, ao serem representadas no gráfico, forem coordenadas de um ponto dentro do polígono. A teoria da máxima energia de distorção baseia-se no fato de que qualquer material elástico sujeito a determinado estado de tensões sofre variação de forma e/ou volume. A energia necessária para essa deformação fica armazenada como energia elástica (HIBBELER, 2004). Essa teoria relaciona a energia de deformação absorvida no regime elástico de um ensaio de tração com a armazenada no corpo pelo estado de tensões a que ele está submetido. Existe a falha quando a energia de distorção por unidade de volume material é igual ou ultrapassa a energia de distorção por unidade de volume do mesmo material em um ensaio de tração simples. Quando se traça, para um estado plano de tensões, um gráfico semelhante ao da teoria de Tresca, obtém-se uma elipse como a mostrada na figura 2. Figura 2. Gráfico da teoria de Tresca – elipse (adaptado de HIBBELER, 2004). Estados de tensão que produzem pontos na região compreendida pela elipse não causam falhas. As falhas ocorrerão quando o estado de tensões produzirem um ponto que esteja na linha da elipse ou fora da região compreendida por ela (HIBBELER, 2004). Quando comparamos os dois critérios, podemos traçar a figura 3. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 17 Figura 3. Gráfico da teoria de Tresca comparado ao da teoria de Von Mises (adaptado de JUVINALL, 2008). Na figura 3, o polígono de seis lados que representa o gráfico da teoria da máxima tensão de cisalhamento tem seus vértices coincidentes com a elipse que representa o gráfico da teoria da máxima energia de distorção. Quando comparamos os dois critérios, verificamos que, se não ocorre falha pelo critério de Tresca, também não ocorrerá pelo critério de Von Mises; caso ocorra falha pelo critério de Von Mises, também ocorrerá pelo critério de Tresca. Existe uma região, compreendida entre o polígono e a elipse, em que ocorre falha pelo critério de Tresca e não ocorre pelo critério de Von Mises. 2. Indicações bibliográficas GERE, J. M. Mecânica dos materiais. São Paulo: Thomson Learning, 2003. HIBBELER, R. C. Resistência dos materiais. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004. JUVINALL, R. C.; MARSHEK, K. M. Fundamentos do projeto de componentes de máquinas. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 3. Análise das alternativas A – Alternativa correta. JUSTIFICATIVA. As tensões σ 1 = σ Y /2 e σ 2 = -σ y /2 apresentadas no gráfico que mostra as regiões de falha (figura 4) produzem um ponto dentro da região Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 20 Questão 4 Questão 4. 4 Os aços ABNT 1020 não são temperáveis. Isto ocorre porque: A. é baixo o teor de carbono desses aços, e o cotovelo da curva TTT toca o eixo das ordenadas. B. trincam-se quando submetidos a um resfriamento rápido. C. possuem elementos de liga que deslocam o cotovelo da curva TTT para a esquerda. D. só possuem fase austenítica. E. somente os aços-ligas são passíveis de têmpera, pois os aços comuns ao carbono não são. 4 1. Introdução teórica 1.1. Aços Aços são ligas ferro-carbono cuja porcentagem de carbono não ultrapassa 2% (CHIAVERINI, 2005). A figura 1 mostra o diagrama de fases para ligas ferro-carbono. 4 Questão 26 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 21 Figura 1. Diagrama ferro–carbono (adaptado der ASKELAND, 2008). Em função do teor de carbono, os aços, quando resfriados lentamente, possuem na temperatura ambiente estrutura formada por ferrita, perlita e/ou cementita. Para aços com porcentagem de carbono inferior a 0,8% (aços hipoeutetoides), a estrutura é constituída por grãos de ferrita e grãos de perlita. Com 0,8% de carbono (aços eutetoides), há apenas grãos de perlita. Para porcentagens acima de 0,8% (aços hipereutetoides), há grãos de perlita com cementita depositada no contorno deles (COLPAERT, 2008). No gráfico da figura 1, o ponto que se encontra no cruzamento entre a linha A3 e a linha Acm é chamado de ponto eutetoide. A liga que possui a porcentagem de carbono correspondente a esse ponto (0,8%) é chamada liga eutetoide ou aço eutetoide. A temperatura na qual esse ponto ocorre (727 o C) é denominada temperatura eutetoide (COLPAERT, 2008). O ferro, assim como outros metais, possui uma propriedade chamada de alotropia ou polimorfismo, que é a capacidade de mudar de forma de reticulado em função da temperatura. Para o ferro puro, acima de 1400 o C, a forma de seu reticulado é cúbica de corpo centrado, conhecida como forma alotrópica . Entre 910 o C e 1400 o C, a forma do reticulado é cúbica de face centrada, indicada pela letra . A solução de carbono nessa forma é a austenita. Abaixo Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 22 de 727 o C, a forma do reticulado é cúbica de corpo centrado, indicada pela letra . A solução de carbono nessa forma é a ferrita (COLPAERT, 2008) Notamos que abaixo da temperatura eutetoide não existe nenhuma parcela de austenita ( ) As estruturas encontradas para os aços estão representadas na figura 2 (COLPAERT, 2008). Figura 2. Micrografias dos aços (COLPAERT, 2008). O teor de perlita cresce com o aumento da porcentagem de carbono, tendo como limite 0,8%. A perlita se forma em lâminas bastante finas, somente visíveis ao microscópio, com elevadas ampliações. Tal estrutura é a ferrita e a cementita em forma laminar. Para que essas estruturas ocorram, é necessário que o resfriamento respeite as condições termodinâmicas das transformações. Se o resfriamento for acelerado, ocorrerá a formação de outras estruturas (PADILHA, 2007). Com relação à sua designação, os aços para construção mecânica são normalizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e indicados por quatro dígitos precedidos da sigla ABNT (NBR NM ISO 4948-1; 2000). Dos quatro dígitos, os dois primeiros correspondem ao tipo de aço (por exemplo, os aços carbono são indicados por 10) e os dois últimos correspondem à porcentagem de carbono presente (por exemplo, se os dois últimos dígitos forem 20, isso significa que na estrutura o teor de carbono é igual a 0,20%) (NBR NM ISO 4948-1; 2000). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 23 1.2. Tratamento Térmico Curva TTT A relação entre a temperatura e o tempo (história) do resfriamento para obter determinada microestrutura é o que se denomina tratamento térmico. A base teórica para o estudo dos tratamentos térmicos é a cinética química. Nesse estudo, é introduzida uma importante variável, o tempo, que permite a construção de um tipo de diagrama, denominado TTT (Temperatura, Tempo, Transformação). O diagrama TTT é similar ao diagrama de fase e permite mapear transformações de difusão de estado sólido (dependentes de tempo) e transformações rápidas, que ocorrem por outros mecanismos (independentes de tempo) (CHIAVERINI, 2005). O gráfico representativo do diagrama TTT é também conhecido como diagrama de transformação isotérmico. A partir da temperatura eutetoide, resfria-se rapidamente o material até determinada temperatura, mantida constante até que ocorra a transformação da austenita (a austenita é instável abaixo da temperatura eutetoide). Assim, a transformação da austenita ocorre isotermicamente (CALLISTER, 2008). A figura 3 mostra que a evolução da transformação pode ser representada por uma família de curvas, que indicam os percentuais de transformação ao longo do tempo. Figura 3. Diagrama TTT (adaptado de CHIAVERINI, 2005). Na figura 3, a curva mais à esquerda mostra o início da transformação e a curva mais à direita mostra o término da transformação. Assim, para Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 24 determinada temperatura abaixo da temperatura eutetoide, a transformação se inicia em um instante e termina em outro (CHIAVERINI, 2005). Dessa maneira, conforme a velocidade de resfriamento, é possível que essas transformações não ocorram ou não ocorram por completo. Na figura 4, estão representadas duas curvas de resfriamento, uma da superfície de uma peça e outra do centro da mesma peça. Na superfície, a velocidade de resfriamento é alta o suficiente para impedir que a transformação se inicie. No centro, a velocidade de resfriamento é suficientemente baixa para permitir a total transformação (CHIAVERINI, 2005). Figura 4. Curvas de resfriamento em um diagrama TTT (CHIAVERINI, 2005). Assim sendo, as estruturas encontradas na superfície são diferentes das encontradas no centro da peça. Na temperatura ambiente, a estrutura de um aço que sofreu um resfriamento semelhante ao da superfície da figura anterior é chamada de martensita (CALLISTER, 2008). Têmpera A têmpera tem como característica uma velocidade de resfriamento capaz de impedir a transformação de fase da austenita, fazendo com que se encontre no material resfriado a estrutura martensítica (COLPAERT, 2008). Para os aços carbono, o percentual de carbono altera a posição das curvas TTT, sendo que, quanto maior o teor de carbono, mais à direita ficam as curvas do diagrama. A figura 5 mostra dois diagramas: uma para um aço hipoeutetoide (a) e outro para um aço eutetoide (b) (CHIAVERINI, 2005). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 25 Figura 5. Diagramas TTT para aços hipoeutetoide (a) e eutetoide (b) (CHIAVERINI, 2005). Observamos que, para o aço hipoeutetoide, a curva de início da transformação toca o eixo da temperatura. Com isso, mesmo para velocidades de resfriamento muito altas irá ocorrer a transformação de fase da austenita, não permitindo a transformação em martensita. Nessa situação, esses tipos de aços não são temperáveis (CHIAVERINI, 2005). 2. Indicações bibliográficas NBR NM ISO 4948-1; 2000 - Classificação dos aços não ligados e ligados. ASKELAND, D. R. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo: Cengage Learning, 2008. CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais – uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2008. CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005. COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. São Paulo: Edgard Blucher, 2008. FREIRE, J. M. Materiais de construção mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 1983 PADILHA, A. F.; Materiais de Engenharia – microestrutura e propriedades. São Paulo: Hemus, 2007. (a) (b) Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 27 Questão 5 Questão 5. 5 O alumínio é um metal que, em volume de produção, só é superado pelos ferrosos. Analise as afirmações a seguir sobre esse material. I. Apresenta baixa condutividade térmica e, por isso, é usado como matéria-prima para fabricação de panelas. II. Tem grande aplicação na indústria aeronáutica por possuir baixa relação resistência/peso. III. Trata-se de um metal com baixo ponto de fusão e, portanto, não é recomendado em aplicações com temperaturas superiores a 150 °C. IV. Possui boa resistência à corrosão, com aplicação na construção civil e na indústria automotiva, e pode ser 100% reciclado. Estão corretas as afirmações A. I e III, apenas. B. II e III, apenas. C. III e IV, apenas. D. I, II e IV, apenas. E. I, II, III e IV. 5 1. Introdução teórica Alumínio e suas ligas As ligas de alumínio são largamente empregadas em Engenharia devido a uma combinação favorável de propriedades, tais como condutividade elétrica e térmica, leveza e resistência à corrosão. Essas propriedades advêm de sua forma cristalina, que é cúbica de face centrada (CFC) (CALLISTER, 2008). Na figura 1, está representada a estrutura cristalina do alumínio. 5 Questão 27 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 28 Figura 1. Estrutura cristalina do alumínio (CALLISTER, 2008). Comparado ao aço, o alumínio é melhor condutor de eletricidade e melhor condutor de calor (FREIRE, 1983). O quadro 1 mostra um comparativo entre as propriedades do alumínio e do aço (ASKELAND, 2008). Quadro 1. Propriedades do aço e do alumínio (adaptado de ASKELAND, 2008) Comparado com o aço, o alumínio possui ponto de fusão bem mais baixo, massa específica menor e limite de resistência inferior. A relação entre o limite de resistência e a massa específica para o alumínio é 29,6x10 -3 e para o aço é 51,2x10 -3 . As ligas de alumínio podem ser trabalhadas, chegando a possuir limites de resistência em torno de 200 MPa (DIETER, 1999). Nessa situação, a relação entre o limite de resistência e a massa específica é igual a 74,1x10 -3 , 44,73% maior do que o do aço. Propriedade Alumínio Aço Alumínio/Aço Ponto de fusão (K) 933 1811 0,52 Condutividade Térmica ( ) 237 50 4,74 Condutividade elétrica (Ohm -1 m -1 ) 3,77x10 7 9,93x10 6 3,80 Massa específica (kg/m 3 ) 2,7x10 3 7,8x10 3 0,75 Limite de Resistência (MPa) 80 400 0,2 Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 29 Como todo metal, o alumínio é passível de reciclagem, pois pode ser fundido novamente e, a partir do produto fundido, constroem-se novas peças e equipamentos (CALLISTER, 2008). O óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) é um composto químico de alumínio e oxigênio conhecido como alumina, responsável pela resistência à corrosão do alumínio metálico. O metal alumínio é muito suscetível ao oxigênio atmosférico e uma camada fina de óxido de alumínio se forma rapidamente na superfície exposta de metal, protegendo o metal abaixo (DIETER, 1999). O Al 2 O 3 possui estrutura octaédrica e ponto de fusão de 2345 K. Ao formar a camada na superfície da peça, a geometria de sua estrutura não permite a penetração do oxigênio. Essa película, chamada de camada passiva oferece características de resistência à corrosão (DIETER, 1999). 2. Indicações bibliográficas ASKELAND, D. R. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo: Cengage Learning, 2008. CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais – uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2008. DIETER, G. E. Engineering design. New York: Mc Graw Hill, 1999. FREIRE, J. M. Materiais de construção mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 1983. 3. Análise das alternativas A – Alternativa incorreta. JUSTIFICATIVA. Ao contrário da afirmativa I, o alumínio apresenta boa condutividade térmica (4,74 vezes a do aço) e, exatamente por isso, é usado na fabricação de panelas. B – Alternativa incorreta. JUSTIFICATIVA. Ao contrário da afirmativa II, a aplicação na aeronáutica se dá pelo fato de a relação resistência/massa ser maior do que a da maioria dos materiais. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 31 Questão 6 Questão 6. 6 O gráfico abaixo representa a curva tensão x deformação de um determinado aço, obtida em um teste de tração. Pela análise do gráfico, conclui-se que A. A tensão no ponto C corresponde ao limite de proporcionalidade. B. A fratura ocorre no ponto D. C. O módulo de elasticidade do material pode ser obtido pela inclinação do trecho AB. D. O limite elástico do material ocorre no ponto E. E. O limite de escoamento do material é dado pelo valor da tensão no ponto D 1. Introdução teórica Ensaio de tração O ensaio de tração tem por finalidade determinar características de um material quando solicitado por força que atua ao longo do eixo do corpo. Esse ensaio consiste na aplicação de carga axial de intensidade crescente até que ocorra a ruptura. Mede-se a variação do comprimento como função da carga, obtendo dados quantitativos das características mecânicas dos materiais (CALLISTER, 2008). ______________________ 6 Questão 22 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 32 Nesse ensaio, são utilizados corpos de prova padronizados, como o mostrado no item (b) da figura 1, em equipamentos chamados máquinas de ensaios de tração, que provocam afastamento de suas extremidades, de maneira lenta e progressiva. O item (a) da figura 1 é um desses equipamentos (EMIC, 2010). (a) (b) Figura 1. (a) Máquina universal de ensaios (EMIC, 2010) – (b) Corpos de prova para ensaio de tração (adaptado de SOUZA, 2000). Aplica-se uma carga de tração que cresce com o tempo, até que ocorra a ruptura do corpo de prova. Durante o ensaio, é medido o alongamento ( L) que o corpo de prova sofre e a resistência ao avanço (Q), correspondente a cada alongamento (SOUZA, 2000). Conhecidas as dimensões iniciais do corpo de prova (diâmetro d 0 para corpos de prova circular e o comprimento útil L 0 ), calculam-se, para cada alongamento, a tensão ( ) e a deformação ( ) pelas expressões (SOUZA, 2000): Os dados referentes às deformações e suas tensões correspondentes são lançados em um gráfico conhecido como diagrama tensão-deformação (FREIRE, 1983). Basicamente, quando se ensaiam materiais metálicos, são encontrados dois tipos de comportamento: o dúctil, representado na figura 2 (a), e o frágil, representado na figura 2 (b) (SOUZA, 2000). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 33 Figura 2. Tipos de diagramas (adaptado de SOUZA, 2000). A diferença básica entre os materiais de comportamento dúctil e os materiais de comportamento frágil é a presença de uma região chamada de região de escoamento, assinalada na figura 2 (a). Na figura 3, estão marcados alguns pontos importantes que podem ser extraídos de um diagrama tensão-deformação. Figura 3. Diagrama tensão-deformação (adaptado de PUCPR, 2010). Na figura 3, é possível distinguir duas regiões: a região elástica (que ocorre antes do escoamento) e a região plástica (que ocorre após a região elástica e vai até a ruptura). Na região elástica, pressupõe-se que a ausência de esforço está relacionada à ausência de deformação. Nessa região vale a Lei de Hooke, que afirma ser a tensão (σ) proporcional à deformação ( ). A proporcionalidade entre a tensão e a deformação é dada por uma característica do material, chamada de módulo de elasticidade (E). A expressão da Lei de Hooke é Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 34 As tensões correspondentes aos pontos destacados na figura 3 estão descritas a seguir (SOUZA, 2000): σ u - tensão última ou limite de resistência do material (máxima tensão que se atinge). σ R - tensão de ruptura (tensão que ocorre no momento da ruptura do material). σ e - tensão de escoamento (tensão que, se atingida, provoca o deslocamento das discordâncias e a deformação plástica). σ p - tensão limite de proporcionalidade (tensão acima da qual não é mais respeitada a proporcionalidade entre a tensão e a deformação – Lei de Hooke). ε R - deformação de ruptura (deformação que, se atingida, provocará a ruptura do material). 2. Indicações bibliográficas CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais – uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2008. EMIC Máquinas universais de ensaio. Disponível em <http://www.emic.com.br/produtos.php?codigo=59> Acesso em 23 ago. 2010. FREIRE, J. M. Materiais de Construção Mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 1983 PUC – PR, Deformações - da deformação específica até o comportamento dos materiais - diagrama tensão ( ( ) x deformação (( ). Disponível em <http://www.lami.pucpr.br/cursos/estruturas/Parte03/Mod23/Curso1Mod23-03. htm>. Acesso em 23 ago. 2010. SOUZA, S. A. Ensaios mecânicos dos materiais metálicos. São Paulo: Edgard Blücher, 2000. 3. Análise das alternativas A – Alternativa incorreta. JUSTIFICATIVA. A tensão no ponto C não corresponde ao limite de proporcionalidade. O limite de proporcionalidade está sobre a reta que Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 37 Questão 7 Questão 7. 7 Os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos não permitem o endurecimento por meio de têmpera. Nos aços inoxidáveis ferríticos, independentemente da velocidade de resfriamento, a estrutura é sempre ferrítica e, nos aços inoxidáveis austeníticos, a presença do níquel como elemento de liga estabiliza a austenita. Analisando essas afirmações, conclui-se que A. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda justifica a primeira. B. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda não justifica a primeira. C. A primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa. D. A primeira afirmação é falsa e a segunda é verdadeira. E. As duas afirmações são falsas. 6 1. Introdução teórica Aços inoxidáveis Os aços com teor elevado de cromo (11% ou mais) oferecem resistência à corrosão muito maior do que as apresentadas pelos aços carbono comuns, sendo chamados de aços inoxidáveis (SCHAKELFORD, 2008). Em função de sua microestrutura básica, encontrada na temperatura ambiente, eles podem ser classificados em martensíticos, ferríticos ou austeníticos. Os aços martensíticos, após resfriamento rápido a partir da zona de solubilização, apresentam estrutura caracterizada pela presença de martensita. Em geral, possuem entre 12 e 17% de cromo e entre 0,1 e 0,5% de carbono. Uma característica apresentada por esses aços é o fato deles serem ferromagnéticos (SCHAKELFORD, 2008). 7 Questão 27 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 38 Os aços inoxidáveis martensíticos sofrem a operação de têmpera, que transforma a ferrita em austenita e esta última em martensita durante o resfriamento. Após a têmpera, o carbono forma parte da fase martensítica e não está disponível para ser precipitado como carboneto de cromo. Ou seja, a resistência à corrosão desses aços está vinculada à têmpera (CHIAVERINI, 2005). A figura 1 é uma micrografia de um aço inoxidável martensítico na qual é possível observar apenas grãos de martensita. Figura 1. Estrutura de um aço inoxidável martensítico ABNT – 420 (COLPAERT, 2008). Os aços ferríticos, após o resfriamento rápido a partir da zona de solubilização, apresentam estrutura predominantemente ferrítica. Apresentam entre 16 e 30% de cromo e não sofrem alteração de propriedades quando submetidos a resfriamentos muito rápidos por possuírem baixo teor de carbono, ou seja, não são endurecidos por tratamento térmico (SCHAKELFORD, 2008). A figura 2 é uma micrografia de um aço inoxidável ferrítico (ABNT– 409 com porcentagem de cromo igual 0,08%) na qual é possível observar apenas grãos de ferrita. Figura 2. Estrutura de um aço inoxidável ferrítico ABNT – 409 (COLPAERT, 2008). Os aços inoxidáveis austeníticos são obtidos principalmente pela introdução de níquel em sua composição química. Com essa adição, consegue- se uma alteração na estrutura, transformando ligas ferríticas em ligas austeníticas pela estabilização da austenita (SCHAKELFORD, 2008). Outros Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 39 elementos, como o molibdênio, o titânio e o nióbio, são introduzidos para melhorar a resistência à corrosão intergranular. A quantidade de carbono na estrutura não ultrapassa 0,25% e não é possível endurecer esse tipo de aço por tratamento térmico, mas é possível aumentar a dureza e a resistência à tração por encruamento (CALLISTER, 2008). A figura 3 é uma micrografia de um aço inoxidável austenítico (ABNT-304, com porcentagem de níquel igual a 8%) na qual é possível observar apenas grãos de austenita. Figura 3. Estrutura de um aço inoxidável austenítico ABNT – 304 (COLPAERT, 2008). Dos três tipos de aço, o austenítico é aquele que apresenta a maior resistência à corrosão e a mais baixa taxa de escoamento, sendo indicado para o trabalho a frio (FREIRE, 1983). 2. Indicações bibliográficas CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais – uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2008. CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005. COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. São Paulo: Edgard Blucher, 2008. FREIRE, J. M. Materiais de construção mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 1983 SCHAKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. São Paulo: Pearson Education, 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 41 Questões 8 e 9 Questão 8. 8 Considere o diagrama de equilíbrio Fe-C para teores de carbono até 6,7%, mostrado na figura Com relação ao diagrama mostrado e seus constituintes, conclui-se que: A. A austenita é um carboneto contendo 2,11% de carbono. B. A solução sólida do carbono do ferro é chamada cementita. C. Este é, de fato, um diagrama Fe-Fe 2 O 3 , visto que a extremidade direita do mesmo corresponde a 6,7% de carbono, que representa a solubilidade máxima do carbono no fe 2 O 3 . D. A solubilidade do carbono na austenita é máxima a 1148 °C e corresponde a 4,3% de carbono. E. Este é, de fato, um diagrama Fe-Fe 3 C, visto que a extremidade direita do mesmo corresponde a 6,7% de carbono, que é a composição aproximada do carboneto de ferro Fe 3 C. a. 7 b. c. 8 Questão 31 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 42 Questão 9. 9 Considere o diagrama de equilíbrio Fe-C para teores de carbono até 6,7%, mostrado na figura ESTÃO Os ferros fundidos denominados hipoeutetoides são ligas de Fe-C que possuem teor de carbono entre, aproximadamente, 2,0 e 4,3%. A liga binária Fe-C com teor de carbono de 4,3% corresponde à liga de mais baixo ponto de solidificação ou fusão (temperatura de 1148 °C), sendo esta liga denominada eutética. Analisando essas afirmações, conclui-se que A. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda justifica a primeira. B. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda não justifica a primeira. C. A primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa. D. A primeira afirmação é falsa e a segunda é verdadeira. E. As duas afirmações são falsas. 8 9 Questão 32 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 43 91. Introdução teórica 1.1. Diagramas de equilíbrio (diagramas de fase) Os diagramas de fase são representações gráficas das varáveis de estado associadas com as microestruturas. Os diagramas mais comumente encontrados são os das ligas binárias, que representam sistemas de dois componentes (SCHAKELFORD, 2008). Dentre os diagramas binários, os tipos básicos são aqueles cujos componentes são: completamente miscíveis no estado sólido; completamente imiscíveis no estado sólido; parcialmente miscíveis no estado sólido. Na figura 1 estão representados esses três tipos de diagramas (SCHAKELFORD, 2008). Figura 1. Tipos básicos de diagramas de fase (SCHAKELFORD, 2008). Quando os materiais são completamente miscíveis no estado sólido (item (a) da figura 1), na temperatura ambiente são encontrados grãos com uma solução desses materiais, independentemente das quantidades de cada um deles. Quando os materiais são completamente imiscíveis no estado sólido, na temperatura ambiente são encontrados grãos que possuem os materiais Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 44 distintos. Para esses materiais, existe uma composição chamada de eutética. A composição eutética é aquela que solidifica na menor temperatura, conhecida como temperatura eutética (item (b) da figura 1). Dependendo do teor de cada elemento, é possível encontrar grãos do material A e grãos com a composição eutética ou encontrar grãos do material B e grãos com a composição eutética. Observa-se que, na composição eutética, os materiais não estão em solução, sendo possível distinguir os materiais dentro do grão (CALLISTER, 2002). Quando os materiais são parcialmente solúveis no estado sólido (item (c) da figura 1), comportam-se como se fossem completamente insolúveis no estado sólido. Para esses materiais, existe uma composição chamada de composição eutética que, neste caso, é formada pelas soluções e β. Dependendo do teor de cada elemento, é possível encontrar grãos da solução e grãos com a composição eutética e é possível encontrar grãos da solução β e grãos com a composição eutética (SCHAKELFORD, 2008). 1.2. Diagrama de equilíbrio das ligas ferro-carbono O diagrama ferro-carbono, também conhecido como diagrama de Rozemboom, mostra as estruturas dessas ligas para diversas concentrações de carbono a temperaturas diferentes (FREIRE, 1983). A figura 2 é um diagrama ferro-carbono cujo limite máximo de carbono é de 6,7% (CHIAVERINI, 2005). Os componentes básicos de um aço carbono são o ferro e o carbono, que formam o carboneto de ferro Fe 3 C, contendo 6,7% de carbono (COLPAERT, 2008). Assim, esse diagrama pode ser considerado como Fe-Fe 3 C com equilíbrio metaestável (CHIAVERINI, 1986). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 45 Figura 2. Diagrama ferro-carbono (adaptado de COLPAERT, 2008). As ligas com teor inferior a 2,11% de C são chamadas de aços e as ligas com teor superior são chamadas de ferro fundido (CHIAVERINI, 1986). Quando o teor de carbono é igual a 0,8%, a liga é eutetoide e sua microestrutura é chamada de perlita (camadas de ferrita alternadas com camadas de carboneto de ferro). Quando se analisam as ligas ferro-carbono que constituem os aços, com o teor de 0,8% de carbono, elas apresentam comportamento semelhante ao comportamento eutético, sendo chamadas de ligas eutetoides. Em função do teor de carbono, é possível classificar os aços em três tipos, conforme segue abaixo (CHIAVERINI, 2005). Aços hipoeutetoides: possuem teor de carbono inferior a 0,8%. Aços eutetoides: possuem teor de carbono igual a 0,8%. Aços hipereutetoides: possuem teor de carbono superior a 0,8%. As estruturas encontradas nesses aços são as descritas a seguir. Nos aços hipoeutetoides: grãos de ferrita e grãos de perlita, como os observados na figura 3. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 46 Figura 3. Grãos de ferrita e grãos de perlita (COLPAERT, 2008). Nos aços eutetoides: grãos de perlita, como os observados na figura 4. Figura 4. Grãos de perlita (COLPAERT, 2008). Verificamos que, nos grãos de perlita, é possível observar a ferrita (parte clara) e o composto Fe 3 C (parte escura). Nos aços hipereutetoides: grãos de perlita, com o composto Fe 3 C depositado no contorno dos grãos (cementita), como observado na figura 5. Figura 5. Grãos de perlita com cementita no contorno (COLPAERT, 2008). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 47 Quando analisamos as ligas ferro-carbono que constituem os ferros fundidos, é possível classificá-las nos três tipos abaixo (COLPAERT, 2008). Hipoeutéticas: possuem teor de carbono superior a 2% e inferior a 4,3%. Eutéticas: possuem teor de carbono igual a 4,3%. Hipereutéticas: possuem teor de carbono superior a 4,3%. 1.3. Alotropia do Ferro O ferro, assim como outros metais, apresenta a característica de possuir formas de reticulados diferentes em temperaturas diferentes, chamada de alotropia ou polimorfismo. Para temperaturas inferiores a 910 o C, o ferro apresenta um reticulado com a forma cúbica de corpo centrado (CCC), indicada pela letra grega ; entre 910 o C e 1380 o C, essa estrutura muda para cúbica de face centrada (CFC), indicada pela letra grega a partir daí, até a temperatura de fusão, ele volta a ter a forma cúbica de corpo centrado (CCC), indicada pela letra grega (CHIAVERINI, 2005). 2. Indicações bibliográficas CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais – uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2008. CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica – materiais de construção mecânica. São Paulo: MacGraw-Hill, 1986. CHIAVERINI, V. Aços e ferros fundidos. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005. COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. São Paulo: Edgard Blucher, 2008. FREIRE, J. M. Materiais de construção mecânica. Rio de Janeiro: LTC, 1983. SCHAKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. São Paulo: Pearson Education, 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 50 Questão 10 Questão 10. 10 Uma transmissão, formada por duas engrenagens e utilizada para aumentar a velocidade angular, tem seu eixo de entrada conectado a um motor que gira a 300 rpm e fornece 31,4 kW de potência mecânica. Considerando que as engrenagens possuem 50 e 10 dentes e que a eficiência da transmissão é 0,8, calcule o torque na engrenagem menor. 1. Introdução teórica Transmissão por engrenagens Segundo JUVINALL (2008), a transmissão de movimento entre duas engrenagens cilíndricas de dentes retos pode ser estudada por meio da transmissão entre duas circunferências, chamadas de circunferências primitivas, que representam dois cilindros pressionados, um contra o outro. Se não existe deslizamento entre os cilindros, a rotação de um cilindro causará a rotação do outro. Não existindo deslizamento, a velocidade periférica dos cilindros deve ser a mesma (SHIGLEY, 2005). Considere a transmissão da figura 1, na qual d p é o diâmetro da circunferência primitiva da engrenagem motora e d c é o diâmetro da circunferência primitiva da engrenagem movida. Para essa situação, W p é a velocidade angular da engrenagem motora e W c , a velocidade angular da engrenagem movida. 10 10 Questão 5 – Discursiva – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 51 Figura 1. Transmissão por engrenagens cilíndricas de dentes retos (adaptado de JUVINALL, 2008). Para um ponto em rotação, a velocidade tangencial (v) é igual ao produto entre a velocidade angular (W) e o raio de rotação (r). A velocidade (v), para os pontos pertencentes às circunferências primitivas das duas engrenagens da figura 1, é (CUNHA, 2005): Dessa forma, pode-se obter uma relação entre as velocidades angulares e os diâmetros das engrenagens: A velocidade angular (W), a partir da frequência de rotação (n), pode ser determinada por A relação entre as velocidades angulares pode ser escrita como Com essa última expressão, é possível observar que, em uma transmissão por engrenagens, a relação existente para as velocidades angulares é a mesma para as frequências de rotação, isto é, O sistema mais utilizado para a fabricação de engrenagens é o sistema módulo. Nele, as engrenagens de uma transmissão possuem o mesmo módulo Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 52 que fornece as mesmas larguras de dentes. Quando esse sistema é utilizado, o diâmetro de uma engrenagem pode ser obtido por (JUVINALL, 2008): Na expressão acima, m é o módulo e z é o número de dentes da engrenagem. Assim, em uma transmissão, a relação entre os diâmetros é igual à relação entre os números de dentes, podendo ser escritas as seguintes igualdades: A relação entre as velocidades angulares e, por consequência, a relação entre as frequências de rotação, é inversa à relação entre os diâmetros e à relação entre os números de dentes. Com relação ao torque T que atua em cada engrenagem, sabendo que a potência disponível é P, temos (CUNHA, 2005): Como em uma transmissão por engrenagens os dentes permitem que se considere que não existe o escorregamento entre elas, o rendimento de uma transmissão só pode estar associado à potência. A potência de saída (P s ) é (SHIGLEY, 2005) Na expressão acima, é o rendimento da transmissão e P e é a potência na entrada. 2. Indicações bibliográficas CUNHA, L. Elementos de máquinas. Rio de Janeiro: LTC, 2005. JUVINALL, R. C.; MARSHEK, K. M. Fundamentos do projeto de componentes de máquinas. Rio de Janeiro: LTC, 2008. SHIGLEY, J. E. Projeto de Engenharia Mecânica. São Paulo: Bookman, 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 54 Questão 11 Questão 11. 11 No contexto do processo de fundição sob pressão, considere as afirmações a seguir. I. O molde utilizado nesse processo geralmente é constituído de duas partes, que são hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ele pode ser utilizado frio ou aquecido à temperatura do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas. II. O metal é bombeado na cavidade do molde e a sua quantidade deve ser tal que não só preencha inteiramente essa cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evasão do ar. Esses canais servem também para garantir o preenchimento completo das cavidades do molde, sendo, simultaneamente, produzida alguma rebarba. III. Devido à pressão e à consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo possibilita a fabricação de peças de formas pouco complexas e de paredes mais espessas do que permitem os processos de gravidade. Estão corretas as afirmações A. I, apenas. B. I e II, apenas. C. I e III, apenas. D. II e III, apenas. E. I, II e III. 11 1. Introdução teórica Fundição sob pressão A fundição sob pressão é o processo metal-mecânico no qual o metal líquido fundido, sujeito a uma pressão superior à pressão atmosférica, é injetado dentro de um molde. 11 Questão 28 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 55 A figura 1 mostra parte de um molde (matriz) para fundição sob pressão e, também, a peça produzida (ARAÚJO NETO, 2010). Figura 1. Matriz e peça de fundição sob pressão (ARAÚJO NETO, 2010). Devido à pressão e à consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo possibilita a fabricação de peças de formas complexas e de paredes mais finas do que os processos por gravidade (CHIAVERINI, 1986). A matriz é constituída por duas partes, que são hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Nesse processo de fundição, o metal é bombeado na cavidade da matriz e sua quantidade deve ser tal que não só preencha a cavidade existente na matriz como também os canais para a evasão do ar. Esses canais servem para garantir o total preenchimento da cavidade da matriz (TORRE, 2004). A pressão aplicada durante a fundição é mantida até que a solidificação se complete. Após isso, a matriz é aberta e a peça é expelida (FERREIRA, 1999). Nesse tipo de fundição, sempre pode ocorrer a formação de rebarbas (CHIAVERINI, 1986). 2. Indicações bibliográficas ARAÚJO NETO, E. Melhora na vida das ferramentas de fundição sob pressão de alumínio com revestimento PVD. Disponível em <http://www.tsdobrasil.srv.br/melhora_na_vida.pdf>. Acesso em 25 ago. 2010. CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica – processos de fabricação e tratamentos, v. 2. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. FERREIRA, J. M. G. C. Tecnologia da fundição. Lisboa: Fundação Calouste Gulbekian, 1999. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 57 Questão 12 Questão 12. 12 Com relação aos processos de conformação, os esforços preponderantes que agem no sentido de deformar o material são: compressão direta, tração, flexão, compressão indireta e cisalhamento, ilustrados no quadro abaixo. Relacionando os esforços preponderantes com os processos de calandragem, corte, estiramento, laminação e trefilação, conclui-se que A. A compressão direta corresponde ao processo de calandragem e o cisalhamento corresponde ao processo de corte. B. A compressão indireta corresponde ao processo de trefilação e a flexão corresponde ao processo de calandragem. C. A tração corresponde ao processo de estiramento e a flexão corresponde ao processo de laminação. D. A tração corresponde ao processo de laminação e a compressão indireta corresponde ao processo de trefilação. E. A flexão corresponde ao processo de estiramento e a compressão indireta corresponde ao processo de corte. 12 Questão 30 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 58 1. Introdução teórica Conformação mecânica Em função dos tipos de esforços aplicados, a conformação mecânica para a produção de peças metálicas pode ser classificada como um processo de (CHIAVERINI, 1986): compressão direta; compressão indireta; tração; dobramento ou flexão ou cisalhamento. A figura 1 mostra exemplos típicos dessas categorias. Figura 1. Processos de conformação mecânica (adaptado de CHIAVERINI, 1986). O forjamento e a laminação são exemplos de compressão direta. Nesses processos, a conformação se dá diretamente pela compressão existente entre as partes das ferramentas (ou máquinas) e as peças (CHIAVERINI, 1986). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 59 A trefilação, a extrusão e a estampagem profunda são processos de compressão indireta. Na trefilação, é aplicada força de tração na peça e a conformação se dá pela compressão entre a peça e a ferramenta, conforme indicado na figura 1 (SCHEAFFER, 1999). Na extrusão, é aplicada força de compressão na parte posterior da peça e a conformação acontece pela compressão entre a peça e as paredes da ferramenta, conforme indicado na figura 1 (BRESCIANI FILHO, 1997). Na estampagem profunda, é aplicada força de compressão entre o recorte e o conjunto matriz-sujeitador. Para a conformação, o punção aplica força normal ao plano da área do recorte, que o empurra para dentro da matriz, fazendo com que a conformação ocorra pela compressão lateral existente na espessura do recorte, conforme indicado na figura 1 (CHIAVERINI, 1986). O processo de dobramento e o processo de calandragem são exemplos de dobramento ou flexão. Nesses processos, é aplicada força no centro da distância entre os apoios da chapa, que sofre flexão, sendo que o momento de maior intensidade ocorre no ponto de aplicação da força (CHIAVERINI, 1986). Ainda existem os processos de corte e de tração. O processo de corte faz com que haja a separação das partes da peça a ser produzida por meio do cisalhamento em determinada seção. O processo de tração, usado, por exemplo, no endireitamento de chapas, faz com que as tensões de tração promovam a conformação (SCHEAFFER, 1999). 2. Indicações bibliográficas BRESCIANI FILHO, E. Conformação plástica dos metais. Campinas: Unicamp, 1997. CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica – processos de fabricação e tratamentos, vol. II. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. SCHEAFFER, L. Conformação mecânica. Porto Alegre: Imprensa Livre, 1999. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 61 Questões 13 e 14 Questão 13. 13 Atualmente a evolução da tecnologia proporciona excelentes níveis de qualidade nos processos de fabricação na indústria metal-mecânica, sobretudo com utilização de máquinas CNC. Nesse sentido, no processo de fabricação de eixos de aço ABNT 1045, são utilizadas, em geral, operações de torneamento de desbaste e, em seguida, acabamento para atingir os baixos níveis de rugosidade exigidos pela indústria. Nesse contexto, os parâmetros de corte usados nas operações supracitadas são fundamentais para atingir o resultado de trabalho desejado. Assim sendo, conclui-se que no torneamento de A. Desbaste deve-se aplicar, em geral, baixo avanço e baixa velocidade de corte. B. Acabamento deve-se aplicar, em geral, elevado avanço e baixa velocidade de corte. C. Acabamento deve-se aplicar, em geral, baixo avanço e elevada velocidade de corte. D. Desbaste deve-se aplicar, em geral, baixo avanço e grande profundidade de corte. E. Desbaste deve-se aplicar, em geral, pequena profundidade de corte e elevada velocidade de corte. Questão 14. 14 Um eixo cilíndrico é fabricado em aço ABNT 1040, a partir de um material bruto com 25 mm de diâmetro. O diâmetro nominal do eixo acabado é de 20 mm. A operação é realizada em dois passes, sendo o primeiro de desbaste e o segundo, de acabamento, com uma profundidade de corte de 0,5 mm e avanço de 0,1 mm por rotação. É utilizada uma ferramenta de pastilha intercambiável de metal duro, com raio de ponta de 0,4 mm e ângulo de posição da ferramenta de 45°. A. Determine a profundidade de corte na operação de desbaste. B. Faça um esboço do plano de referência da ferramenta e indique o ângulo de posição. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 62 C. Com relação à ferramenta de corte, o operador da máquina tem as seguintes opções de escolha: metal duro da classe P10, aço-rápido M32, cerâmica mista (Al2O3 + TiC), metal duro da classe K40, cermet. Relacione estes materiais de ferramentas de corte em ordem decrescente de tenacidade. D. Após a usinagem, o operador conferiu a medida do diâmetro do eixo usinado em 5 posições diferentes ao longo do comprimento e apresentou os valores listados na tabela. Observa-se que uma das leituras foi muito diferente das demais. Explique o que pode ter acontecido e determine o diâmetro médio desse eixo. 13 14 1. Introdução teórica Classificação das operações de usinagem As operações de usinagem podem ser classificadas em dois tipos: as de desbaste e as de acabamento. As operações de desbaste são caracterizadas por grande retirada de material em curto intervalo de tempo. As operações de acabamento visam a dar à peça suas dimensões finais com o acabamento esperado (DINIZ et al, 2002). Com relação à cinemática da usinagem, os parâmetros mais importantes são a velocidade de corte, a profundidade de corte e o avanço (FERRARESI, 2000). A figura 1 mostra uma operação de torneamento. A velocidade de arranque de cavaco é igual à velocidade periférica da peça, que é função de sua rotação. Essa velocidade é conhecida como velocidade de corte (Vc). Ao 13 Questão 33 – Enade 2005. 14 Questão 40 – Discursiva – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 63 movimento de avanço da ferramenta, dado pelo deslocamento da ferramenta na direção paralela ao eixo da peça usinada, está associada uma velocidade de avanço (Vf). Figura 1. Parâmetros cinemáticos de uma usinagem (STOETERAU, 2004). Com relação à profundidade de corte (p), ela é igual à penetração que a ferramenta executa para a remoção de material. Sendo d 0 o diâmetro inicial da usinagem e d f o diâmetro final, a profundidade de corte pode ser determinada por: Normalmente, em uma usinagem, o acabamento superficial melhora com o aumento da velocidade de corte. Essa melhora é mais acentuada abaixo de dada velocidade máxima, chamada de velocidade crítica, pois, acima dela, há aumento do gume postiço formado na ferramenta (STEMMER, 2005). Com relação ao avanço, o acabamento da superfície é mais uniforme quanto menor for o avanço da ferramenta. A figura 2 é uma representação do acabamento obtido para três diferentes avanços. Figura 2. Diferentes acabamentos para diferentes avanços (STEMMER, 2005). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 64 Na figura 2, de cima para baixo, existe uma redução do avanço (f). Note- se que o acabamento melhora quanto menor for o avanço, na medida em que a superfície fica mais uniforme. Com relação à profundidade de corte, ela é maior nas operações de desbaste e menor nas operações de acabamento (STEMMER, 2005). Nas usinagens em torno (figura 1), a ferramenta utilizada apresenta forma alongada, com uma haste que se apoia na máquina pela base. Essa ferramenta possui um único gume cortante, chamado de gume principal, como indicado na figura 3 (STEMMER, 2005). Figura 3. Ferramenta de torno (STOETERAU, 2004). Para o posicionamento da ferramenta junto à peça, são estabelecidos três sistemas de referência: o sistema de referência da ferramenta, o sistema de referência do trabalho e o sistema de referência da máquina. O sistema de referência da ferramenta é usado para definir a geometria da ferramenta para sua fabricação e medição. Nele, são usados planos de referência, denominados planos da ferramenta, e seus nomes são: plano de referência da ferramenta, plano passivo da ferramenta e plano de trabalho convencional. A figura 4 mostra uma ferramenta e seus planos (STEMMER, 2005). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 65 Figura 4. Ferramenta com seu sistema e planos de referência (STEMMER, 2005). Nas ferramentas de torno, o plano de referência da ferramenta passa um ponto selecionado no gume da ferramenta e é paralelo à base da ferramenta. O plano de trabalho é perpendicular ao plano da ferramenta e tangente à peça. O plano passivo é perpendicular aos outros dois. Observada pelo plano de referência, uma ferramenta para torneamento apresenta forma semelhante à representada na figura 5. Nessa figura, é possível observar dois ângulos que definem a posição relativa entre a ferramenta e a peça: o ângulo de posição ( ), ângulo formado entre o plano de trabalho e o gume cortante, e o ângulo de quina ( ), ângulo formado entre o gume cortante e o gume secundário. Plano de Trabalho Figura 5. Plano de trabalho e ângulo de posição de uma ferramenta (STOETERAU, 2004). Com relação aos materiais das ferramentas, as exigências básicas são: elevada dureza (a frio e a quente), grande tenacidade para resistir esforços de corte e impacto e estabilidade química. Esses materiais são agrupados nas sete classes citadas a seguir (STEMMER, 2005). Aços ferramenta. Aços rápidos. Ligas fundidas. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 66 Carbonetos sinterizados. Cermet. Cerâmicas. Diamantes. Do primeiro para o último, existe uma crescente capacidade de usinar em velocidades de corte maiores e uma decrescente capacidade de absorver impactos. Ou seja, nessa sequência, os materiais são mais frágeis e menos tenazes. Os aços rápidos, cujo desenvolvimento partiu da adição de tungstênio, cromo e vanádio como elementos de liga, são materiais para ferramentas desenvolvidos para uso em aplicações de corte de metais em alta velocidade. Existem duas classificações: aços rápidos ao molibdênio (grupo M), que possuem teor de carbono entre 0,75% e 1,52% e de molibdênio entre 4,50% e 11,0%; e aços rápidos ao tungstênio (grupo T), que têm teores similares de carbono aos aços ao molibdênio e altos teores de tungstênio, entre 11,75% e 21,0% (FERRARESI, 2000). O quadro 1 mostra a composição química para vários tipos de aços rápidos, das classes T e M (CIMM, 2010). Quadro 1. Composição dos aços rápidos (CIMM, 2010). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 67 Com relação aos carbonetos sinterizados, conhecidos como “metal duro”, há uma gama muito grande de composições químicas, reunidas em grupos de aplicação pela norma ISO 153-1975. Essa norma estabelece três campos de aplicação, designados pelas letras maiúsculas P, M e K. Esses campos referenciam os tipos de materiais a serem usinados, recebendo o nome de grupos de usinagem (STEMMER, 2005). O campo ISO P envolve materiais que produzem cavacos longos, como os aços carbono e os aços de baixa liga. O campo ISO M relaciona, principalmente, materiais de difícil usinagem, como os aços inoxidáveis, os aços fundidos, os aços ao manganês e o ferro fundido maleável. O campo ISO K compreende materiais que geram cavacos curtos (normalmente conhecidos como cavacos de ruptura), como os ferros fundidos cinzentos, além de não- ferrosos e outros materiais congêneres, como latão e bronze (STEMMER, 2005). O sistema prevê, ainda, propriedades relevantes para a seleção do material cortante, como a resistência ao desgaste (dureza) e a tenacidade. Dentro da classificação, cada grupo de usinagem recebe uma graduação numérica segundo as exigências e a severidade da operação. Quanto menor o valor da graduação, mais duro e resistente ao desgaste será o “metal duro” daquele grupo de usinagem. De maneira contrária, quanto maior o valor da graduação, maior será a tenacidade do “metal duro” dentro do grupo. “Metal duro” com numeração intermediária como, por exemplo, P25, apresenta equilíbrio entre as duas características e é usado na maior parte dos casos dentro de seu campo de aplicação (STEMMER, 2005). O quadro 2 mostra a relação entre os tipos de metal duro e as variáveis na usinagem (STOETERAU, 2004). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 68 Quadro 2. Relação entre tipos de metal duro e parâmetros da usinagem (STOETERAU, 2004). As ferramentas de cerâmicas têm adquirido importância crescente na usinagem, sendo possível usinar com velocidades de corte de 4 a 5 vezes maiores que as empregadas com “metal duro”. Como ferramenta de corte, a cerâmica tem as características indicadas abaixo (STEMMER, 2005). Alta dureza a quente, que se mantém até cerca de 1600 o C. Elevada estabilidade química. Altíssima resistência à compressão. Baixo coeficiente de atrito. As cerâmicas são principalmente indicadas para a usinagem de materiais que apresentam forte efeito abrasivo (STEMMER, 2005). 2. Indicações bibliográficas CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica – processos de fabricação e tratamentos, vol. II. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. CIMM – Centro de Informações Metal Mecânica. Aços rápidos. Disponível em <http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6365>. Acesso em 01 set. 2010. DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L. Tecnologia da usinagem dos metais. São Paulo: Artliber, 2002. FERRARESI, D. Fundamento da usinagem dos metais. São Paulo: Edgard Blucher, 2000. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 71 Questão 15 Questão 15. 15 Após a fundição, a sequência usual de fabricação de um molde de aço AISI P20 para injeção de plásticos é: A. Forjamento, polimento, usinagem de desbaste, tratamento térmico e usinagem de acabamento. B. Forjamento, usinagem de desbaste, usinagem de acabamento, tratamento térmico e polimento. C. Laminação, usinagem de desbaste, usinagem de acabamento, polimento e tratamento térmico. D. Trefilação, usinagem de desbaste, tratamento térmico, usinagem de acabamento e polimento. E. Usinagem de desbaste, forjamento, tratamento térmico, usinagem de acabamento e polimento. 1. Introdução teórica 1.1. Fabricação mecânica A estrutura de um material obtido por fundição pode não ser adequada para determinadas aplicações. O mesmo pode ser dito com relação à sua forma, ao seu acabamento e às suas dimensões. Para a obtenção das propriedades desejadas, os metais passam por outros tipos de processamento que visam a obter a forma e as propriedades mecânicas necessárias. Esses processos são chamados de processos primários (CHIAVERINI, 1986). _______________________ 15 Questão 30 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 72 1.2. Processos primários Os processos primários mais comuns são a laminação, a trefilação, o forjamento e a extrusão. A laminação consiste em modificar a seção transversal de uma barra de metal pela sua passagem entre dois cilindros. A figura 1 representa uma barra sendo laminada e tendo sua espessura reduzida (ABAL, 2010). Figura 1. Barra tendo sua espessura reduzida por meio de laminação (ABAL, 2010). Na figura 1, a parte (A) representa um laminador duo (possui dois cilindros) com um único sentido de rotação dos cilindros. A parte (B) representa um laminador duo reversível, isto é, os cilindros podem inverter o sentido da rotação. A trefilação é um processo de deformação que força a passagem de uma barra de metal por uma seção de área menor que a sua. Esse tipo de operação é muito usado na fabricação de fios (ROCHA e SCHAEFFER, 2000), conforme exemplificado na figura 2. Figura 2. Produção de fios por meio de trefilação (CBA, 2010). O forjamento é um processo de deformação plástica que, agindo por choque ou pressão, resulta em uma peça com formato determinado (BRESCIANI FILHO, 1997). A figura 3 é um exemplo de uma peça fabricada por Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 73 forjamento. Essa figura mostra um tarugo cilíndrico que foi aquecido e depois conformado entre uma matriz e um punção, ficando com sua forma definida no segundo passo indicado na figura 3. Figura 3. Forjamento em três etapas (RSRODAS, 2010). A extrusão é um processo no qual o metal é comprimido em uma câmara, sendo forçado a escoar através de uma matriz que irá determinar a seção do produto resultante. A figura 4 é um exemplo de um tarugo sendo extrudado (ROCHA e SCHAEFFER, 2000). Figura 4. Processo de extrusão (ROCHA, 2000). 1.3. Processos de usinagem Um processo primário pode não conferir à peça as dimensões e os acabamentos requeridos por dada aplicação. Após esse processo, as peças podem sofrer usinagem, a fim de que sejam obtidas as dimensões finais. As operações de usinagem são classificadas em dois tipos: as operações de desbaste e as operações de acabamento. As operações de desbaste são caracterizadas por grande retirada de material em curto intervalo de tempo. As operações de acabamento visam a dar à peça suas dimensões finais com o acabamento esperado (DINIZ, 2002). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 74 Dentre as operações de acabamento mais comuns, destacam-se o polimento, a lapidação e o espelhamento (CHIAVERINI, 1986). O polimento tem por objetivo conferir um acabamento liso na superfície, com tolerâncias inferiores a 0,025 mm. A lapidação objetiva melhorar essa tolerância e o espelhamento visa a conferir tolerâncias inferiores a 0,001 mm. A figura 5 mostra, esquematicamente, uma operação de espelhamento. Figura 5. Operação de espelhamento (CHIAVERINI, 1986). As operações de acabamento devem dar contornos finais à peça, ou seja, não deve existir nenhum tipo de operação após as operações de acabamento. Assim, qualquer tipo de tratamento que, por exemplo, endureça a superfície e/ou aumente o limite de resistência do metal deve ser feito após as operações de desbaste e antes das operações de acabamento. 2. Indicações bibliográficas ABAL - Associação Brasileira do Alumínio. Laminação. Disponível em <http://www.abal.org.br/aluminio/processos_laminacao.asp> Acesso em 30 ago. 2010. BRESCIANI FILHO, E. Conformação plástica dos metais. Campinas: Unicamp, 1997. CBA – Companhia Brasileira de Alumínio. Trefilação. Disponível em <http://www.cia-brasileira-aluminio.com.br/pt/proc_cabos_2.php>. Acesso em 30 ago. 2010. CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica – processos de fabricação e tratamentos. v. II. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L. Tecnologia da usinagem dos metais. São Paulo: Artliber, 2002. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 76 Questões 16 e 17 Questão 16. 16 Os gases usados na soldagem a arco com proteção gasosa têm como função A. Transferir o metal de adição para a solda. B. Evitar intoxicação do soldador. C. Fornecer facilmente elétrons e íons para formar o plasma. D. Esfriar a peça e o eletrodo. E. Limpar a região para evitar contaminação e formar escória. 15 Questão 17. 17 Os processos de soldagem podem ser divididos em três grandes grupos: processos de soldagem por fusão, por pressão e brasagem. Entre os processos de soldagem por fusão, destaca-se, pela grande utilização, o processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido. A. Qual o tipo de eletrodo utilizado no processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido? B. Cite uma função do revestimento do eletrodo. C. Nos processos de soldagem por fusão, a região da solda é composta por três zonas bem distintas. Descreva cada uma das zonas que compõem a região da solda. 1. Introdução teórica 1.1. Soldagem A soldagem é um processo de junção de peças, colocando-as em contato íntimo e levando-as a um estado de fusão ou plasticidade (CHIAVERINI, 1986). Os processos de soldagem podem ser classificados de acordo com a fonte de energia para o aquecimento e a condição das superfícies em contato. Nessa classificação, o processo de soldagem pode ser um processo por fusão 16 Questão 34 – Enade 2008. 17 Questão 6 – Discursiva – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 77 ou um processo por pressão. Existe, ainda, um terceiro tipo de processo, o de brasagem (CHIAVERINI, 1986; MOLDENESI e MARQUES, 2000). Existe um grande número de processos por fusão que podem ser separados em subgrupos, de acordo com o tipo de fonte de energia utilizada. O quadro 1 mostra os processos de soldagem por fusão e suas características principais (MOLDENESI e MARQUES, 2000). Quadro 1. Processos de soldagem por fusão (MOLDENESI e MARQUES, 2000). Devido à tendência de reação do material fundido com os gases da atmosfera, a maioria dos processos por fusão utiliza algum meio de proteção para minimizar essas reações (MOLDENESI e MARQUES, 2000). Nos processos de soldagem por pressão está inclusa a soldagem por fricção, por ultrassom, por resistência elétrica etc. No quadro 1, observa-se que um dos tipos de soldagem por fusão é a soldagem a arco, o mais comumente utilizado. Nesse processo, a fonte de calor é um arco elétrico e o metal base participa, por fusão, da constituição da solda. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 78 O calor é fornecido pela passagem de corrente elétrica do eletrodo para a peça. O fluxo no qual a ponta do eletrodo está submersa atua como fundente e como isolante térmico, de modo que o calor gerado fica concentrado, fundindo o metal base e o eletrodo. A figura 1 mostra um cordão de solda sendo executado nesse tipo de solda. Figura 1. Cordão de solda sendo executado (MOLDENESI e MARQUES, 2000). Os processos de soldagem a arco podem ser classificados, em função do tipo de eletrodo, em dois tipos: a soldagem a arco com eletrodo consumível e a soldagem a arco com eletrodo não consumível (CHIAVERINI, 1986). No primeiro tipo, o eletrodo é formado por um núcleo metálico (alma) revestido com uma camada de minerais e/ou outros materiais. A alma do eletrodo conduz a corrente elétrica e serve como metal de adição. O revestimento gera escória e gases que protegem a região soldada da atmosfera, podendo conter elementos que são incorporados à solda, influenciando sua composição química e características metalúrgicas (MOLDENESI, 2000). A figura 2 ilustra esse processo. Figura 2. Solda com eletrodo revestido (MOLDENESI e MARQUES, 2000). Uma maneira de proteger o metal do meio circundante e da atmosfera é fazer a proteção da zona na qual o arco elétrico está ocorrendo com uma cobertura gasosa. Nesse tipo de processo, o princípio é o emprego de um gás Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 79 em volta do arco para evitar que o eletrodo e o metal base entrem em contato com o ar do meio ambiente. Geralmente, são utilizados gases inertes, como argônio e hélio (CHIAVERINI, 1986). A figura 3 mostra uma solda a arco com proteção gasosa. Figura 3. Solda a arco com proteção gasosa (MOLDENESI e MARQUES, 2000). Os gases de proteção, além de não permitir que existam reações químicas entre o eletrodo e o metal base com a atmosfera, facilitam a transferência de elétrons do eletrodo para o metal base, formando uma solda homogênea (CHIAVERINI, 1986). 1.2. Metalurgia da solda O mais alto grau de soldabilidade por fusão é apresentado pelos metais que são capazes de formar uma série contínua de soluções sólidas. Na figura 4, é possível observar as zonas nas quais os fenômenos metalúrgicos ocorrem durante a soldagem de um aço (CHIAVERINI, 1986). Figura 4. Zonas em uma junta soldada (CHIAVERINI, 1986). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 80 A zona indicada por (2) na figura 4 corresponde à camada depositada, obtida pela fusão do metal de enchimento e sua mistura com o metal base (1). Uma zona afetada pelo calor está indicada por (4). Nessa região, a estrutura do metal base é modificada pelo aquecimento e pelo resfriamento durante a soldagem. Na região marcada com (1), não ocorre qualquer alteração na estrutura do metal base (CHIAVERINI, 1986). A figura 5 é um detalhamento da figura 4. Observa-se, na figura 5, que na zona afetada pelo calor existem três subzonas: a de superaquecimento, a de normalização e a de recristalização incompleta (WAINER, 1992). Figura 5. Zonas de uma solda (WAINER, 1992). 2. Indicações bibliográficas CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica – processos de fabricação e tratamentos, vol. II. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. MOLDENESI, P. J.; MARQUES, P. V. Introdução aos processos de soldagem. Belo Horizonte: Universidade Federal de Minas Gerais, 2000. WAINER, E. Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgard Blucher, 1992. 3. Análise das alternativas Questão 16. A – Alternativa incorreta. JUSTIFICATIVA. Os gases usados na soldagem a arco com proteção gasosa têm como função proteger o eletrodo e o metal base em fusão, a fim de não Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 83 Questão 18 Questão 18. 18 O mecanismo manivela-biela-pistão de um motor a combustão interna, ilustrado na figura ao lado, apresenta, em um determinado instante, a configuração geométrica na qual a biela e a manivela estão perpendiculares entre si. Os comprimentos da biela e da manivela são L e R, respectivamente. Considere a relação V = f(θ)ω entre a velocidade V do pistão e a velocidade angular da manivela, e a relação ζ = g(θ)F entre o torque ζ disponível na manivela e a força F exercida sobre o pistão, proveniente da queima da mistura ar- combustível. No instante mostrado, a relação entre a velocidade do pistão e a velocidade angular da manivela, expressa pela função f(θ), é definida por A. R/senθ B. R/cosθ C. R.cosθ D. L/senθ E. L.senθ 16 1. Introdução teórica 1.1. Movimento plano de um corpo rígido Um corpo rígido executa movimento plano quando todas as suas partes se movem em planos paralelos. Esse movimento plano geral é constituído de translação e de rotação (MERIAM e KRAIGE, 1999). 18 Questão 31 – Enade – 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 84 A translação é definida como qualquer movimento no qual toda linha do corpo permanece paralela à sua posição original em todos os instantes. A rotação em torno de um eixo fixo é o movimento angular em torno do eixo. Nesse tipo de movimento, todas as partículas do corpo se movem em trajetórias circulares em torno do eixo de rotação. Assim, o movimento plano geral pode ser encarado como a combinação entre um movimento de translação e um movimento de rotação. A figura 1 mostra esses movimentos. Figura 1. Tipos de movimento de corpo rígido no plano (MERIAM e KRAIGE, 1999). 1.2. Rotação em torno de um eixo fixo Seja, por exemplo, o corpo rígido da figura 2, girando em torno do ponto O com velocidade angular . Qualquer ponto desse corpo descreverá uma trajetória que é um círculo com raio igual à distância entre o ponto e o centro de rotação. Figura 2. Corpo em rotação (adaptado de MERIAM e KRAIGE, 1999). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 85 Assim, para o ponto A da figura 1, a velocidade v pode ser determinada por . 1.3. Velocidade relativa Seja, por exemplo, o corpo da figura 3. Nele, o ponto B movimenta-se com velocidade V B e o ponto A, com velocidade V A . Pode-se encarar o movimento do ponto A como sendo um movimento de translação igual ao do ponto B, associado a um movimento de rotação do ponto A, tendo como centro de rotação o ponto B. Nesse segundo movimento, a velocidade do ponto A é igual a , sendo r a distância entre A e B. A velocidade desse segundo movimento é chamada de velocidade relativa de A em relação B (V AB ) (HIBBELER, 2005). Figura 3. Velocidade de dois pontos de um mesmo corpo (MERIAM e KRAIGE, 1999). Como as velocidades são quantidades vetoriais, a velocidade de A pode ser determinada pela soma vetorial entre a velocidade de B e a velocidade relativa de A em relação a B: = . A velocidade relativa entre A e B tem direção perpendicular à linha que une os dois pontos, pois o único movimento relativo possível entre A e B é uma rotação. Graficamente, essa soma de vetores pode ser feita como mostrado na figura 4 (FRANÇA, 2004). VA VB VAB Figura 4. Soma vetorial entre as velocidades (adaptado de FRANÇA, 2004). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 88 Questão 19 Questão 19. 19 O mecanismo manivela-biela-pistão de um motor a combustão interna, ilustrado na figura ao lado, apresenta, em um determinado instante, a configuração geométrica na qual a biela e a manivela estão perpendiculares entre si. Os comprimentos da biela e da manivela são L e R, respectivamente. Considere a relação v=f(θ).ω entre a velocidade v do pistão e a velocidade angular da manivela, e a relação T=g(θ).F entre o torque T disponível na manivela e a força F exercida sobre o pistão, proveniente da queima da mistura ar- combustível. Considerando f(θ)=1,25.g(θ), a eficiência do sistema, que é a razão entre a potência de saída e a potência de entrada, é A. 70% B. 75% C. 80% D. 85% E. 90% 17 1. Introdução teórica 1.1. Potência Seja um sólido submetido a uma força constante que, devido a essa força, sofra deslocamento , como se vê na figura 1. 19 Questão 32 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 89 Figura 1. Sólido submetido a uma força. O trabalho executado por é definido como o produto escalar entre , ou seja, Para o caso em estudo, define-se a potência P como o trabalho realizado em um intervalo de tempo, isto é, Considerando que o trabalho é , a potência pode ser escrita como Lembrando que é o módulo da velocidade do corpo, a potência pode ser escrita como Para um sólido em rotação, como o mostrado na figura 2, a velocidade de um ponto é Na expressão anterior, R é a distância entre o ponto e o centro de rotação. Figura 2. Sólido em rotação em torno de um eixo. Com isso, a potência pode ser escrita como Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 90 Visto que os vetores e são perpendiculares entre si, o módulo do produto vetorial fica Assim, a potência pode ser escrita como Como é o módulo do torque em relação ao eixo de rotação, a potência pode ser escrita como: 1.2. Eficiência A eficiência, ou rendimento mecânico de uma máquina ( ), é definida como a razão entre a potência de útil produzida pela máquina (Ps) e a potência de entrada que lhe é fornecida (Pe). Ou seja, 2. Indicações bibliográficas FRANÇA, L. N. F.; MATSUMURA, A. Z. Mecânica Geral. São Paulo: Edgard Blucher, 2004. HIBBELER, R. C. DINÂMICA – Mecânica para Engenharia. São Paulo: Prentice Hall, 2005. MERIAM, J. L.; KRAIGE, L. G. Mecânica – Dinâmica. Rio de Janeiro: LTC, 1999. 3. Solução e análise das alternativas A eficiência ( ) é a razão entre a potência de saída (Ps) e a potência de entrada (Pe). Ou seja, . No caso em estudo, a potência de entrada é igual ao produto entre a força (F) e a velocidade do pistão (v), pois, como θ=0 e cos0=1, temos que Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 92 Questões 20 e 21 Questão 20. 20 Os modos de vibração não-amortecidos de um sistema mecânico são os autovalores de seu modelo. PORQUE A ressonância em um sistema mecânico com pequeno amortecimento ocorre quando a frequência de excitação é próxima da freqüência natural do sistema. Analisando essas afirmações, conclui-se que: A. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda justifica a primeira. B. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda não justifica a primeira. C. A primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa. D. A primeira afirmação é falsa e a segunda é verdadeira. E. As duas afirmações são falsas. Questão 21. 21 Durante parte do Campeonato Mundial de Fórmula 1 de 2006, a Equipe Renault utilizou em seus carros absorvedores de vibração na dianteira e na traseira, com o objetivo de minimizar as oscilações do chassi provocadas pela passagem sobre as “zebras” e, consequentemente, melhorar seu desempenho. No detalhe está mostrado o dispositivo empregado na dianteira, que consiste basicamente em um sistema massa-mola-amortecedor de 1 grau de liberdade, com uma massa de 7 kg (1) apoiada sobre molas (2 e 3) de diferente rigidez, com relação 1:3, inseridas em uma carcaça (4) de fibra de carbono, e com um amortecedor regulável (5) contendo um fluido viscoso. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 93 A. Sabendo que a frequência natural não amortecida do absorvedor de vibração utilizado na dianteira é de Hz, determine a rigidez das molas empregadas.18 B. O gráfico a seguir apresenta uma possível configuração do fator de amplificação da resposta da parte dianteira do veículo em função da freqüência de excitação, para o sistema sem e com o absorvedor de vibração, empregando um determinado ajuste do amortecimento no absorvedor. Analise a influência do absorvedor de vibrações no comportamento do sistema. 1. Introdução teórica 1.1. Vibrações Vibração é todo movimento periódico de um corpo, ou sistema de corpos interligados, em torno de uma posição de equilíbrio. As vibrações podem ser classificadas em livres e forçadas (HIBBELER, 2005). As vibrações livres são aquelas que ocorrem quando o movimento se mantém por forças restauradoras gravitacionais ou elásticas. As vibrações forçadas são aquelas nas quais o movimento se mantém mediante a aplicação de força periódica ou intermitente. 19 20 Questão 26 – Enade 2005. 21 Questão 39 – Discursiva – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 94 Sejam livres ou forçadas, as vibrações podem ser amortecidas ou não. A ideia central é que a vibração não amortecida pode continuar indefinidamente, enquanto que a amortecida tende a se extinguir. A figura 1 mostra um corpo de massa m em vibração livre sem amortecimento, sujeito a uma força restauradora linear. m x mola de constante igual a k F mg x N kx Figura 1. Corpo em vibração livre sem amortecimento (adaptado de MERIAM, 1999). A equação do movimento do corpo da figura 1 é , sendo que . Logo, Î Nas equações acima, x é posição do corpo, que depende do tempo t, k é a constante elástica da mola e é a derivada de segunda ordem da função posição, ou seja, é a aceleração do corpo. A constante é chamada de frequência angular natural ou pulsação natural e é expressa em rad/s (RAO, 2009). A ela, é possível associar uma frequência f n , dada em Hertz (Hz), pela seguinte expressão: Em um sistema com duas molas em série, de constantes elásticas k 1 e k 2 , como o mostrado na figura 2, a constante equivalente k do sistema é igual à soma das constantes elásticas de cada uma das molas (HIBBELER, 2005): k = k 1 + k 2. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 95 k1 k2 m Figura 2. Sistema com duas molas (adaptado de HIBBELER, 2005). Considere agora um sistema constituído por dois corpos, de massas m 1 e m 2 , associados a três molas, de constantes elásticas k 1 , k 2 e k 3 , segundo a configuração mostrada na figura 3. Esse sistema apresenta dois graus de liberdade, já que cada corpo pode vibrar de forma diferente. Figura 3. Sistema com dois graus de liberdade (MERIAM, 1999). As equações diferenciais de movimento do sistema da figura 3 são (FRANÇA, 2006): Essas equações também podem ser escritas na notação matricial: Para que ambos os corpos movimentem-se, mesmo que não seja em fase, é necessário que: Na igualdade acima, as constantes e podem ser números reais ou complexos e a constate λ é um número real. Para que o movimento seja síncrono, é necessário que (FRANÇA, 2006): Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 96 A solução não nula para e implica que o determinante dos coeficientes deve ser nulo: Esse determinante é o determinante característico do sistema cuja expansão é o polinômio característico (FRANÇA, 2006). Logo: As raízes da equação característica são os valores característicos e para os quais são possíveis movimentos síncronos. Os valores característicos também são chamados de autovalores (FRANÇA, 2006). Observações. 1. Em uma vibração forçada, o sistema entra em ressonância quando a frequência de excitação da força externa é igual à frequência natural do sistema. 2. Em todo sistema amortecido, a amplitude da vibração diminui com o tempo (MERIAM, 1999). Isso pode ser observado na figura 4, que ilustra um exemplo de vibração livre com amortecimento. Figura 4. Vibração amortecida (adaptado de MERIAM, 1999). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 100 Questão 22 Questão 22. 2220 O extensômetro (strain gage) é um sensor limitado à medição de pequenas deformações elásticas. PORQUE O extensômetro, ao ser alongado junto com a peça na qual está colado, produz, em sua resistência, uma variação proporcional ao alongamento, que pode ser medida com uma Ponte de Wheatstone, um amplificador e um voltímetro. Analisando essas afirmações, conclui-se que A. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda justifica a primeira. B. As duas afirmações são verdadeiras e a segunda não justifica a primeira. C. A primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa. D. A primeira afirmação é falsa e a segunda é verdadeira. E. As duas afirmações são falsas. 1. Introdução teórica 1.1. Extensometria Analisando o comportamento elétrico dos fios metálicos energizados, submetidos a esforços mecânicos de tração, em 1856, William Thomson, conhecido como Lord Kelvin, obteve as conclusões que seguem. Se um fio de comprimento l sofre variação Δl, sua resistência elétrica R sofre variação ΔR, conforme a equação: . . l l K R R l K R Nessa equação, K é uma constante, conhecida como fator de sensibilidade, e o quociente l l l l é a deformação específica ε do fio. Logo, . . . . K R R K R Os materiais têm diferentes fatores de sensibilidade. É necessário utilizar um circuito elétrico com amplificação para determinar a variação de resistência elétrica do fio. 22 Questão 25 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 101 1.2. Extensômetros elétricos Na sua forma mais completa, o extensômetro elétrico é um resistor composto de uma finíssima camada de material condutor depositado sobre um composto isolante. A figura 1 mostra um extensômetro e suas partes. Figura 1. Extensômetro elétrico (ANDOLFATO, 2010). O extensômetro é colado sobre a estrutura em teste com auxílio de adesivos como epóxi ou cianoacrilatos. Pequenas variações de dimensões da estrutura são transmitidas mecanicamente ao extensômetro, que as transforma em variações equivalentes de sua resistência elétrica (por essa razão eles são definidos como transdutores). Os extensômetros são usados para medir variações de carga, pressão, torque, deslocamento, tração, compressão, aceleração e vibração. A seleção do extensômetro apropriado para determinada aplicação é influenciada pelas seguintes características: material da grade metálica (condutor) e sua construção, material do suporte isolante, material do adesivo, tratamento e proteção do medidor e configuração do sistema de medição (GERE, 2003). Uma maneira de medir a variação de resistência de um extensômetro é usar um circuito elétrico conhecido como Ponte de Wheatstone. Nesse circuito, mostrado na figura 2, é aplicada uma tensão de excitação E em um conjunto de resistores de mesmo valor. Nessa situação, a tensão medida na saída é igual a zero e dizemos que a ponte está equilibrada (JUVINALL, 2008). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 102 Quando uma das resistências tem seu valor alterado, a tensão é diferente de zero e é proporcional à diferença de valor entre a resistência alterada e as demais. Figura 2. Ponte de Wheatstone (JUVINALL, 2008). 2. Indicações bibliográficas ANDOLFATO, R. P.; CAMACHO, J. S.; BRITO, G. A. Extensometria básica. Disponível em <http://www.nepae.feis.unesp.br/Apostilas/Extensometria basica.pdf.>. Acesso em 11 ago. 2010. GERE, J. M. Mecânica dos materiais. São Paulo: Thomson Learning, 2003. JUVINALL, R. C.; MARSHEK, K. M. Fundamentos do projeto de componentes de máquinas. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 3. Análise das afirmativas Primeira afirmativa – incorreta. JUSTIFICATIVA. O extensômetro (strain gage) não é um sensor limitado à medição de pequenas deformações elásticas. Ele é usado para medir pequenas variações de dimensão. Segunda afirmativa – correta. JUSTIFICATIVA. O extensômetro, ao ser alongado junto com a peça na qual está colado, produz, em sua resistência, variação proporcional ao alongamento, Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 104 Questão 23 Questão 23. 2321 Gases de exaustão de uma caldeira, com temperatura de 230 °C podem ser utilizados para preaquecer o ar ambiente, com temperatura de 30 °C. O ar aquecido é fornecido para o queimador da caldeira através de um trocador de calor, com 70% de eficiência. Igualando a vazão do ar a ser aquecido à dos gases de exaustão e considerando que os calores específicos são aproximadamente iguais, qual será a temperatura do ar aquecido? A. 70 °C B. 100 °C C. 130 °C D. 170 °C E. 200 °C 1. Introdução teórica Trocadores de calor Trocadores de calor são equipamentos que permitem a troca de calor entre dois fluidos. Existem dois tipos fundamentais de trocadores de calor: os trocadores de mistura e os trocadores de superfície. Nos trocadores de mistura, os fluidos entram em contato entre si. Já nos trocadores de superfície, existe uma parede que separa os dois fluidos, não deixando que eles entrem em contato (KREITH, 2006). Os trocadores de superfície podem ser classificados em três tipos: duplo tubo, serpentina e multitubular. A figura 1 é a representação de um trocador multitubular, também conhecido como trocador de tubo e casco. Figura 1. Trocador de calor multitubular (BRAGA FILHO, 2004 – com adaptações). 23 Questão 19 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 105 Em um trocador de calor, as correntes de fluxo dos fluidos podem ser paralelas ou cruzadas. As correntes são paralelas quando os dois fluidos têm o mesmo sentido no fluxo. As correntes são cruzadas quando os sentidos são opostos. No trocador da figura 1, as correntes são cruzadas. A figura 2 ilustra os dois tipos de trocadores. Figura 2. Trocadores de calor de correntes paralelas e de correntes cruzadas (UFMG, 2011). Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor, é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor com grandezas como as temperaturas de entrada e de saída, o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor (BRAGA FILHO, 2004). Pela aplicação de balanços globais de energia aos fluidos, um chamado de quente (identificado pelo índice q) e o outro chamado de frio (identificado pelo índice f), o fluxo de calor entre os fluidos em um sistema ideal é: Na expressão anterior, temos o que segue abaixo. : fluxo de calor trocado. : vazão em massa do fluido quente. : calor específico do fluido quente. : variação de temperatura que o fluido quente sofrerá. : vazão em massa do fluido frio. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 106 : calor específico do fluido frio. : variação de temperatura que o fluido frio sofrerá. As diferenças de temperatura são sempre positivas, sendo que ΔT q é diferença entre a temperatura de entrada e a temperatura de saída do fluido quente e ΔT f é a diferença entre a temperatura de saída e a temperatura de entrada do fluido frio. Quando a eficiência é diferente de 1, é possível escrever: Chamando de 1 a entrada e de 2 a saída, a expressão fica: 2. Indicações bibliográficas BRAGA FILHO, W. Transmissão de calor. São Paulo: Thomson Learning, 2004. DEMEC – UFMG, Trocadores de calor. Disponível em <http://www. demec. ufmg.br/disciplinas/ema003/trocador/paralelas.htm>. Acesso em 23 mar. 2011. KREITH, F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard Blucher, 1995. 3. Resolução da questão Considerando que a temperatura na saída do fluido quente seja igual à temperatura de entrada do fluido frio, a diferença de temperaturas para o fluido quente é: Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 108 Questão 24 Questão 24. 24 Uma panela de pressão cozinha muito mais rápido do que uma panela comum, ao manter mais altas a pressão e a temperatura internas. A panela é bem vedada, e a tampa é provida de uma válvula de segurança com uma seção transversal (A) que deixa o vapor escapar, mantendo, assim, a pressão no interior da panela com valor constante e evitando o risco de acidentes. Considerando os dados fornecidos na figura e na tabela acima e uma situação em que a panela contém água saturada, a massa da válvula, em gramas, para garantir uma pressão manométrica interna constante de 100 kPa, e o correspondente valor aproximado da temperatura da água, em ºC, são, respectivamente A. 4 e 100. B. 4 e 120. C. 40 e 100. D. 40 e 120. E. 400 e 100. 22 23 24 Questão 35 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 109 1. Introdução teórica Em geral, quando se trata de fluidos, pensamos em pressão e, quando se trata de sólidos, pensamos em tensão. A pressão é definida como o componente normal da força por unidade de área (Van Wylen, 2003). Seja δA uma pequena área e δA’ a menor área sobre a qual é possível considerar o fluido como um meio contínuo. Se δF n é o componente normal da força sobre δA, a pressão p pode ser definida como (Van Wylen, 2003): De maneira análoga, é possível dizer que a força F exercida em uma superfície por um fluido sob pressão é igual ao produto entre a pressão p e área A projetada em um plano cuja normal é a direção da força (BRUNETTI, 2004): Em muitas investigações termodinâmicas, a preocupação é com a pressão absoluta. A maioria dos manômetros, entretanto, mostra a pressão efetiva, ou seja, a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica. A pressão efetiva também é chamada de pressão manométrica (Van Wylen, 2003; BRUNETTI, 2004). 2. Indicações bibliográficas BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos. São Paulo: Prentice Hall, 2004. VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica. São Paulo: Edgard Blucher, 2003. 3. Resolução da questão Válvula - Massa: M - Área (secção transversal): A = 4 mm 2 = 4.10 -6 m 2 Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 112 Questão 25 Questão 25. 25 O ciclo padrão de ar Diesel é composto por quatro processos termodinâmicos. PORQUE Na termodinâmica, a substância de trabalho de qualquer ciclo padrão sofre processos. Analisando essas afirmações, conclui-se que A. as duas afirmações são verdadeiras e a segunda justifica a primeira. B. as duas afirmações são verdadeiras e a segunda não justifica a primeira. C. a primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa. D. a primeira afirmação é falsa e a segunda é verdadeira. E. as duas afirmações são falsas. 1. Introdução teórica Ciclo Diesel A figura 1 mostra o ciclo padrão de ar Diesel traçado em um diagrama P- V (pressão versus volume) (Van Wylen, 2003). Figura 1. Ciclo Diesel (adaptado de Van Wylen, 2003). Começando a estudar o ciclo a partir do ponto 1, observa-se que do ponto 1 ao ponto 2 existe compressão, isto é, aumento de pressão e redução no volume do fluido de trabalho (Van Wylen, 2003). _________________ 25 Questão 24 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 113 Do ponto 2 ao ponto 3, ocorre aumento no volume sem alteração na pressão de trabalho. Esse aumento de volume com a manutenção da pressão está associado a uma elevação na temperatura do fluido de trabalho. Nesse ciclo, o calor é transferido ao fluido de trabalho a pressão constante. Do ponto 3 ao ponto 4, ocorre expansão do fluido. Com isso, o volume aumenta e a pressão de trabalho diminui. Finalizando o ciclo, do ponto 4 ao ponto 1, ocorre redução de pressão com volume constante. Esse processo está associado a um resfriamento do fluido de trabalho. Assim, no ciclo Diesel, existem quatro processos: a compressão, o aquecimento, a expansão e o resfriamento do fluido de trabalho. 2. Indicações bibliográficas MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios da termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro: LTC, 2002. VAN WYLEN; G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica. São Paulo: Edgard Blucher, 2003. 3. Análise das afirmativas Primeira afirmativa – correta: o ciclo padrão de ar Diesel é composto por quatro processos termodinâmicos. Segunda afirmativa – correta: na termodinâmica, a substância de trabalho de qualquer ciclo padrão sofre processos. JUSTIFICATIVA. Na termodinâmica, a substância de trabalho está sujeita a processos (compressão, expansão, troca de calor etc.), sendo que, no ciclo Diesel, ela sofre quatro processos: a compressão, o aquecimento, a expansão e o resfriamento. Alternativa correta: B (as duas afirmativas são verdadeiras, mas a segunda não justifica a primeira). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 114 Questão 26 Questão 26. 26 Uma central de potência a vapor opera segundo um Ciclo de Rankine e produz vapor saturado na caldeira. Deseja-se aumentar o rendimento térmico do ciclo sem que haja diminuição do título do fluido que deixa a turbina, a fim de evitar a erosão das palhetas. Analisando o diagrama temperatura-entropia relativo ao Ciclo de Rankine, acima representado, conclui-se que a ação a ser tomada é A. aumentar a pressão na caldeira, mantendo a pressão do condensador constante. B. aumentar a temperatura na seção de saída da turbina, mantendo a pressão da caldeira constante. C. reduzir a pressão no condensador, mantendo a pressão da caldeira constante. D. reduzir a temperatura na entrada da bomba, mantendo a pressão da caldeira constante. E. superaquecer o vapor na caldeira, mantendo a pressão desta e a do condensador constante.24 1. Introdução teórica O ciclo de Rankine é um ciclo de potência baseado em quatro processos que ocorrem em regime permanente, conforme mostrado na figura 1 (Van Wylen, 2003). 26 Questão 29 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 115 Figura 1. Processos que compõe o ciclo de Rankine (Van Wylen, 2003). Os quatro processos que compõem o ciclo são os que seguem abaixo, segundo a numeração da figura 1. Processo de bombeamento adiabático reversível em uma bomba (1→2). Transferência de calor a pressão constante na caldeira (2→3). Expansão adiabática, reversível, em uma turbina ou outra máquina motora (3→4). Transferência de calor a pressão constante no condensador (4→1). Na figura 2, é mostrado um diagrama temperatura versus entropia (diagrama T – s) para o ciclo de Rankine. T S p1 p2 1 2 4 a b 2´ 3 3´ 4´ Figura 2. Diagrama T- s para o ciclo de Rankine (adaptado de Van Wylen, 2003). Note que a pressão na caldeira é p2 e a pressão no condensador é p1. Desprezando-se a energia cinética e a energia potencial, as transferências de calor e o trabalho líquido podem ser representados pelas diversas áreas do diagrama. O calor transferido ao fluido de trabalho q H é representado pela área a-2-2’-3-3’-b-a (parte (a) da figura 3) e o calor transferido do fluido de trabalho, pela área a-1-4’-4-b-a (parte (b) da figura 3). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 116 T S p1 p2 1 2 4 a b 2´ 3 3´ 4´ T S p1 p2 1 2 4 a b 2´ 3 3´ 4´ (a) (b) Figura 3. Diagrama T- s para o ciclo de Rankine (adaptado de Van Wylen, 2003). Assim, a área que representa o trabalho ω liq é igual à diferença entre a área que representa o calor transferido ao fluido de trabalho e a área que representa o calor transferido do fluido de trabalho, ou seja, é a área: 1-2-2’-3- 3’-4-4’-1 (Van Wylen, 2003). Isso pode ser observado na figura 4. T S p1 p2 1 2 4 a b 2´ 3 3´ 4´ Figura 4. Diagrama T- s para o ciclo de Rankine com a área que representa o trabalho ω liq (adaptado de Van Wylen, 2003). O rendimento térmico (η térmico ) é definido pela relação entre o trabalho do ciclo e o calor transferido ao fluido de trabalho (Van Wylen, 2003): Na análise do ciclo de Rankine, é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que reduza a temperatura média na qual o calor é rejeitado, aumentará o rendimento do ciclo de Rankine (MORAN, 2002). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 117 2. Indicações bibliográficas MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios da termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro: LTC, 2002. VAN WYLEN; G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica. São Paulo: Edgard Blucher, 2003. 3. Análise das alternativas A – Alternativa incorreta. JUSTIFICATIVA. Nessa alternativa, é necessário aumentar a pressão na saída da bomba. Os processos percorrem a linha tracejada do gráfico da figura 5. Figura 5. Processos com o aumento da pressão da bomba sem alteração na pressão do condensador. Não há alteração na relação entre o trabalho líquido e o calor transferido ao fluido. Além disso, existe redução no título do fluido que deixa a turbina. B – Alternativa incorreta. JUSTIFICATIVA. Como o título na saída da turbina está entre zero e um, não existe maneira de aumentar a temperatura na saída da turbina sem aumentar a pressão. Quando se aumenta a temperatura na saída da turbina, o trabalho líquido do ciclo diminui na medida em que a pressão no condensador terá que ser maior. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 119 Questões 27 e 28 Questão 27. 27 Pretende-se instalar um sistema de refrigeração por compressão de vapor no qual a temperatura de evaporação do refrigerante é 10 ºC e a sua temperatura de condensação, 40 ºC. Para tanto, dispõe-se de dois refrigerantes, R 1 e R 2 , cujas características estão apresentadas na tabela abaixo. Numa análise preliminar, considera-se que o processo de compressão é isentrópico e que o refrigerante entra no compressor como vapor saturado e deixa o condensador como líquido saturado, conforme representado nos diagramas temperatura - entropia e pressão - entalpia. 25 A. Baseado nessa análise preliminar e sob o ponto de vista da eficiência térmica e da preservação do meio ambiente, qual dos dois refrigerantes deve ser selecionado para atender ao sistema de refrigeração? Justifique sua resposta. B. Qual é, teoricamente, o valor do COP (coeficiente de desempenho) máximo possível nessa situação? 27 Questão 38 – Discursiva – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 120 C. Tipicamente, numa situação real, o processo de compressão não seria isentrópico, e o refrigerante seria superaquecido na saída do evaporador e sub- resfriado na saída do condensador. Esboce o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, levando em conta estas características, em um diagrama temperatura - entropia. Despreze as perdas de carga. Questão 28. 2826 Analise a situação abaixo. Um veranista sente bastante calor ao chegar a sua casa de praia e se irrita ao constatar que o sistema de ar condicionado do seu quarto não está funcionando. Tentando solucionar o problema e resfriar o quarto, ele teve a idéia de ligar o frigobar que se encontra no interior do quarto, deixando sua porta aberta. As portas e janelas do quarto foram mantidas fechadas. Pela decisão do veranista, conclui-se que, ao longo do tempo, o quarto A. Será resfriado, se o COP (coeficiente de eficácia) for maior do que 1,0. B. Será resfriado, se o COP for menor do que 1,0. C. Será resfriado, se o COP for igual a 1,0. D. Ficará com a mesma temperatura. E. Será aquecido. 1. Introdução teórica O ciclo frigorífico de compressão de vapor consiste de uma série de processos executados sobre e por um fluido de trabalho, denominado refrigerante. Uma geladeira doméstica e um aparelho de ar condicionado, em geral, trabalham com o refrigerante R22, o fluido refrigerante mais comum. O refrigerante R22 é do tipo cloro-fluor-carbono (CFC), capaz de destruir a camada de ozônio da atmosfera. Nos ciclos de compressão modernos, já estão sendo utilizados refrigerantes ecológicos, que não afetam a camada de ozônio da atmosfera, do tipo hidro-fluor-carbonados (HFC), que não apresentam cloro em sua composição e não afetam a camada de ozônio (Van Wylen, 2003). O ciclo de refrigeração é constituído dos processos descritos a seguir. 28 Questão 21 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 121 Compressão de vapor: um compressor realiza trabalho sobre o vapor (caminho de 1→2 na figura 1). Condensação do vapor: ocorre no condensador (caminho 2→3 na figura 1). Expansão do líquido após o condensador: ocorre na válvula de expansão termostática ou em um tubo capilar (caminho 3→4 na figura 1). Evaporação do líquido no evaporador (caminho 4→1 na figura 1). Figura 1. Processos de um ciclo de refrigeração (Van Wylen, 2003). No diagrama temperatura versus entropia (T – s) da figura 2, é possível observar esses processos no fluido refrigerante em um ciclo ideal. Figura 2. Processos de um ciclo de refrigeração em um diagrama T-s (Van Wylen, 2003). No processo 1→2 ocorre aumento da temperatura pelo aumento da pressão do fluido. Nesse processo, o fluido fica no estado de vapor super aquecido. No processo 2→3, é mantida a pressão e ocorre redução de temperatura no condensador, fazendo com que o título fique igual a zero. No processo 3→4, existe redução na temperatura pela redução da pressão na válvula de expansão. No processo 4→1, ocorre mudança de título do fluido pelo calor recebido do meio no evaporador. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 122 A eficiência de um refrigerador é expressa em termos do COEFICIENTE DE DESEMPENHO – COP (β). Esse coeficiente é a relação entre a energia pretendida Q L e a energia gasta W. No caso de um refrigerador, o objetivo é obter Q L , que é o calor transferido do espaço refrigerado despendendo uma energia que é o trabalho W (Van Wylen, 2003). Assim, o coeficiente de desempenho β fica: Como , o coeficiente de eficácia pode ser escrito como: Na expressão acima, é o calor fornecido ao meio pelo condensador. Sendo h 4 a entalpia na entrada do evaporador e h 1 a entalpia na saída do evaporador, pela Primeira Lei da Termodinâmica, Q L é dado por: O coeficiente de desempenho fica: Vale lembrar que os ciclos reais desviam-se dos ciclos idealizados, isto é, o ciclo ideal serve, para nossa análise do ciclo real, como uma referência, um objetivo a atingir pela melhoria de cada processo que o constitui (FRANÇA, 2010). Sendo T L a temperatura absoluta na saída do evaporador e T H a temperatura absoluta na entrada do evaporador, o máximo coeficiente de desempenho é (FRANÇA, 2010): Na figura 3, estão representados um ciclo ideal (a) e um ciclo real de refrigeração (b). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 123 Figura 3. Ciclo ideal de refrigeração (a) e ciclo real de refrigeração (b) (FRANÇA, 2010). 2. Indicações bibliográficas FRANÇA, F. Controle térmico de ambientes. Disponível em <http://www.fem.unicamp.br/~em672/Ciclo_Refrigeracao_Refrigerantes.doc>. Acesso em 27 set. 2010. VAN WYLEN; G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica. São Paulo: Edgard Blucher, 2003. 3. Resolução da questão 27 e análise das alternativas da questão 28 Questão 27. A. O coeficiente de desempenho β é: Para o refrigerante R 1 : Para o refrigerante R 2 : Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 126 Questões 29 e 30 Questão 29. 2927 Em uma comunidade rural, necessita-se elevar a água a uma altura manométrica de 10 m e vazão de 0,1 m 3 /s. Para esta finalidade, foi recebida, como doação da comunidade européia, uma bomba centrífuga selecionada para este objetivo, porém com motor síncrono que opera a 3000 rpm em 50 Hz, diferente da frequência da rede local, que é de 60 Hz. Para resolver este problema, mantendo a mesma altura e vazão, deve-se reduzir o diâmetro do rotor, que originalmente tem 1,2 m. Quais serão, respectivamente, o novo diâmetro do rotor e a potência fornecida ao fluido? (Considere g = 10 m/s 2 e água = 1000 kg/m 3 ) A. 1,5 m e 30 kW B. 1,3 m e 10 kW C. 1,1 m e 10 kW D. 1,0 m e 20 kW E. 1,0 m e 10 kW Questão 30. 3028 Uma bomba centrífuga trabalha em condição plena, a 3.500 rpm, com vazão de 80 m 3 /h, carga de 140 m, e absorve uma potência de 65 HP. Por motivos operacionais, esta bomba deverá ter a sua rotação reduzida em 20%. O gráfico abaixo mostra a relação entre vazão, carga e potência absorvida em uma bomba centrífuga, conforme as leis de semelhança. 29 Questão 20 – Enade 2005. 30 Questão 25 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 127 Considerando essas informações, os valores aproximados da nova carga da bomba (m) e da nova potência absorvida (HP) serão, respectivamente, A. 7 e 3 B. 90 e 33 C. 90 e 40 D. 105 e 40 E. 105 e 63 1. Introdução teórica Bombas hidráulicas Uma bomba é utilizada em uma instalação hidráulica para fornecer energia ao fluido. Tomando-se uma bomba qualquer, como a mostrada na figura 1, podemos escrever: Na expressão acima, He é a energia que o fluido possui antes de entrar na bomba, HB é a energia que a bomba fornece ao fluido e Hs é a energia do fluido na saída da bomba. A energia que a bomba fornece ao fluido também é conhecida como carga manométrica da bomba (BRUNETTI, 2004). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 128 Figura 1. Bomba centrífuga (adaptado de CARVALHO, 2011). Sendo o peso específico do fluido e V o volume de fluido que passa pela bomba, e como a carga manométrica é a energia por unidade de peso do fluido, a energia total Em fornecida ao fluido é (BRUNETTI, 2004): A energia fornecida ao fluido nada mais é do que o trabalho executado pela bomba (STREETER, 1982). Como potência W é o trabalho na unidade de tempo, temos que: O volume pelo tempo é conhecido como vazão em volume Q: No trabalho de uma bomba, com o Teorema de Buckingham, é possível distinguir alguns números adimensionais característicos de seu funcionamento. Esses números são indicados no quadro 1 (SANTOS, 2007). Quadro 1. Adimensionais característicos de uma bomba (SANTOS, 2007). Número de Reynolds (Re) Coeficiente Manométrico ( ) Coeficiente de Vazão ( ) Coeficiente de Potência ( ) Legenda (quadro 1): D r - diâmetro do rotor da bomba. µ - viscosidade dinâmica do fluido. n - rotação do rotor da bomba. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 129 ρ - massa específica do fluido. g - aceleração da gravidade. HB - carga manométrica da bomba. Q - vazão em volume do fluido que passa pela bomba. W - potência fornecida ao fluido pela bomba. 2. Indicações bibliográficas BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos. São Paulo: Prentice Hall, 2004. CARVALHO, L. P. Bombas centrífugas: conceitos básicos e operação, Disponível em <http://www.ufrnet.br/~lair/Pagina-OPUNIT/bombas-index.ht m>. Acesso em 23 mar. 2011. SANTOS, S. L. Bombas & instalações hidráulicas. São Paulo: LTC, 2007. STREETER, V. L.; WYLIE, E. B. Mecânica dos fluidos. São Paulo: McGraw- Hill, 1982. 3. Resoluções das questões 29 e 30 Questão 29. Como a vazão Q e a altura manométrica HB devem ser as mesmas, independentemente da frequência da rede, a potência W fornecida ao fluido de peso específico é: Sabendo que , sendo é a massa específica do fluido e g, a aceleração da gravidade, o peso específico fica: Î Assim, a potência fornecida ao fluido é: Î Como a altura manométrica da bomba deve ser a mesma nas duas situações e sabendo que o coeficiente manométrico da bomba (ψ) é um Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 133 Questões 31 e 32 Questão 31. 3129 Considere uma parede plana submetida a um processo de condução unidimensional em regime permanente, com condutividade térmica e geração de calor constante. O fluxo de calor por unidade de área nessa parede é constante ao longo da espessura da mesma. A distribuição de temperatura na espessura dessa parede é linear. Analisando essas afirmações, conclui-se que A. As duas afirmações são verdadeiras, e a segunda justifica a primeira. B. As duas afirmações são verdadeiras, e a segunda não justifica a primeira. C. A primeira afirmação é verdadeira, e a segunda é falsa. D. A primeira afirmação é falsa, e a segunda é verdadeira. E. As duas afirmações são falsas. Questão 32. 3230 Medições de temperatura através de termopares foram executadas em vários pontos de uma peça que era resfriada por uma corrente de ar. Ao serem examinados estes dados experimentais, constatou-se que as variações de temperatura eram muito pequenas ao longo da profundidade e da largura da peça. Todos os termopares acusaram uma sensível variação de temperatura ao longo do tempo. Uma possível conclusão dessa análise é: A. Uma análise bidimensional em regime permanente é uma modelagem adequada para a distribuição de temperatura na peça. B. Uma análise unidimensional transiente da equação geral da condução de calor é uma modelagem adequada para a distribuição de temperatura na peça. C. A distribuição de temperatura depende fortemente das três direções espaciais. D. O conceito de resistência térmica de condução é suficiente para a modelagem do problema acima descrito. E. O modo de transferência de calor preponderante é a radiação térmica. 31 Questão 23 – Enade 2008. 32 Questão 18 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 134 1. Introdução teórica 1.1. Mecanismos de transferência de calor A transferência de calor pode ser definida como a transferência de energia de uma região para outra, como resultado da diferença de temperatura entre elas. Os mecanismos de transferência de calor são condução, radiação e convecção. A condução e a radiação dependem somente da diferença de temperatura entre dois pontos e de um meio de propagação para que elas ocorram. A convecção depende da diferença de temperaturas e do transporte de massa para que ela ocorra (KREITH, 1995). 1.2. Condução O fluxo de calor que atravessa uma parede plana, em regime permanente, é diretamente proporcional à área A da superfície normal ao gradiente de temperaturas (lei de Fourier). A figura 1 mostra uma parede de espessura L sendo atravessada por fluxo de calor , com perfil de temperaturas linear. A diferença de temperatura ΔT é dada por T 2 -T 1 . O coeficiente de condutividade térmica do material da parede é indicado por k. L x T T1 T2 T(x) -( T/ x) q A Figura 1. Fluxo de calor atravessando uma parede (adaptado de KREITH, 1995). Para a parede da figura 1 (KREITH, 1995): . . . T L A k q . T L k Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 135 Assim, o fluxo ’ por unidade de área fica: . . , T L k A q q . T L k A q Note que o fluxo varia inversamente com a espessura L da parede. Quando a maior das temperaturas, indicada por T 1 , diminui com o tempo t, a quantidade de calor transferida é cada vez menor. Logo, a temperatura em cada ponto da parede varia com o tempo. Nesse caso, dizemos que estamos no regime transiente (BRAGA FILHO, 2004). Na figura 2, a parte (a) representa o perfil de temperaturas em um regime permanente e a parte (b) em um regime transiente. Figura 2. Perfil de temperaturas em uma parede plana (BRAGA FILHO, 2004). No regime permanente, a distribuição de temperaturas ao longo da espessura da parede é linear. Isso não ocorre no regime transiente. 1.3. Convecção A convecção pode ser definida como o processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido pela ação combinada de condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura (BRAGA FILHO, 2004). O mecanismo da convecção pode ser mais facilmente entendido considerando, por exemplo, uma placa aquecida sendo refrigerada pelo ar de um ventilador, como mostrado na figura 3. Figura 3. Convecção forçada em uma placa (BRAGA FILHO, 2004). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 136 A velocidade da camada de ar próxima à superfície é muito baixa em razão do atrito existente entre o ar e a placa. Nessa região, o calor é transferido por condução. Ocorre, portanto, armazenamento de energia pelas partículas presentes nessa região. Na medida em que essas partículas passam para a região de alta velocidade, elas são transportadas pelo fluxo, transferindo calor para as partículas mais frias. Dizemos que a convecção foi forçada, pois o movimento de transferência de massa foi induzido por um agente externo, no caso, o ventilador (BRAGA FILHO, 2004). Supondo que o ventilador seja retirado, as partículas que estão próximas à superfície continuam recebendo calor por condução e armazenando energia. Essas partículas têm sua temperatura elevada e densidade reduzida. Já que são mais leves do que as demais, elas sobem trocando calor com as partículas mais frias (e mais pesadas), que descem, em um processo chamado de convecção natural (KREITH, 1995). Um exemplo de convecção natural é o aquecimento de um recipiente com água. Quando a chama é ligada, o calor é transferido, primeiramente, por condução, a partir do fundo do recipiente. Em certo momento, a água começa a fazer bolhas. Essas bolhas são, de fato, regiões locais de água quente subindo para a superfície, levando calor da parte quente para a parte mais fria no topo, por convecção. Ao mesmo tempo, a água mais fria, mais densa, do topo afundará e será, subsequentemente, aquecida (KREITH, 1995). Esse movimento está representado na figura 4 (BERTULANI, 2010). Figura 4. Convecção natural em um recipiente com água (BERTULANI, 2010). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 139 Questão 33 Questão 33. 3331 Em um estudo para identificar as possíveis causas das perdas no processo de fabricação de peças mecânicas, aplicou-se a ferramenta do controle de qualidade conhecida como Diagrama de Causa e Efeito ou Diagrama de Ishikawa. Durante as discussões, foram identificadas algumas possíveis causas e/ou razões, as quais foram incluídas no diagrama mostrado abaixo. De forma a completar o diagrama, de acordo com a metodologia 6M, os quadros identificados com os números de 1 a 6 devem ser preenchidos, respectivamente, com os seguintes termos: A. Meio ambiente, Medições, Materiais, Mão-de-obra, Máquinas e Métodos. B. Meio ambiente, Materiais, Medições, Mão-de-obra, Máquinas e Métodos. C. Meio ambiente, Medições, Máquinas, Métodos, Materiais e Mão-de-obra. D. Medições, Materiais, Métodos, Máquinas, Meio ambiente e Mão-de-obra. E. Medições, Materiais, Máquinas, Métodos, Meio ambiente e Mão-de-obra. 1. Introdução teórica Os diagramas de causa e efeito, também conhecidos como diagramas de Ishikawa, correspondem a um método efetivo para determinar raízes de problemas encontrados na produção (SLACK, 1997). 33 Questão 36 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 140 Esses diagramas de causa e efeito acrescentam, de forma explícita, algumas possíveis respostas aos problemas, conforme exemplificado na figura 1 (SLACK, 1997). Equipamento Força de Trabalho Materiais Método Dinheiro Efeito Figura 1. Diagrama de causa e efeito (SLACK, 1997). Esses diagramas, também conhecidos como diagramas de “espinha de peixe”, são muito usados em programas de melhoramento (SLACK, 1997). O procedimento para traçar um diagrama de causa e efeito está descrito a seguir (SLACK, 1997). Passo 1 – Colocar o problema na caixa efeito. Passo 2 – Identificar as principais categorias para causas prováveis do problema. As cinco mais comuns são: equipamento, força de trabalho, materiais, métodos e procedimento e dinheiro (figura 1). Passo 3 – Buscar as causas que estão gerando o efeito. Passo 4 – Registrar todas as causas potenciais e discutir cada item. A figura 2 é um exemplo desse tipo de diagrama usado na análise de um caso ocorrido na Hewlett-Packard, em que o problema eram os toners defeituosos (SLACK, 1997). Figura 2. Diagrama de causa e efeito no caso dos toners defeituosos da Hewlett-Packard (SLACK, 1997). Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 143 Questão 34 Questão 34. 3432 O produto final de uma empresa siderúrgica é, freqüentemente, a matéria- prima para a fabricação de diversos produtos. As análises da composição química e da microestrutura são ensaios fundamentais para o controle de qualidade de uma liga Fe-C. Para que uma empresa siderúrgica obtenha a certificação de que o sistema de qualidade implantado está de acordo com as normas da série ISO 9000, é necessário e suficiente que A. Um órgão credenciado realize uma auditoria na empresa e forneça um certificado. B. O departamento de controle de qualidade tenha condições para realizar o maior número possível de ensaios. C. O controle estatístico do processo seja aplicado utilizando, como atributo, as tolerâncias dimensionais do material. D. O controle estatístico do processo seja aplicado utilizando, como atributo, as tolerâncias para a composição química da liga. E. A microestrutura final do produto, dependente de uma combinação de fatores, entre eles a velocidade de resfriamento e a composição química da liga, seja a mais refinada possível. 1. Introdução teórica A série ISO 9000 forma um conjunto de padrões de procedimentos que estabelece exigências para os sistemas de administração de qualidade das empresas. A ISO 9000 é usada como referência para a garantia da qualidade (SLACK, 1997). Para que uma empresa receba a certificação ISO 9000, ela deve ter avaliação externa dos seus padrões e procedimentos de qualidade. Além disso, para a manutenção desse certificado, são feitas auditorias regulares cuja finalidade é assegurar que os sistemas não se deteriorem (SLACK, 1997). 34 Questão 34 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 144 As séries ISO proporcionam recomendações detalhadas para estabelecimento de sistemas de qualidade (SLACK, 1997). Assim, temos as séries citadas abaixo. ISO 9000 – trata da administração da qualidade e padrões de garantia. ISO 9001 – trata do modelo de sistemas de qualidade para garantia de qualidade de projeto, desenvolvimento, instalação e manutenção. ISO 9002 – trata do modelo de sistemas de qualidade para garantia em produção e instalação. ISO 9003 – trata do modelo de sistemas de qualidade para garantia na inspeção e testes finais. ISO 9004 – trata dos elementos da administração da qualidade e do sistema de qualidade. O propósito da ISO 9000 é fornecer a garantia, aos compradores de produtos ou serviços, de que foram produzidos de maneira a atender suas expectativas e necessidades (SLACK, 1997). Em geral, o motivo para as empresas obterem o certificado ISO 9000 é a pressão externa, isto é, a pressão dos seus clientes (SLACK, 1997). 2. Indicação bibliográfica SLACK, N. et al. Administração da produção. São Paulo: Atlas, 1997. 3. Análise das alternativas A – Alternativa correta. JUSTIFICATIVA. Para que uma empresa receba o certificado ISO 9000, ela deve ter avaliação externa dos seus padrões e procedimentos de qualidade. Além disso, para a manutenção desse certificado, são feitas auditorias regulares a fim de assegurar que os sistemas não se deteriorem (SLACK, 1997). B – Alternativa incorreta. JUSTIFICATIVA. Um grande número de ensaios não garante que o processo atende às exigências de qualidade. Um ensaio é apenas uma determinação do Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 146 Questões 35, 36 e 37 Questão 35. 35 Um engenheiro de uma grande fábrica do setor automobilístico foi designado para acompanhar um grupo de alunos do curso de Engenharia de uma universidade local para uma visita técnica a algumas dependências da fábrica. O grupo visitará o setor de usinagem das peças do câmbio e da suspensão (galpão 3) e o setor de estampagem (galpão 4). Apesar da recomendação de não poder tocar em peças e equipamentos, os alunos poderão se aproximar das máquinas para observar de perto as operações. Além de recomendar que todos compareçam usando calças compridas, sapatos fechados e cabelos presos, o engenheiro deverá disponibilizar os seguintes itens de segurança: A. Óculos contra impactos de partículas volantes; luvas de couro e jaleco. B. Óculos contra impactos de partículas volantes; capacete e protetor auricular. C. Óculos contra impactos de partículas volantes; máscara de proteção facial e luvas de couro. D. Óculos contra radiação infravermelha; capacete e protetor auricular. E. Óculos contra radiação ultravioleta; protetor auricular e máscara de proteção facial. 33 Questão 36. 36 A norma regulamentadora NR 17 visa a estabelecer parâmetros que permitam a adaptação das condições de trabalho às características psicofisiológicas dos trabalhadores, de modo a proporcionar o máximo de conforto, segurança e desempenho eficiente. A norma estabelece que, nos locais de trabalho onde são executadas atividades que exijam solicitação intelectual e atenção 35 Questão 33 – Enade 2008. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 147 constantes, sejam recomendadas as seguintes condições de conforto: níveis de ruído de acordo com o estabelecido na NBR 10152, índice de temperatura efetiva entre 20 o C e 23 o C, velocidade do ar não superior a 0,75 m/s e umidade relativa do ar não inferior a 40%. A regulamentação estabelecida pela NR 17, citada no texto, se deve ao fato de que: A. Em salas de desenvolvimento ou análise de projetos, as condições ambientais podem afetar o desempenho dos trabalhadores. B. Em locais fechados, a velocidade de circulação do ar depende das condições de temperatura e umidade do ar. C. Os homens e as mulheres podem exercer as mesmas funções, desde que respeitadas as condições ambientais. D. O empregador é responsável pela contratação de trabalhadores compatíveis com as condições de trabalho. E. A remuneração do trabalhador deve ser compatível com as condições ambientais oferecidas pelo empregador.34 Questão 37. 37 O nível de conforto do motorista de um caminhão está diretamente relacionado à segurança na execução do seu trabalho e depende fundamentalmente das acelerações às quais este motorista está submetido. O gráfico apresenta os níveis de sensibilidade de um ser humano, segundo a norma ISO 2631, relacionados às amplitudes ponderadas das acelerações a x (longitudinal), a y (lateral) e a z (vertical). 36 Questão 29 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 148 De modo a minimizar os efeitos das imperfeições do solo, as suspensões da cabine de um caminhão devem35 A. Filtrar sinais de baixa freqüência entre 1 e 2 Hz. B. Filtrar sinais de baixa freqüência entre 4 e 8 Hz. C. Filtrar sinais de alta freqüência acima dos 15 Hz. D. Amplificar sinais de baixa freqüência entre 1 e 2 Hz. E. Amplificar sinais de baixa freqüência entre 4 e 8 Hz. 1. Introdução teórica A Segurança do Trabalho é um conjunto de ciências e tecnologias que buscam a proteção do trabalhador em seu local de trabalho, referente às questões da segurança e da higiene. As Normas Regulamentadoras (NR) relativas à segurança e à medicina do trabalho são de observância obrigatória pelas empresas privadas e públicas e pelos órgãos públicos da administração direta e indireta, bem como pelos órgãos dos Poderes Legislativo e Judiciário que tenham empregados regidos pela Consolidação das Leis do Trabalho – CLT (OLIVEIRA, 2009). As disposições contidas nas NRs aplicam-se, no que couber, aos trabalhadores avulsos, às entidades ou às empresas que lhes tomem o serviço e aos sindicatos representativos das respectivas categorias profissionais. 37 Questão 28 – Enade 2005. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 149 São 33 NRs que visam a dar ao trabalhador toda a proteção de que ele necessita, para que, assim, ele possa exercer suas funções com o maior conforto possível e com a eficácia necessária. A NR-17 visa a estabelecer parâmetros que permitam a adaptação das condições de trabalho às características psicofisiológicas dos trabalhadores, de modo a proporcionar o máximo de conforto, segurança e desempenho eficiente. As condições de trabalho incluem aspectos relacionados ao levantamento, transporte e descarga de materiais, ao mobiliário, aos equipamentos e às condições ambientais do posto de trabalho e à própria organização do trabalho. Nos locais de trabalho onde são executadas atividades que exijam solicitação intelectual e atenção constantes (salas de controle, laboratórios, escritórios, salas de desenvolvimento ou análise de projetos), são recomendadas as seguintes condições de conforto (NR-17 apud COSTA, 2009): níveis de ruído de acordo com o estabelecido na NBR 10152; índice de temperatura efetiva entre 20 O C e 23 O C; velocidade do ar não superior a 0,75 m/s; umidade relativa do ar não inferior a 40%. A NR-15 visa a definir parâmetros para um ambiente vibratório que permitam a adaptação das condições de trabalho às características psicofisiológicas dos trabalhadores, estabelecendo níveis máximos de vibração, utilizando o dado especificado pelas recomendações da norma internacional ISO 2631, de modo a proporcionar o máximo de conforto, segurança e desempenho eficiente (COSTA, 2009). O funcionamento de máquinas e veículos e a manipulação de ferramentas produzem vibrações que são transmitidas ao conjunto do organismo de forma diferente a cada parte do corpo. Cada parte do corpo pode tanto amortecer como ampliar as vibrações. As ampliações ocorrem quando partes do corpo passam a vibrar na mesma frequência (ressonância). De maneira geral, o corpo inteiro é mais sensível para vibrações que se encontram na faixa entre 4 e 8 Hz, que corresponde à frequência de ressonância na direção vertical (eixo z). Nas direções x e y, as ressonâncias Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 150 ocorrem em frequências mais baixas, de 1 a 2 Hz. Na figura 1 estão representadas as direções x, y e z. Figura 1. Direções x, y e z para uma pessoa em posição sentada (PIANELLI, 2010). Os efeitos da vibração direta sobre o corpo humano podem ser extremamente graves, chegando a danificar permanentemente alguns órgãos do corpo humano. As vibrações danosas ao organismo estão nas frequências de 1 a 8 Hz, provocando lesões nos ossos, juntas e tendões (SANTOS, 2010). Alguns dos efeitos da vibração sobre o corpo humano são: visão turva, perda de equilíbrio, falta de concentração e perda da capacidade manipuladora. Em toda atividade, estão previstos equipamentos de proteção laboral de caráter individual (EPI) para proteger o trabalhador e equipamentos de caráter coletivo (EPC) para proteger todos aqueles que se encontram no ambiente de trabalho (OLIVEIRA, 2009). Os EPIs são regulamentados pela norma NR-6, que considera EPI todo dispositivo de uso individual destinado a proteger a saúde e a integridade física do trabalhador. A empresa é obrigada a fornecê-los gratuitamente aos empregados. O EPI deve ser utilizado em lugares onde exista risco no serviço que não possa ser removido por outros meios (ou em situações emergenciais), tais como locais nos quais houver fumos; névoas e vapores tóxicos ou irritantes; manuseio de cáusticos, corrosivos, ácidos, materiais inflamáveis; calor excessivo; perigo de impacto de partículas ou estilhaços que voam; perigo de queda de objetos sobre os pés; perigo de queimaduras; ruído etc. Os EPIs são classificados em (OLIVEIRA, 2009): Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 151 EPI PARA PROTEÇÃO DA CABEÇA EPI PARA PROTEÇÃO DOS OLHOS E FACE EPI PARA PROTEÇÃO AUDITIVA EPI PARA PROTEÇÃO RESPIRATÓRIA EPI PARA PROTEÇÃO DO TRONCO EPI PARA PROTEÇÃO DOS MEMBROS SUPERIORES EPI PARA PROTEÇÃO DOS MEMBROS INFERIORES EPI PARA PROTEÇÃO DO CORPO INTEIRO EPI PARA PROTEÇÃO CONTRA QUEDAS COM DIFERENÇA DE NÍVEL Com relação aos EPIs para proteção da cabeça, destaca-se o capacete, que pode ser dos seguintes tipos (OLIVEIRA, 2009): de segurança para proteção contra impactos de objetos sobre o crânio; de segurança para proteção contra choques elétricos; de segurança para proteção do crânio e face contra riscos provenientes de fontes geradoras de calor nos trabalhos de combate a incêndio. Com relação aos EPIs para proteção dos olhos e face, destacam-se os óculos, que podem ser dos seguintes tipos (OLIVEIRA, 2009): de segurança para proteção dos olhos contra impactos de partículas volantes; de segurança para proteção dos olhos contra luminosidade intensa; de segurança para proteção dos olhos contra radiação ultravioleta; de segurança para proteção dos olhos contra radiação infravermelha; de segurança para proteção dos olhos contra respingos de produtos químicos. Com relação aos EPIs para proteção auditiva, destaca-se o protetor auditivo, que pode ser dos seguintes tipos (OLIVEIRA, 2009): circum-auricular para proteção do sistema auditivo contra níveis de pressão sonora superiores ao estabelecido na NR - 15; auditivo de inserção para proteção do sistema auditivo contra níveis de pressão sonora superiores ao estabelecido na NR - 15; auditivo semi-auricular para proteção do sistema auditivo contra níveis de pressão sonora superiores ao estabelecido na NR - 15. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 152 Com relação aos EPIs para proteção respiratória, destaca-se o respirador purificador de ar, que pode ser dos seguintes tipos (OLIVEIRA, 2009): para proteção das vias respiratórias contra poeiras e névoas; para proteção das vias respiratórias contra poeiras, névoas e fumos; para proteção das vias respiratórias contra poeiras, névoas, fumos e radionuclídeos; para proteção das vias respiratórias contra vapores orgânicos ou gases ácidos em ambientes com concentração inferior a 50 ppm (parte por milhão); para proteção das vias respiratórias contra gases emanados de produtos químicos; para proteção das vias respiratórias contra partículas e gases emanados de produtos químicos; motorizado para proteção das vias respiratórias contra poeiras, névoas, fumos e radionuclídeos. 2. Indicações bibliográficas COSTA, A. T. Manual de segurança e saúde no trabalho. São Paulo: Difusão, 2009. OLIVEIRA, C. A. D. Segurança e medicina do trabalho. São Paulo: Yendis, 2009. PIANELLI, C. Vibração em corpo inteiro em operadores de empilhadeiras. Artigo apresentado no 12º Congresso de Atuação Responsável, jun. 2009. REIS, R. S. Segurança e medicina do trabalho. São Paulo: Yendis, 2008. SANTOS, N. Fundamentos da ergonomia – condições ambientais de trabalho. Disponível em http://www.eps.ufsc.br/ergon/disciplinas/EPS5225/ aula6.Htm>. Acesso em 06 out. 2010. 3. Análise das alternativas Questão 35. A e C – Alternativas incorretas. JUSTIFICATIVA. As luvas de couro são EPIs para proteção dos membros superiores e foi indicado aos estudantes que não tocassem em peças e equipamentos. Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 155 Questão 38 Questão 38. 38 Deseja-se utilizar coletores solares para aquecimento de água em um hospital. Devem ser aquecidos 1800 litros de água de 25 °C para 45 °C em duas horas. Determine quantos coletores de 2,0 m 2 de área devem ser instalados, supondo que 50% da energia solar seja efetivamente empregada para o aquecimento. Considere: calor específico da água: 4000 J/kg°C energia incidente: 800 W/m 2 361. Introdução teórica Os aquecedores solares são usados para o aquecimento de água pelo aproveitamento da radiação solar. A figura 1 mostra um aquecedor desse tipo (BURATTINI, 2008). Figura 1. Aquecedor solar (BURATTINI, 2008). Em um aquecedor solar, a energia solar que incide sobre o coletor é dada por (BEZERRA, 2001): 38 Questão 4 – Discursiva – Enade 2005. Coletor Engenharia Mecânica – VOLUME ÚNICO - CQA/UNIP 156 Na expressão anterior, E I é a energia solar incidente, I é a intensidade de radiação solar por unidade de área, A é a área de incidência e ∆t é o tempo de incidência. A radiação solar varia de acordo com a posição geodésica e o uso de coletores deve ser tal que a direção de incidência seja normal à superfície de incidência (PEREIRA, 2000). A figura 2 mostra a posição ideal para um coletor solar com relação à incidência dos raios solares. Figura 2. Posição ideal de um aquecedor solar (REFORMAFACIL, 2011). A eficiência de um aquecedor solar é a relação entre a energia E transferida para o fluido e a energia E I solar incidente no coletor (BEZERRA, 2001): Sendo m a massa do fluido aquecido, c o calor específico do fluido a pressão constante e ∆T a variação de temperatura que o fluido sofrerá, a energia transferida para o fluido é dada por: Assim, a eficiência do trocador é dada por (BEZERRA, 2001): 2. Indicações bibliográficas BEZERRA, A. M. Aplicações térmicas da energia solar. João Pessoa: Universidade Federal da Paraíba, 2001. BURATTINI, M. P. T. C. Energia, uma abordagem multidisciplinar. São Paulo: Livraria da Física, 2008.