Método de acoplar o cabo ao foguete e provas de conceito

A fim de tornar o foguete construído até agora em um mecanismo de passagem de cabos-guia, é necessário que o foguete possua a capacidade de transportar um cabo de aço (Figura 1) com facilidade e sem chances de falhar. Após diversas tentativas falhas de acoplar um cabo-guia ao foguete, como utilizar Silver Tape ou simplesmente amarra-lo no foguete, foi observado que há a necessidade de um sistema para que o o cabo fique firme ao foguete e que não possua chances de soltar durante a trajetória. Para isso, o Time do Foguete decidiu que seria utilizado o sistema com um cordão de sisal e  um mosquetão (Figura 2).

Figura 1: Fonte própria

Figura 2: Fonte própria

Para fixar o cabo ao mosquetão foi utilizado um tipo de nó de forca a fim de manter os dois unidos (Figura 3), visto que esse nó é o melhor para essa ocasião e material. E, para unir o mosquetão junto ao cabo à garrafa, foi utilizado o cordão de sisal a garrafa por esse ser muito resistente e não ser metálico, evitando, assim, o uso de materiais desse tipo no corpo do foguete.

Figura 3: Fonte própria

Além disso, nessa semana foram também realizadas as provas de adequação dimensional, eficácia estrutural e eficácia de lançamento. Na primeira prova, 6 das 13 dimensões medidas ultrapassaram o a tolerância de +/- 5%, devido a erros nos projetos e na execução da montagem da base e do foguete. 

Na prova de eficácia estrutural, a plataforma, juntamente com o sistema de propulsão, teve seu sua massa medida, apresentando um valor de cerca de 1,8 kg, 0,3 kg menor do que o valor de pontuação máxima para essa prova. Além disso, foi constatado que cerca de 36% da massa da base é composta por material reciclado (palito de picolé). 

Na prova de eficácia de lançamento, foram realizados cerca de 10 lançamentos, dentre os quais 2 fizeram com que o cabo guia ultrapassasse a cerca do local de lançamento, e nenhum acertou o alvo pretendido. Tal erro foi causado por um problema na vedação, consequente da folga de uma das peças, que teve que ser substituída poucas horas antes da prova, que fez com que muita água vazasse antes que o foguete pudesse ser lançado, logo, não era possível alcançar a pressão desejada para que o alvo fosse atingido. Durante essa prova, a base foi engastada ao chão utilizando estacas de aço (figura 2), que seguravam a base a partir da inclinação em sua ponta, e foram fixadas no chão com o auxílio de um martelo. Como determinado, a plataforma suportou o empuxo do foguete, assim como seu peso, sem tombar ou romper. Como durante testes anteriores a cola utilizada para unir os palitos cedeu quando molhada, durante a prova foi preciso envolver a plataforma de lançamento com plástico, a fim de manter as características da mesma ao longo dos lançamentos. A versão final da base, após o fim dos lançamentos, pode ser observada na figura 5 a seguir.

Figura 4: Estaca de aço utilizada para engastar a base ao chão.

Fonte: echo life

Figura 5: Versão final da plataforma de lançamento.

Fonte: Própria

Postado por: Victor Improta, Vinicius Sampaio e Mariana Mendes Wilfinger.

Cálculo de trajetória de lançamento e montagem da base

A fim de determinar o ângulo ideal do lançamento do foguete sobre determinadas condições, foi criado um modelo matemático, utilizando como base o programa Excel. Em primeiro lugar,  construiu-se um gráfico de dispersão com dados das coordenadas de 15 pontos específicos, medidos através de uma trena, para reproduzir o espaço percorrido do foguete. Assim, o gráfico gerado pode ser visto na figura 1:

Figura 1: Fonte própria.

Posteriormente, foram escolhidos cinco parâmetros para o movimento foguete, que são:

- As coordenadas iniciais (x0,y0)

- O ângulo (ϴ) 

-  O comprimento do trecho  propulsionado (Lp)

-  A velocidade do fim do trecho propulsionado

Para o calculo do ângulo ideal, foram feitas uma séries de ajustes para formar uma parábola que ligasse o ponto das coordenadas do ponto de saída ate as coordenadas do ponto de chegada. A primeira delas, se diz respeito a criação de uma reta, que representa o movimento propulsionado, com base nas coordenadas de dois pontos, o de saída do foguete e o fim do movimento propulsionado, no qual as suas coordenadas x_f e y_f calculada através das seguintes equações:

Sendo “Lp” o considerado com a altura do fim do trecho propulsionado, medido através do programa “Tracker”:

A segunda, esta relacionado com a criação de uma parábola para o movimento parabólico.  Em primeiro lugar, foi listado uma serie de valores para a coordenada x. Depois disso, foi calculada a coordenada da posição y através da seguinte equação do movimento obliquo, no qual é relacionada a coordenada y em função de x:

Sendo V_i  a velocidade inicial do trecho parabólico.

Assim, com as coordenadas (x,y) dos pontos calculados, foi gerado uma parábola que saía do ponto inicial, e conforme as manipulações dos parâmetros citados, poderia passar pelo alvo.

Para que o início do movimento parabólico coincidisse com o final do movimento propulsionado, foram somados os valores de x e y do ponto final do primeiro movimento à equação.

Devido a sua complexidade, o cálculo foi feito de modo iterativo, com base nos resultados experimentais. Assim, utilizando a ferramenta Solver do Excel, foi estipulado que a parábola passasse pelo ponto do centro do alvo, ao deixar que ela calculasse o ângulo ideal de lançamento, com os outros parâmetros fixos.

Para os parâmetros fixos determinados pelo grupo através do “Tracker”, que foram (X_o =1m, Y_o= 0,5 m, Lp= 3,98m, Vi= 25,2 m/s^2), o “Solver” determinou que o ângulo ideal fosse de 71,536°.
Assim, para os valores calculados, pode-se ver como ficou o gráfico do movimento na figura 2:

Figura 2: Fonte própria.

Apesar dos cálculos citados, este modelo matemático não possui 100 % de precisão, na medida em que é importante pontuar que, para este modelo matemático, foram desconsiderados a resistência do ar e as consequências acarretadas pelo peso do cabo guia.

Além disso, nessa semana o time plataforma iniciou a montagem da treliça que irá compor a plataforma de lançamento, utilizando palitos de picolé de madeira pinus, cola de madeixa e massa epoxi, verificando a conformidade dos cálculos de acordo com a força de empuxo encontrada pelo time foguete.

Foi, também, realizada uma reunião com o coordenador de Engenharia Mecânica Guilherme Oliveira, na qual foi discutida a validade dos cálculos feitos pela equipe para a tensão admissível suportada pela plataforma, além do método de engaste da mesma no chão durante o lançamento. Na reunião, foi constatado que o fator de segurança de 5 utilizado para os cálculos estava muito maior do que  necessário, o que fez com que uma quantidade de palitos muito grande devesse ser utilizada para que o sistema não estivesse subdimensionado. Como alternativa, foi utilizado um fator de 3, considerado aceitável para projetos com madeira. Assim, a treliça será composta por membros formados de 3 palitos.

Para testar a veracidade dos cálculos, foi feito um modelo em escala reduzida da base, utilizando a quantidade calculada de palitos. O modelo pode ser observado na figura 3 a seguir. Foi contatado que a força exercida pelo foguete será completamente suportada pela treliça.

Figura 3: Modelo em escala reduzida da treliça que irá compor a base de lançamento.

Fonte: Própria.

Referências:

[1] H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica 1: Mecânica, 4a edição, Editora Edgard Blücher, 2002. 

Postado por  Tiago Lobo Oliveira, Rafaela Gonçalves de Almeida, Mariana Mendes Wilfinger e Marco Travessa.

Modelo do foguete no Solid Works e mudanças na plataforma

Prezados leitores, essa semana o time foguete se reuniu para modelar o foguete mostrado na postagem do dia 5 de novembro de 2016. Obteve-se uma modelagem com as características mais próximas da realidade possíveis, como se pode ver na figura 1:

Figura 1: Modelo SolidWorks do foguete.

Fonte: Própria.

Através da modelagem no Solid Works, o time do foguete vai obter ao menos duas informações sobre as características do foguete.

A primeira delas é referente a onde sera o seu centro de massa. Tal informação será bastante útil, na medida em que o time ira prender o fio, que deve ser transportado no lançamento oblíquo, por volta do seu centro de massa, fazendo com o que, assim, a adição do fio ao foguete não altere tanto a trajetória do mesmo.

A segunda se diz respeito a determinação do coeficiente  de arrasto aerodinâmico (b) do foguete, visto que esta informação é fundamental para determinar a força da resistência do ar sobre o foguete, dado pela equação 1:

Eq. 1 : F=-b.v^2

Além disso, o modelo da base foi modificado duas vezes ao longo dessa semana. Primeiramente pois o modelo inicial não transmitia a força aplicada ao longo da treliça, pois a força seria aplicada no centro de um dos membros e não em um dos seus nós. Para resolver esse problema, um membro vertical foi adicionado ao centro da treliça, entretanto, como esse novo membro representava a única componente vertical na qual a força seria dividida no ponto de aplicação da força, todo o empuxo do foguete seria direcionado apenas para esse membro, fazendo com que a treliça não servisse para o seu propósito, por não distribuir as cargas aplicadas.

Portanto, um novo modelo de treliça foi pensado pela equipe, dessa vez distribuindo as forças de forma conveniente. Os cálculos já foram realizados, e a montagem já foi iniciada. Os desenhos mecânicos da nova plataforma, assim como os cálculos estruturais, serão disponibilizados nesse blog ao longo das próximas semanas.

Referências:

[1] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física – Volume 1 – Mecânica. 6ª edição, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro, 2001.

Postado por  Tiago Lobo Oliveira e Mariana Mendes Wilfinger.

Resumo do Relatório de Lançamento Vertical e Seleção de Materiais

Nessa semana, o time do foguete fez o relatório referente ao teste de lançamento vertical que será entregue ao orientador Targino Amorim e ao coordenador Dr. Guilherme Souza. Esse relatório, teve como objetivo analisar o movimento vertical de um projétil, assim como calcular a velocidade, a aceleração e o empuxo em um certo intervalo do movimento, sendo que o empuxo, calculado por nós neste documento, será utilizado na análise dos testes de lançamento oblíquo. Este relatório é importante para o desenvolvimento de futuras análises, inclusive a dos testes de lançamento oblíquo, como também para referência de lançamentos similares.

Já o time da plataforma produziu um relatório no qual foram caracterizados os materiais utilizados para a confecção da base de lançamento do foguete. Algumas especificações da estrutura treliçada, requisitos mínimos para à escolha dos materiais, facilidade para construção, reciclabilidade foram pontos levados em consideração. Ocorreu também a escolha dos materiais utilizados, que devem admitir baixa densidade, alta resistência a esforços mecânicos e de fácil manuseio, podendo assim, desenvolver uma base segura e precisa. Testes foram realizados a fim de chegar a um material que apresente as melhores características citadas a cima. A comparação ficou evidenciada quando três materiais foram postos em comparação: a MDF (médium-densityfibreboard), a madeira Pinus e um polímero, tubo de PVC. No relatório, foi evidenciada cada característica de cada material testado e suas conclusões quanto a sua utilização válida.

Postado por: Álvaro Dantas, Kaique Dias e Vinícios Sampaio

Nova versão do foguete e teste de lançamento oblíquo.

  Essa semana, o time do foguete produziu um novo foguete. Como mostrado  na figura 1, ele é composto por:

. Saia de garrafa Pet.

. Aletas de polipropileno copolímero.

. 2 garrafas Pets retornáveis de 2 litros da coca cola.

. Silver tape.

. Bola de tênis.

. Macarrão de piscina.

. Garrafa Pet de 500 mL.

Ao comparar o novo foguete com o antigo, mostrado na postagem do dia 23 de outubro de 2016, notam-se algumas diferenças, embasadas no fato de que as modificações feitas pelo time melhoram a trajetória que o foguete deve alcançar.

A primeira delas é a utilização de uma saia de garrafa Pet, como mostrado na figura 2, visto que ela é muito importante para a estabilidade do foguete em sua trajetória.

A segunda, é a substituição de aletas feitas de pastas catálogo para aletas feitas de polipropileno copolímero, na medida em que o material das novas aletas é mais resistente e, desse modo, propõe maior estabilidade ao foguete.

A terceira diz respeito a utilização da Silver tape como material de colagem entre as partes do foguete, pois ela, assim como os outros matérias novos acoplados, possui maior resistência em relação ao material antigo, que nesse caso era a fita adesiva.

A ultima delas, é a utilização do macarrão de piscina e da garrafa Pet de 500 ml. Essa modificação teve por objetivo aumentar o tamanho do foguete e a massa em sua extremidade, mantendo uma boa aerodinâmica, visto que é possível que o foguete seja mais preciso caso seu comprimento seja maior.

Desse modo, com as modificações realizadas pelo time, o comprimento do foguete passou de 60 cm para 87 cm.

Além disso, o time também realizou testes de lançamento oblíquo, que podem ser vistos no vídeo 1. A análise do lançamento será realizada posteriormente. No primeiro teste, o foguete pousou a 5 m de distância do centro do alvo (figura 4).

Figura 1: Foguete

Fonte: Própria.

 Figura 2: Saia com aletas vista frontal.

Fonte: Própria.

Figura 3: Saia com aletas vista lateral.

Fonte: Própria.

Figura 4: Pouso do foguete a 5 m do centro do alvo.

Fonte: Própria.

Vídeo 1: Lançamento Oblíquo

Fonte: Própria.

Postado por: Rafaela Gonçalves de Almeida e Tiago Lobo Oliveira

Primeira versão da plataforma e ensaios mecâncios

Essa semana, o time da base se reuniu com o orientador do projeto, a fim de decidir o tipo de base e de sistema de ajuste de angulação que serão utilizados. Cada integrante do time apresentou uma ideia diferente, e foi decidido que, até então, a base será composta por duas “placas” treliçadas, conectadas entre si. A base em geral será feita de palitos de picolé de madeira Pinus, e o sistema de ajuste da angulação será feito com tubos de PVC. É provável que o modelo da treliça seja modificado futuramente, uma vez que a equipe ainda não possui conhecimento suficiente acerca das treliças para decidir o tipo adequado para a força que será aplicada. O primeiro modelo da base pode ser observado na figura 1, o sistema de ajuste da angulação na figura 2, e o sistema completo na figura 3. 

Observação: Os desenhos não evidenciam a maneira como o sistema de angulação será acoplado à plataforma, mostram apenas as ideais centrais que foram pensadas durante a reunião. Além disso, esse não é o modelo final da plataforma, assim como estes não são os desenhos mecânicos oficiais que devem ser entregues na terceira entrega do projeto.

Figura 1: Primeiro modelo da plataforma de lançamento.

Fonte: Própria.

Figura 2: Primeiro modelo do sistema de angulação do lançamento.

Fonte: Própria.

Figura 3: Montagem do sistema de ajuste da angulação acoplado à plataforma.

Fonte: Própria.

O orientador apontou que a largura superior da treliça deve ser 30% da largura inferior, de modo a fazer com que o centro de gravidade da plataforma seja deslocado para baixo, aumentando a estabilidade da base. O sistema de engaste da plataforma ao chão deverá ser definido em futuras reuniões, e poderá, assim como o sistema de angulação e de propulsão, ser formado com materiais metálicos.

Além disso, nessa semana a equipe realizou os ensaios mecânicos dos materiais utilizados na base. Foram realizados ensaios de tração com 1 e 3 palitos de picolé, e de flexão, também com 1 e 3 palitos. Foram realizados 3 testes para cada tipo de corpo de prova. Os resultados dos testes e a análise deles serão apresentados no relatório de caracterização do material da base, a ser entregue no dia 12/11. A figura 4 a seguir mostra a máquina universal de ensaios realizando o teste de tração com 3 palitos, e a figura 5 mostra o teste de flexão sendo realizado com 3 palitos.

Figura 4: Ensaio de tração com corpo de prova composto por 3 palitos de picolé.

Fonte: Própria.

Figura 5: Ensaio de flexão com corpo de prova composto por 3 palitos de picolé.

Fonte: Própria.

Postado por: Mariana Mendes Wilfinger.

Seleção de materiais

Essa semana, a equipe decidiu os materiais que irão compor a plataforma, o foguete e o sistema de propulsão. Apesar de os materiais descritos a seguir representarem a maior parte do sistema, alguns podem ser acrescentados ou retirados ao longo do projeto, de acordo com os problemas que surgirem e as soluções que sejam decididas. Mais informações sobre as propriedades mecânicas dos materiais serão apresentadas em postagens seguintes, após os ensaios mecânicos que serão realizados no laboratório do SENAI Cimatec na segunda-feira (24/10).

Materiais da plataforma de lançamento:

Os materiais escolhidos para a base de lançamento foram:

• Madeira Pinus na forma de palitos de picolé ou churrasco
• Canos de PVC
• Luvas de PVC
• Cola quente

O material escolhido para a maior parte da base foi a Pinus, por conta da sua baixa densidade (cerca de 480 kg/m³. Em comparação, a Maçaranduba tem ρ=1.010 kg/m³, e a Angelim-pedra ρ =785 kg/m³). Outras madeiras de baixas densidades também foram consideradas, a exemplo da Murupá, e cedro (ρ=445 kg/m³ e 485 kg/m³, respectivamente), entretanto, utilizar placas de madeira dificultaria o processo de montagem das treliças, logo, a madeira com a qual os palitos de picolé e churrasco são fabricados se tornou a melhor opção.

Os canos e luvas de PVC (Policloreto de vinila) serão usados na base para compor o sistema de ajuste da angulação, que será explicado em postagens posteriores. O PVC é um polímero termoplástico amplamente utilizado por conta da versatilidade do seu manuseio e alta resistência química. O material apresenta relativamente grande capacidade de se deformar elasticamente, como pode ser observado na figura 1, logo, o disparo do foguete não deverá causar deformação no sistema de angulação.  Apesar de a sua densidade ser de cerca de 1400 kg/m³ (não ideal para um projeto no qual o peso do sistema completo deverá ser o menor possível), a versatilidade do material e sua alta resistência fizeram com que ele fosse escolhido até então.

Figura 1: Curva tensão deformação sob tração para DOP, PVC rígido, A, B e C.

A cola quente deverá ser utilizada para afixar os palitos entre si, além de unir o sistema de ajuste da angulação e a plataforma treliçada.

Materiais do foguete:

Os materiais escolhidos para o foguete foram:

• Garrafa PET retornável (Ref PET)
• Bola de tênis
• Pastas catálogo
• Fita adesiva

A garrafa PET retornável foi escolhida em detrimento da comum por conta da sua maior resistência ao impacto, decorrente do seu processo de fabricação diferenciado. O choque do foguete com o chão após o lançamento durante os teste era muito forte, e garrafas comuns não resistiam ao impacto. Com a garrafa retornável, apesar de o preço ser mais alto, a resistência do foguete é maior, diminuindo a quantidade de protótipos que deverão ser feitos.

A bola de tênis será fixada dentro da garrafa, próxima da extremidade superior, de modo a definir o centro de massa do foguete, melhorando a trajetória.

As pastas catálogo serão cortadas em forma de aletas e afixadas ao foguete, de modo a melhorar a aerodinâmica e a estabilidade do vôo do foguete, como pode ser visualizado nas imagens 2 e 3 a seguir:

Imagem 2: Primeira versão do foguete

Imagem 3 : Foguete equilibrado em seu centro de massa.

Materiais do sistema de propulsão:

Para o sistema de propulsão, os materiais escolhidos foram:

• Tubos de PVC
• Redução de PVC
• Luvas de PVC
• Cap de PVC
• Válvula de pneu
• Tiras de Nylon
• Braçadeira de metal
• Cola plástica

Os materiais de PVC foram escolhidos principalmente por conta da versatilidade do material. Devido a sua alta resistência mecânica, o Policloreto de vinila é o material ideal para compor o corpo do sistema de lançamento.

A braçadeira de metal e as tiras de Nylon foram os materiais escolhidos para fazer uma trava para o foguete nesse sistema. A braçadeira de metal é o material que mais se adequou para o que precisamos devido a sua facilidade de regular a circunferência do anel e a sua resistência. Já as braçadeiras de Nylon foram escolhidas pelo seu formato ideal para o que planejamos e pela sua flexibilidade, permitindo que possamos ter uma parte maleável e que não quebre com a tensão aplicada pela foguete, quando pressurizado, na trava.

A válvula do pneu será utilizada em conjunto a um Cap de PVC para vedar a terminação do sistema e permitir que a bomba de ar, que colocará pressão no sistema, se una àquele. O sistema pode ser observado na figura 4 a seguir:

Figura 4: Sistema de propulsão.

Referências:

[1] Braskem. Propriedades de referência dos compostos de PVC. Disponível em: <http://www.braskem.com.br/Portal/Principal/Arquivos/html/boletm_tecnico/Tabela_de_Propriedades_de_Referencia_dos_Compostos_de_PVC.pdf>. Acessado em: 21 de out de 2016.

[2] Casa da Duna. Madeiras brasileiras: Características. Disponível em: <http://www.casadaduna.com/seg/!port/caracteristicas-madeira-brasileira.html>. Acessado em: 20 de out de 2016.

[3] GRIZZO, Leandro H. Desenvolvimento de PVC reforçado com fibras de vidro longas para fabricação de produtos moldados. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-14282011000500006>. Acessado em: 21 de out de 2016.

[4] IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de SP. Informações sobre madeiras. Disponível em: <http://www.ipt.br/informacoes_madeiras3.php?madeira=7>. Acessado em: 20 de out de 2016.

[5] Roda, Daniel Tietz. Policloreto de Vinila (PVC). Disponível em: <http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/pvc.asp>. Acessado em: 21 de out de 2016.

Postado por: Victor Improta Moreira e Mariana Mendes Wilfinger.