Introdução à Engenharia Mecânica - tradução da 2a edição norte-americana

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Jonathan Wickert

Equilibrando habilidades de resolução de problemas, análise e execução de projetos, aplicações ao mundo real e à tecnologia prática, o autor fornece aos estudantes uma base contínua para o estudo futuro na engenharia mecânica. O texto traz aplicações diversas, como motores a explosão, fabricação rápida de protótipos, projetos de engenharia auxiliados por computador, nanotubos de carbono, robótica, imagem produzida por ressonância magnética, motores a jato, transmissões automáticas e energia solar. A obra conta ainda com muitos exemplos e ilustrações que facilitam o aprendizado, além de diversos problemas e exercícios para revisão.

Aplicações Livro recomendado para a disciplina introdução à engenharia mecânica nos cursos de graduação em Engenharia Mecânica.

Cálculo – Volumes 1 e 2 – 6a Edição James Stewart

Dinâmica Arthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Estática Arthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Mecânica dos Materiais

INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICA

Este livro traz uma abordagem introdutória ao campo da Engenharia Mecânica e proporciona aos estudantes uma visão de como os engenheiros projetam máquinas e ferramentas, as quais contribuem para o avanço de nossa sociedade.

Outras obras

James M. Gere

Mecânica dos Fluidos Merle C. Potter e David C. Wiggert

Pré-Cálculo – 2a Edição revista e atualizada Valéria Zuma Medeiros (Coord.)

Probabilidade e Estatística para Engenharia e Ciências Jay L. Devore

TRADUÇÃO DA 2a EDIÇÃO NORTE-AMERICANA

Jonathan Wickert Para suas soluções de curso e aprendizado, visite www.cengage.com.br


Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Wickert, Jonathan Introdução à engenharia mecânica / Jonathan Wickert ; tradução Oxbridge Centro de Idiomas Ltda. ; revisão técnica Demetrio C. Zachariadis. — São Paulo : Cengage Learning, 2007. Título original: An introduction to mechanical engineering. Bibliografia Requisitos do sistema : Windows, Mac e Linux web browsers; JavaScript, cookies e pop-ups devem estar habilitados. Modo de acesso : Web ISBN 85-221-1031-X (livro eletrônico) ISBN 978-85-221-1031-5 (livro eletrônico) 1. Engenharia mecânica

I. Título.

06-8060

CDD-621 Índice para catálogo sistemático:

1. Engenharia mecânica

621


INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICA Tradução da 2 a edição norte-americana

Jonathan Wickert Carnegie Mellon University

Tradução Oxbridge Centro de Idiomas Ltda. Revisão Técnica Demetrio C. Zachariadis Engenheiro Naval, Mestre em Engenharia Naval, Doutor em Engenharia Mecânica. Professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México

• Cingapura • Espanha •

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Introdução à engenharia mecânica Jonathan Wickert

Gerente Editorial: Patrícia La Rosa Editora de Desenvolvimento: Ligia Cosmo Cantarelli Supervisor de Produção Editorial: Fábio Gonçalves Supervisora de Produção Gráfica:

Fabiana Alencar Albuquerque

Revisão: Sueli Bossi

© 2006 Nelson © 2007 Cengage Learning Edições Ltda. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro poderá ser reproduzida, sejam quais forem os meios empregados, sem a permissão, por escrito, da Editora. Aos infratores aplicam-se as sanções previstas nos artigos 102, 104, 106 e 107 da Lei no 9.610, de 19 de fevereiro de 1998.

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Diagramação: ERJ – Composição Editorial e Artes Gráficas Ltda. Capa: FZ. Dáblio Design

© 2007 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.

Título do Original: An Introduction to Mechanical Engineering – 2nd edition ISBN: 0-534-55297-8 Tradução: Oxbridge Centro de Idiomas Ltda. Revisão técnica: Demetrio C. Zachariadis Copidesque: Marcos Soel de Oliveira Santos

ISBN-13: 978-85-221-0540-3 978-85-221-1031-5 ISBN-10: 85-221-0540-5 85-221-1031-X Cengage Learning Condomínio E-Business Park 11 ––Torre A –04 Conjunto 12 Rua Werner Siemens, 111 – Prédio 20 Espaço Lapa de deBaixo Baixo––CEP CEP05069-900 05069-900 – São Paulo SP Lapa – São Paulo – –SP Tel.: (11) (11) 3665-9900 3665-9900––Fax: Fax:(11) (11)3665-9901 3665-9901 0800 11 11 19 19 39 39 SAC: 0800 Para suas soluções de curso e aprendizado, visite www.cengage.com.br

Impresso no Brasil. Printed in Brazil. 1 2 3 4 5 6 11 10 09 08 07


Sumário PREFÁCIO PREFÁCIO SOBRE 1.

O

AO AO

ESTUDANTE

PROFESSOR

AUTOR

XI XIII

XVII

A PROFISSÃO ENGENHARIA MECÂNICA 1 1.1

Visão Geral 1

1.2

O que É Engenharia? 3

1.3

Quem São os Engenheiros Mecânicos? 6

1.4

Opções da Carreira 17

1.5

Programa Típico de Estudo 20 Resumo 23 Auto-Estudo e Revisão 23 Problemas 23 Referências 25

2.

SOLUÇÃO

DE

PROBLEMAS

E

HABILIDADES

2.1

Visão Geral 26

2.2

Um Erro de Unidades a Caminho de Marte 28

2.3

Sistemas e Conversões de Unidades 30

DE

COMUNICAÇÃO 26

Sistema Internacional de Unidades (SI) 30 Unidades de Base e Derivadas 30 Sistema Internacional de Unidades 30 Sistema de Unidades Usual Norte-Americano (United States Customary System Units) 33 Conversão de Unidades entre o SI e o USCS 37

v


vi

Introdução à Engenharia Mecânica

2.4

Algarismos Significativos 41

2.5

Coerência Dimensional 42

2.6

As Estimativas na Engenharia 49

2.7

A Apresentação de Cálculos de Engenharia 52

2.8

Habilidades de Comunicação na Engenharia 54 Comunicação Escrita 55 Comunicação Gráfica 56 Apresentações Técnicas 56 Resumo 56 Auto-Estudo e Revisão 57 Problemas 57 Referências 62

3.

AS FORÇAS APLICADAS

ÀS

ESTRUTURAS

3.1

Visão Geral 63

3.2

Forças em Componentes Retangulares e Polares 65 Componentes Retangulares 66 Componentes Polares 66

3.3

Resultante de Várias Forças 67 Método da Álgebra Vetorial 68 Método do Polígono Vetorial 69

3.4

Momento de uma Força 73 Método da Alavanca Perpendicular 73 Método das Componentes do Momento 74

3.5

O Equilíbrio das Forças e dos Momentos 79 Partículas e Corpos Rígidos 79 Diagramas de Corpos Livres 81

3.6

Aplicação em Projeto: Mancais de Rolamentos 88 Rolamentos de Esferas 89 Rolamentos de Rolos Cilíndricos 90 Rolamentos de Rolos Cônicos 90 Mancais de Rolamentos Axiais 92

E

MÁQUINAS 63


Sumário

Resumo 97 Auto-Estudo e Revisão 98 Problemas 98 Referências 109

4.

MATERIAIS

TENSÕES 110

E

4.1

Visão Geral 110

4.2

Tração e Compressão 112

4.3

Comportamento dos Materiais 118

4.4

Cisalhamento 128

4.5

Materiais Utilizados na Engenharia 132 Metais e suas Ligas 133 Cerâmica 135 Polímeros 136 Materiais Compostos 137

4.6

O Fator da Segurança 140 Resumo 144 Auto-Estudo e Revisão 146 Problemas 147 Referências 155

5.

ENGENHARIA

DE

FLUIDOS 156

5.1

Visão Geral 156

5.2

Propriedades dos Fluidos 158

5.3

Pressão e Força de Flutuação 164

5.4

Fluxos Laminar e Turbulento de Fluidos 170

5.5

O Escoamento de Fluido em Tubulações 174

5.6

Força de Arrasto 180

5.7

Força de Sustentação 189 Resumo 193 Auto-Estudo e Revisão 194 Problemas 195 Referências 199

vii


viii

6.

Introdução à Engenharia Mecânica

SISTEMAS TÉRMICOS

E DE

ENERGIA 200

6.1

Visão Geral 200

6.2

Energia Mecânica, Trabalho e Potência 201 Energia Potencial Gravitacional 201 Energia Potencial Elástica 202 Energia Cinética 203 O Trabalho de uma Força 203 Potência 204

6.3

O Calor como Energia em Trânsito 208 Poder Calorífico 209 Calor Específico 210 Transmissão de Calor 212

6.4

Conservação e Conversão de Energia 220

6.5

Motores Térmicos e Eficiência 225

6.6

Estudo de Caso 1: Motores de Combustão Interna 228 Ciclo do Motor de quatro Tempos 230 Ciclo do Motor de dois Tempos 233

6.7

Estudo de Caso 2: Geração de Eletricidade 234

6.8

Estudo de Caso 3: Motores a Jato 243 Resumo 246 Auto-Estudo e Revisão 247 Problemas 248 Referências 251

7.

TRANSMISSÃO

DE

MOVIMENTO

7.1

Visão Geral 252

7.2

Movimento de Rotação 255

E

POTÊNCIA 252

Velocidade Angular 255 Trabalho e Potência na Rotação 256 7.3

Aplicação de Projeto: Engrenagens 260 Engrenagens Cilíndricas 261 Cremalheira e Pinhão 265


Sumário

Engrenagens Cônicas 265 Engrenagens Helicoidais 267 Engrenagens sem Fim 268 7.4

Velocidade, Torque e Potência das Transmissões de Engrenagens 269 Velocidade 270 Torque 271 Potência 272

7.5

Trens de Engrenagem Simples e Compostos 273

7.6

Aplicação de Projeto: Acionamento por Correia e Corrente 279

7.7

Sistema Planetário de Engrenagens 285 Resumo 292 Auto-Estudo e Revisão 294 Problemas 294 Referências 301

8.

O PROJETO MECÂNICO 302 8.1

Visão Geral 302

8.2

Projeto de Alto Nível 303

8.3

Processos de Fabricação 308

8.4

Patentes de Engenharia 314

8.5

Estudo de Caso sobre Projeto Conceitual: Veículos Movidos a Ratoeira 318 Primeiro Conceito: A Mola e a Alavanca 319 Segundo Conceito: Trem de Engrenagens Composto 320 Terceiro Conceito: Engrenagem com Engrenamento Parcial ou Intermitente 321

8.6

Estudo de Caso em Projeto Auxiliado por Computador: Produção Não-Invasiva de Imagens Médicas 323

8.7

Estudo de Caso de Projeto de Máquina: A Transmissão Hidramática 327 Acoplamento de Fluido 330 Trens de Engrenagens Planetárias 331 Freios de Correia e Trava de Inversão 331 Embreagens 331 Sistema de Controle Hidráulico 332

ix


x

Introdução à Engenharia Mecânica

Resumo 334 Auto-Estudo e Revisão 335 Problemas 336 Referências 337

Apêndice A

Apêndice B

O ALFABETO GREGO 339

REVISÃO

DE

TRIGONOMETRIA 340

B.1

Graus e Radianos 340

B.2

Triângulos Retângulos 340

B.3

Identidades 342

B.4

Triângulos Oblíquos 342

ÍNDICE REMISSIVO 345

UNIDADES DERIVADAS UNIDADES DERIVADAS

FATORES

DE

NO NO

CONVERSÃO

SI 356

SISTEMA USCS 356 ENTRE OS

SISTEMAS USCS

E

SI 357


Prefácio ao Estudante OBJETIVO

O objetivo deste livro é apresentar ao estudante o campo da Engenharia Mecânica e auxiliá-lo a avaliar como os engenheiros projetam máquinas e equipamentos, contribuindo com a sociedade. Como o título deste livro sugere, ele não é nenhuma enciclopédia nem um tratado exaustivo da disciplina. É impossível cumprir uma tarefa dessas em um livro dirigido a estudantes e, ademais, minha perspectiva é que o currículo tradicional da graduação seja apenas um de vários passos dados ao longo de uma carreira para toda a vida. Na leitura deste livro, você irá descobrir a “floresta” da Engenharia Mecânica, examinando algumas de suas “árvores” e, ao longo do caminho, conhecerá elementos interessantes e práticos de uma profissão chamada Engenharia Mecânica.

ABORDAGEM

E

CONTEÚDO

Este livro foi escrito para estudantes do primeiro ou segundo ano de Engenharia Mecânica em uma faculdade ou universidade, ou em um curso afim. Procurei abordar de maneira equilibrada as habilidades necessárias para solucionar problemas, os projetos, as análises de Engenharia e a tecnologia prática. Inicialmente há uma descrição sobre o trabalho dos engenheiros mecânicos (Capítulo 1), bem como sobre as técnicas usadas para solucionar problemas e habilidades de comunicação, especialmente em relação a valores numéricos e sistemas de unidades (Capítulo 2). Seis “elementos” da Engenharia Mecânica são enfatizados subseqüentemente no Capítulo 3 (As Forças Aplicadas às Estruturas e Máquinas), Capítulo 4 (Materiais e Tensões), Capítulo 5 (Engenharia de Fluidos), Capítulo 6 (Sistemas Térmicos e de Energia), Capítulo 7 (Movimento e Transmissão de Força) e Capítulo 8 (O Projeto Mecânico). Algumas das aplicações que você encontrará neste livro incluem os motores a explosão, a fabricação rápida de protótipos, os projetos de Engenharia auxiliados por computador, os nanotubos de carbono, a robótica, a imagem produzida por ressonância magnética, os motores a jato, as transmissões automáticas e a energia solar. O que você poderia aprender com este livro? Em primeiro lugar, descobrirá quem são os engenheiros mecânicos, o que fazem e que tipo de tecnologia criam. A seção 1.3 traz detalhes sobre a lista das dez maiores conquistas da profissão. Por que não correr os olhos nessa seção agora, para ver algumas das tecnologias da Engenharia Mecânica e compreender como essa profissão tem contribuído para sua vida cotidiana e para a sociedade em geral? Em segundo lugar, você aprenderá a fazer alguns dos cálculos e aproximações rápidas que os engenheiros mecânicos precisam fazer. Para realizar seu trabalho melhor e mais rápido, os engenheiros mecânicos combinam matemática, ciência, ferramentas de projeto mecânico auxiliado por computador e habilidades práticas. Em terceiro lugar, você descobrirá que a Engenharia Mecânica representa um esforço prático, com o objetivo de projetar instrumentos que funcionem, tenham uma produção econômica e sejam seguros e responsáveis em relação ao impacto ambiental.

xi


xii

Introdução à Engenharia Mecânica

Após a leitura deste livro, você não irá se tornar um perito em Engenharia Mecânica, mas essa não é a nossa intenção e nem deveria ser a sua. Se o nosso objetivo for atingido, porém, você assentará uma fundação sólida no que se refere às habilidades para solucionar problemas, projetar equipamentos e conduzir análises. Tais habilidades poderão representar a base para a sua futura contribuição à profissão de engenheiro mecânico.


Prefácio ao Professor ABORDAGEM

Este livro destina-se a um curso que forneça uma introdução à Engenharia Mecânica durante o primeiro ou segundo ano. Na última década, muitas faculdades e universidades renovaram o conteúdo programático de seus cursos de Engenharia, com o objetivo de posicionar o conteúdo dos cursos mais para o início dos programas. Especialmente para o primeiro ano do curso, as formas variam amplamente e podem incluir seminários sobre “quem são os engenheiros mecânicos” e “o que realizam”, experiências em projetos, habilidades para solucionar problemas, análises básicas e estudos de casos. Em geral, já no segundo ano do curso, enfatizam-se elaborações de projetos, contato com ferramentas computacionais que auxiliam à Engenharia, princípios da Ciência da Engenharia e uma dose saudável de máquinas e equipamentos produzidos pela Engenharia Mecânica. Os cursos nucleares da grade curricular da Ciência da Engenharia (por exemplo, resistência dos materiais, mecânica dos fluidos e dinâmica) progrediram desde a Segunda Guerra Mundial e atingiram seus estados presentes, relativamente amadurecidos. Por outro lado, pouca ou nenhuma padronização existe entre os cursos introdutórios de Engenharia Mecânica. Com limitados materiais didáticos específicos para tais cursos, creio que ainda exista uma boa oportunidade para atrair estudantes, motivando-os com uma visão do que se espera deles mais adiante e fornecendo-lhes uma base para o desenvolvimento de habilidades importantes para a condução de análises, resolução de problemas e realização de projetos.

OBJETIVOS

Durante o desenvolvimento das duas edições deste livro, meu objetivo foi proporcionar uma fonte de informações, que pode ser utilizada pelos professores que apresentam a Engenharia Mecânica aos estudantes do primeiro e segundo anos do curso. Espero que a maioria dos cursos inclua o material apresentado no Capítulo 1 (A Profissão Engenharia Mecânica), Capítulo 2 (Solução de Problemas e Habilidades de Comunicação) e Capítulo 8 (O Projeto Mecânico). Com base no nível e nas horas dedicadas ao curso, os professores podem selecionar tópicos adicionais do Capítulo 3 (As Forças Aplicadas às Estruturas e Máquinas), Capítulo 4 (Materiais e Tensões), Capítulo 5 (Engenharia de Fluidos), Capítulo 6 (Sistemas Térmicos e de Energia) e Capítulo 7 (Movimento e Transmissão de Força). Por exemplo, a seção 4.5, sobre a escolha de materiais, é totalmente independente e oferece ao aluno dos primeiros anos do curso uma visão geral das classes diferentes de materiais utilizados na Engenharia Mecânica. De modo similar, as descrições das seções 6.6 e 6.8 sobre os motores de combustão interna, estações de energia elétrica e motores a jato são de natureza explanatória, podendo incluir esse material em estudos de casos, para demonstrar a operação de algumas máquinas e equipamentos importantes da Engenharia Mecânica. Nas seções 3.6, 7.3 e 7.6 encontram-se considerações sobre mancais de rolamentos, engrenagens e acionamentos por correia e correntes. Este livro reflete minhas experiências e filosofia em relação ao vocabulário, habilidades, aplicações e motivações dos estudantes iniciantes diante da profissão de Engenharia Mecânica. Esta obra foi xiii


xiv

Introdução à Engenharia Mecânica

motivada, em parte, pelo meu magistério na cadeira de Fundamentos da Engenharia Mecânica, um curso extenso na Universidade Carnegie Mellon, aberto tanto aos estudantes universitários do curso de Engenharia Mecânica como aos de outros cursos. O curso de Fundamentos da Engenharia Mecânica inclui palestras, realização de um projeto auxiliado por computador e planejamento de um processo de fabricação, além da elaboração de um projeto em equipe (um exemplo do qual pode ser visto na seção 8.5, no contexto da conceituação do projeto). Vários exemplos e estudos de casos também são discutidos para demonstrar aos estudantes a realidade do que estão aprendendo, inclusive a lista das principais conquistas da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (seção 1.3), a perda da sonda espacial Orbitador Climático de Marte (Mars Climate Orbiter) (seção 2.2), o erro durante o reabastecimento do vôo 143 da Air Canada (seção 2.3), o desastre do Hotel Hyatt, em Kansas City (seção 3.5), os nanotubos de carbono (seção 4.5), os dispositivos microfluídicos (seção 5.2), o fluxo sanguíneo no interior do corpo humano (seção 5.5), a geração de energia solar (seção 6.7), as patentes na área da Engenharia Mecânica (seção 8.4), a Engenharia auxiliada por computador (seção 8.6) e a primeira transmissão automática empregada em veículos (seção 8.7). Os destaques intitulados “Foco em ...”, em cada capítulo, são utilizados para ressaltar alguns dos tópicos mais interessantes ali considerados.

CONTEÚDO

Minha intenção não é, de forma alguma, que este livro esgote as matérias do campo da Engenharia Mecânica, e estou certo de que ele não será lido com esse objetivo. Ao contrário, ao ensinar alunos de primeiro e segundo anos, estou ciente de que “menos realmente significa mais”. Na medida do possível, resisti ao impulso de acrescentar mais uma seção em um determinado assunto e tentei manter o aspecto útil e cativante do material, segundo a perspectiva do leitor. De fato, muitos tópicos, cujo conhecimento é importante para os engenheiros mecânicos, foram simplificados ou nem foram incluídos neste livro. E isso foi proposital. Entretanto, estou confiante de que, no devido tempo ao longo do curso de Engenharia Mecânica, os alunos serão expostos aos assuntos que foram aqui omitidos. Do Capítulo 2 ao 8, foi selecionado um subconjunto de “elementos” da Engenharia Mecânica, que pode ser suficientemente apreendido pelos alunos dos primeiros anos do curso a fim de que possam desenvolver as habilidades para realizar análises, fazer projetos e resolver problemas. Escolhi abranger esses tópicos para facilitar o uso deste livro dentro dos limites dos cursos, que acabam assumindo vários formatos. Como há mais conteúdo neste livro do que seria possível abranger em um semestre de curso, os professores encontrarão uma razoável fonte de matéria, que poderá ser utilizada de acordo com seus critérios. Em especial, esse conteúdo foi selecionado para: 1. 2. 3. 4. 5.

combinar formação, maturidade e interesses dos alunos logo no início dos estudos da Engenharia; auxiliar os alunos a pensar de modo crítico e aprender boas habilidades para resolução de problemas, em especial no que diz respeito às aproximações de ordem de magnitude, revisão de resultados e aferição de unidades; ensinar aspectos da ciência da Engenharia Mecânica e o empirismo, os quais podem ser aplicados já nos níveis de primeiro e segundo anos do curso; expor os alunos a uma ampla variedade de máquinas e equipamentos e à natureza prática da Engenharia; motivar por meio de aplicações que abranjam o projeto auxiliado por computador, imagens médicas, aeronaves, naves espaciais, transmissões de automóveis, geração de energia nuclear e assim por diante.

Na medida do que é possível para os níveis de primeiro e segundo anos, a exposição, os exemplos e os problemas indicados para resolução em casa foram elaborados a partir de aplicações reais. Você não achará massas em planos inclinados ou sistemas de blocos e equipamentos neste livro. Creio


Prefácio ao Professor

xv

que a Engenharia é uma atividade visual e gráfica, por isso, enfatizo especialmente a qualidade e importância das ilustrações, muitas das quais foram fornecidas por meus colegas na indústria, nas agências federais e no magistério. O objetivo desta obra é destacar a realidade e motivar os alunos por meio de exemplos interessantes que lhes confiram um vislumbre do que poderão estudar nos cursos subseqüentes e, após isso, exercer ao longo de suas carreiras.

NOVIDADES

DA

SEGUNDA EDIÇÃO

Na preparação da segunda edição, erros foram corrigidos, seções foram reescritas e reorganizadas, novos materiais foram introduzidos e alguns removidos. A filosofia da primeira edição foi mantida, ou seja, motivar os estudantes nos seus primeiros anos de estudo, por enfatizar a solução organizada de problemas e as aplicações práticas das máquinas e equipamentos. Esta edição contém um capítulo novo sobre a engenharia de fluidos e novas seções sobre assuntos relativos à habilidade da boa comunicação, escolha de materiais e aos processos de fabricação. No Capítulo 2, a discussão sobre o Sistema de Unidades Usual Norte-Americano (USCS) e o Système International d’Unités foi ampliada consideravelmente. Os mancais de rolamentos recebem atenção no Capítulo 3, no contexto das forças que suportam. Os equipamentos de transmissão de força por meio de vários tipos de dispositivos de acionamento por engrenagem, correias e correntes são considerados no Capítulo 7. Assim como na primeira edição, o conteúdo é facilmente acessível a qualquer estudante que tenha uma formação secundária normal em matemática e física. Os assuntos tratados neste livro não dependem de conhecimentos matemáticos além da álgebra, geometria e trigonometria (revistas no Apêndice B) e, em especial, evitou-se utilizar produtos vetoriais, integrais, derivadas ou equações diferenciais. De modo coerente, não foi incluído, propositadamente, nenhum capítulo que trate de sistemas dinâmicos nem de vibrações mecânicas. O foco foi mantido nos alunos iniciantes do curso de Engenharia Mecânica, muitos dos quais estudarão cálculo simultaneamente. Por manter esse foco, elevar o nível de complexidade matemática somente iria contrariar a missão geral deste livro. Além do acréscimo de conteúdo, a organização de cada capítulo foi aprimorada. No início de cada um, os objetivos foram definidos e utilizou-se um exemplo para ilustrar como o conteúdo do capítulo se encaixa no estudo geral da Engenharia Mecânica. Na seção do resumo de cada capítulo, foram incluídas tabelas para reunir os novos símbolos, dimensões e equações apresentadas. Exemplos e problemas para os alunos resolverem fora da sala de aula foram acrescentados ao longo de todo o livro. Todos os exemplos foram colocados em um formato pedagógico melhorado, contendo o enunciado do problema, a abordagem, a solução e uma discussão. Em especial, a parte da discussão destina-se a destacar o porquê de a resposta numérica ser interessante ou fazer sentido de modo intuitivo. Apresentam-se equações literais ao longo dos cálculos numéricos. Em todo o livro, as dimensões que aparecem nesses cálculos são manipuladas e simplificadas explicitamente, para reforçar as boas habilidades utilizadas na solução dos problemas. Os novos destaques apresentados com o título “Foco em...” contêm a matéria conceitual ou aplicada em forma de tópicos, a qual amplia a abrangência do livro sem desviar de seu rumo. Entre outros assuntos, aborda a distinção entre massa e peso, aerodinâmica nos esportes, energia hidrelétrica, ruídos do trem de engrenagem, trabalho em equipe e computadores utilizados em projetos.

AGRADECIMENTOS

Teria sido impossível desenvolver ambas as edições deste livro sem as contribuições de várias pessoas e organizações e, portanto, em primeiro lugar, gostaria de expressar meu apreço por elas. Apoio generoso me foi dado pelo Centro Marsha e Philip Dowd, cujo objetivo é fomentar as iniciativas educacio-


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Introdução à Engenharia Mecânica

nais na área de Engenharia. Adriana Moscatelli, Jared Schneider, Katie Minardo e Stacy Mitchell, que são agora membros do corpo docente da Universidade Carnegie Mellon, auxiliaram na realização deste projeto, produzindo as várias ilustrações. O auxílio perito de Jean Stiles, que fez a revisão textual do livro. Meus colegas, alunos do curso de graduação e assistentes de ensino na Universidade Carnegie Mellon forneceram muitos comentários e sugestões valiosos enquanto produzíamos ambas as edições. Gostaria de agradecer especialmente a Adnan Akay, Jack Beuth, Paul Steif, Allen Robinson, Shelley Anna, Yoed Rabin, Burak Ozdoganlar, Parker Lin, Elizabeth Ervin, Venkataraman Kartik, Matthew Brake, John Collinger, Annie Tangpong e Matthew Iannacci por seus comentários. Sinto-me igualmente agradecido aos alunos de meu curso Fundamentos da Engenharia Mecânica. O interesse coletivo, feedbacks e entusiasmo sempre forneceram o precioso momento de ânimo para que eu prosseguisse. Joe Elliot e John Wiss bondosamente ofereceram as informações sobre o dinamômetro de motores e a pressão de cilindros utilizadas na discussão sobre os motores a explosão, no Capítulo 6. As soluções de vários dos problemas propostos para resolução extraclasse foram esboçadas por Brad Lisien e Albert Costa, dos quais aprecio muito o bom trabalho e esforços conscientes. Além disso, os seguintes revisores da primeira e segunda edições nos permitiram tirar proveito de suas perspectivas e experiência de ensino: John R. Biddle, da Universidade Politécnica do Estado da Califórnia (em Pomona); Robert Hocken, da Universidade da Carolina do Norte (em Charlotte); Damir Juric, do Instituto de Tecnologia da Geórgia; Pierre M. Larochelle, do Instituto de Tecnologia da Flórida; Anthony Renshaw, da Universidade de Colúmbia; Gloria Starns, da Universidade Estadual de Iowa; Per Lundqvist, do Real Instituto de Tecnologia (Estocolmo); William Hallet, da Universidade de Ottawa; Kemper Lewis, da Universidade Estadual de Nova York (Buffalo); Kenneth A. Kline, da Universidade Estadual de Wayne; Terry Brown, da Universidade de Tecnologia (Sydney); Peter Burban, da Universidade de Cedarville; Terry Berreen, da Universidade de Monash; David J. Thum, da Universidade Politécnica Estadual da Califórnia (San Luis Obispo); Petru Petrina, da Universidade Cornell; Steven Y. Liang, do Instituto de Tecnologia da Geórgia; Bruce Karnopp, da Universidade de Michigan; Timothy W. Simpson, da Universidade Estadual da Pensilvânia; e David F. Chichka, da Universidade George Washington. Sou muito grato por seus comentários detalhados e sugestões úteis. Aprecio muito interagir com a equipe editorial da Nelson, a divisão da Thomson Canada Limited. Na qualidade de editores do livro, Bill Stenquist e Chris Carson estiveram comprometidos com o desenvolvimento de um produto de alta qualidade, e tem sido motivo de grande prazer colaborar com essas pessoas. A equipe de produção da segunda edição incluiu Susan Calvert, Renate McCloy, Kamilah Reid Burrell, Angela Cleur e a equipe dos RPK Editorial Services. Eles administraram a produção com grande habilidade e profissionalismo, prestando bastante atenção aos detalhes. A todos eles, expresso meus sinceros agradecimentos pelo excelente trabalho. Colegas das seguintes indústrias e organizações acadêmicas e estatais foram de notável auxílio e muito pacientes ao fornecer fotografias, ilustrações e informações técnicas: General Motors, Intel, Fluent, General Eletric, Enron Wind, Boston Gear, Mechanical Dynamics, Caterpillar, Nasa, Centro de Pesquisas Glenn (Nasa), W. M. Berg, FANUC Robotics, Agência de Reclamações dos EUA, Niagara Gear, Velocity11, Stratasys, Consórcio Nacional de Engenharia Robótica (EUA), Lockheed-Martin, Algor, MTS Systems, Westinghouse Electric, Timken, Sandia National Laboratories, Hitachi Global Storage Technologies, Segway LLC, Ministério do Trabalho dos EUA e Ministério da Energia dos EUA. Sam Dedola e John Haury, da Medrad Incorporated, foram além e desenvolveram várias ilustrações para a discussão dos projetos auxiliados por computador, na seção 8.6. Certamente não relacionei todas as pessoas que me ajudaram neste projeto e aproveito para me desculpar por tais omissões. Por fim, mas não menos importante, expresso sincera gratidão à Karen e Rebecca, pela paciência e incentivo que me deram ao longo deste projeto. Jonathan Wickert


Sobre o Autor Jonathan Wickert é professor de Engenharia Mecânica na Universidade Carnegie Mellon, onde leciona e dirige a realização de pesquisas nas áreas de mecânica aplicada, dinâmica e vibrações mecânicas. Como pesquisador e consultor, tem trabalhado com empresas e agências federais em uma ampla variedade de problemas de engenharia relacionados com motores de acionamento dos mecanismos (drives) de computador e fitas de armazenamento de dados; fabricação de metal laminado, fibra de vidro, polímeros e produtos químicos industriais; freios automotivos; turbinas a gás de fluxo radial; e vários produtos de consumo, entre outros. Graduou-se e recebeu seu título de Mestre e Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade da Califórnia, em Berkeley, e fez pós-doutorado pela Universidade de Cambridge. É editor associado de revistas de engenharia, diretor da divisão da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos e presidente do programa de graduação em Engenharia Mecânica na Universidade Carnegie Mellon. Recebeu prêmios em reconhecimento de seu magistério e suas pesquisas outorgados pela Sociedade de Engenheiros da Indústria Automotiva, Sociedade Norte-Americana para o Fomento Educacional da Engenharia e o Consórcio das Indústrias de Armazenamento de Informações. Além disso, foi eleito como conselheiro da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.

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CAPÍTULO 1

A Profissão Engenharia Mecânica OBJETIVOS DESTE CAPÍTULO • Descrever algumas diferenças entre engenheiros, matemáticos e cientistas. • Considerar o tipo de trabalho que os engenheiros mecânicos realizam e relacionar algumas questões técnicas que eles têm de enfrentar. • Identificar algumas indústrias e agências estatais que empregam engenheiros mecânicos. • Relacionar alguns produtos, processos e equipamentos que os engenheiros mecânicos projetam. • Reconhecer como as principais conquistas da profissão do engenheiro mecânico contribuíram para o progresso da nossa sociedade e melhoraram a vida das pessoas. • Compreender os objetivos e o formato do currículo típico dos cursos de Engenharia Mecânica.

1.1 V I S Ã O G E R A L Neste capítulo introdutório, descrevemos quem são os engenheiros mecânicos, o que fazem, quais são os desafios com que se confrontam e suas recompensas, e quais têm sido suas notáveis conquistas. A Engenharia é o esforço prático no qual as ferramentas da Matemática e da Ciência são aplicadas para o desenvolvimento de soluções econômicas e eficientes aos problemas tecnológicos enfrentados pela nossa sociedade. Os engenheiros projetam muitos produtos de consumo que você usa todos os dias. Também criam um grande número de outros produtos que você não necessariamente vê ou ouve falar, porque são utilizados nas áreas empresariais e industriais. Enfim, fazem importantes contribuições à nossa sociedade. Os engenheiros desenvolvem as máquinas necessárias para a produção da maioria dos produtos, as fábricas que os produzem e os sistemas de controle de qualidade, que garantem a segurança e o desempenho dos produtos. A Engenharia tem tudo a ver com a fabricação de objetos úteis, que funcionam. A disciplina Engenharia Mecânica preocupa-se em parte com os “elementos” das forças, materiais, fluidos, energia, movimento e desenho. Os engenheiros mecânicos inventam máquinas e estruturas que exploram esses elementos para servir a um propósito útil e resolver problemas. O desenho original e o aspecto prático de se fazer algo que funcione são os temas motivadores de qualquer esforço da Engenharia. O engenheiro cria uma máquina ou um produto para auxiliar alguém a solucionar um problema técnico.

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FIGURA 1.1 Os robôs são usados amplamente nas linhas de montagem automatizadas das montadoras de automóveis, onde se exige precisão na execução de tarefas repetitivas, tais como a soldagem a arco. Reimpresso com permissão da Fanuc Robotics North America Inc.

Ele talvez inicie a partir de uma folha de papel em branco, em que concebe uma nova idéia. Então, desenvolve e aprimora a, para que essa nova idéia seja funcional e confiável, satisfazendo, durante todo o tempo em que estiver em uso, os requisitos de segurança, custos e viabilidade de produção. Os sistemas robotizados de solda (Figura 1.1), motores a explosão, equipamentos esportivos, mecanismos de acionamento dos discos rígidos de computadores, membros artificiais, automóveis, aeronaves, motores a jato, ferramentas cirúrgicas e turbinas eólicas são algumas das centenas de tecnologias em cujo desenvolvimento a Engenharia Mecânica está diretamente envolvida. Não seria exagero dizer que, para cada produto que você imagine, um engenheiro mecânico esteve envolvido, em algum ponto do processo, no projeto, escolha de materiais, controle de temperatura, garantia da qualidade ou produção. Ainda que não tenha sido a própria Engenharia Mecânica que tenha concebido ou projetado o produto, podese afirmar, sem receio, que foi um engenheiro mecânico que projetou as máquinas que construíram, testaram ou embalaram determinado produto. A Engenharia Mecânica é definida como a profissão que pesquisa, projeta e fabrica máquinas que produzem e que consomem energia. De fato, os engenheiros mecânicos desenvolvem máquinas que produzem ou consomem energia na escala consideravelmente ampla, mostrada na Figura 1.2, entre miliwatts (mW) e gigawatts (GW). Poucas profissões exigem que uma pessoa trabalhe com unidades físicas em tantas ordens de magnitude (um trilhão de vezes ou um fator de 1.000.000.000.000) como

FIGURA 1.2 Os engenheiros mecânicos trabalham com máquinas que produzem ou consomem uma faixa consideravelmente ampla de energia.

Motor ultrassônico

Bomba de combustível de foguetes

Máquinas-ferramentas

Horse-power 10 -3 hp 10 –3 W

10 3 hp

1 hp 10 3 W

1W

10 6 W

10 6 hp 109 W

Watts Atleta

Motor de automóvel

Hidrelétrica


CAPÍTULO 1

A Profissão Engenharia Mecânica

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FIGURA 1.3 Destaque do motor principal de uma nave espacial durante teste de pivotamento, para avaliar o desempenho de manobrabilidade em condições de vôo. Reimpresso com a permissão da Nasa.

a Engenharia Mecânica. Na extremidade inferior da escala de energia, os motores pequenos ultrassônicos de precisão, como os utilizados em lentes de câmeras dotadas de autofoco, produzem aproximadamente 0,02 watts (W) de potência mecânica. Em níveis superiores, um atleta usando equipamentos para exercícios físicos, como um remo mecânico ou um stair climber, pode produzir até várias centenas de watts (cerca de 0,25 a 0,5 de um HP) durante um período longo de tempo. O motor elétrico de uma furadeira industrial pode desenvolver 1.000 W, e o motor de um veículo esportivo pode produzir cerca de 100 vezes essa potência. Próximo à extremidade superior da escala, a turbo-bomba de combustível de alta pressão dos motores primários de uma nave espacial (Figura 1.3) – não os próprios motores, mas apenas a bomba de combustível deles – desenvolve 73.000 HP. Por fim, uma hidroelétrica comercial pode gerar um bilhão de watts de potência, que é uma quantidade suficiente para suprir com energia elétrica uma comunidade de 800 mil casas.

1.2 O Q U E É E N G E N H A R I A ? A palavra “engenharia” deriva da raiz latina ingeniere, que significa desenhar ou projetar, e da qual deriva também a palavra “engenhoso”. Essas acepções descrevem bem as características de um bom engenheiro. Dito da forma mais simples, os engenheiros aplicam seus conhecimentos em Matemática, Ciência e materiais – bem como suas habilidades comunicativas e comerciais –, para desenvolver novas e melhores tecnologias. Em vez de apenas experimentar por tentativa e erro, os engenheiros são instruídos a usar os princípios matemáticos e científicos, além das simulações computadorizadas (Figura 1.4), como ferramentas para conceber projetos mais rápidos, precisos e econômicos. Nesse sentido, o trabalho de um engenheiro é diferente do trabalho do cientista, que normalmente enfatiza mais a descoberta de leis físicas do que a aplicação de tais fenômenos no desenvolvimento de novos produtos. A Engenharia é essencialmente uma ponte entre uma descoberta científica e suas aplicações em produtos. A razão da Engenharia não é o desenvolvimento ou a aplicação da Matemática, da Ciência ou da Computação como fim em si mesmas. Antes, ela é um instrumento para a promoção do crescimento social e econômico e uma parte integral do ciclo comercial. Com essa perspectiva, o Ministério do Trabalho dos Estados Unidos resume a profissão da Engenharia da seguinte maneira: Os engenheiros aplicam as teorias e os princípios da Ciência e da Matemática para pesquisar e desenvolver soluções econômicas a problemas técnicos. O trabalho que realizam é a ligação entre as necessidades socialmente percebidas e as aplicações comerciais. Os engenheiros projetam produtos, as


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Introdução à Engenharia Mecânica

máquinas utilizadas para a fabricação destes, as instalações nas quais eles são fabricados e os sistemas que garantem a qualidade dos produtos e a eficácia da mão-de-obra e do processo de fabricação. Os engenheiros projetam, planejam e supervisionam a construção de edifícios, estradas e sistemas de tráfego. Desenvolvem e implementam meios aprimorados de extração, processamento e utilização de matéria-prima, como petróleo e gás natural. Desenvolvem novos materiais que tanto melhoram o desempenho dos produtos como tiram proveito dos avanços da tecnologia. Controlam a energia do Sol, da Terra, dos átomos e da eletricidade, para suprir as necessidades de energia da nação e criar milhões de produtos que utilizam energia. Analisam o impacto dos produtos que desenvolvem ou dos sistemas que projetam no ambiente e nas pessoas que utilizam esses produtos. O conhecimento da Engenharia é aplicado para melhorar várias coisas, incluindo a qualidade dos serviços de saúde, a segurança dos produtos alimentícios e as operações do sistema financeiro.

Vários estudantes começam um curso de Engenharia porque se sentem atraídos pelas áreas da Matemática e da Ciência. Outros optam pela Engenharia porque são motivados por interesses na tecnologia e no modo como as coisas do cotidiano funcionam ou, talvez, com mais entusiasmo, como as coisas nem tanto cotidianas funcionam. De qualquer modo, é importante reconhecer que a Engenharia distingue-se da Matemática e da Ciência. No fim do dia, o objetivo do engenheiro é ter construído um equipamento que realize uma tarefa que antes não podia ser concluída ou ser realizada de modo preciso, rápido ou seguro. A Matemática e a Ciência fornecem algumas das ferramentas e dos métodos utilizados pelo engenheiro para testar protótipos rudimentares, refinando os projetos no papel e, por meio de simulações computadorizadas, antes de cortar os metais ou construir o equipamento. Conforme sugerido na Figura 1.5, a Engenharia pode ser definida como a intersecção de atividades relativas à Matemática, à Ciência, às simulações computadorizadas e a equipamentos. Aproximadamente 1,5 milhão de pessoas está registrado como engenheiro nos Estados Unidos. A vasta maioria trabalha em indústrias e menos de 10% está empregada pelo governo municipal, estadual e federal. Os engenheiros que são funcionários federais também, em geral, estão associados a uma organização como a Agência Aeroespacial Norte-americana (Nasa) ou o Ministério da Defesa, Transportes e Energia. Cerca de 3% a 4% de todos os engenheiros são autônomos e trabalham, principalmente, na área de consultoria e capacitação empresarial. A Engenharia é, em geral, dividida em cinco campos tradicionais: Engenharia Mecânica, Elétrica, de Materiais, Civil e Química. Na próxima seção, consideraremos a Engenharia Mecânica mais detalhadamente, mas parece apropriado apresentar as demais áreas. A Engenharia Elétrica trabalha em áreas como projeto e produção de circuitos integrados, redes de comunicação sem fio, componentes eletrônicos utilizados na Aviação, sistemas de controle de robôs e transmissão e distribuição de energia elétrica. Os engenheiros de materiais trabalham no limite da Engenharia e da Ciência para desenvolver novos compostos de matéria, usados nas aplicações relacionadas a semicondutores, lasers, ligas

FIGURA 1.4 No dia-a-dia, os engenheiros mecânicos usam ferramentas computadorizadas sofisticadas para projetar, visualizar, simular e melhorar os produtos. Reimpresso com a permissão da Mechanical Dynamics, Incorporated.


CAPÍTULO 1

A Profissão Engenharia Mecânica

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Matemática

FIGURA 1.5 Os engenheiros combinam suas habilidades em Matemática, Ciência, computação e equipamentos.

Engenharia

Máquinas e equipamentos

Ciência

Simulação por computador

avançadas de aço e alumínio e até mesmo mídias magnéticas, usadas para armazenar informações no disco rígido de um computador. Entre suas outras atividades, os engenheiros civis projetam e constroem estradas, edifícios, aeroportos, túneis, barragens, pontes e sistemas de fornecimento de água. As preocupações ambientais, em geral, estão no centro das preocupações dos engenheiros civis – incluindo a biologia ambiental –, para reduzir a contaminação da água do subsolo, do solo e da atmosfera. Os engenheiros químicos são responsáveis pela produção em larga escala de produtos químicos e farmacêuticos, e pela administração dos subprodutos das operações das indústrias de petróleo, eletrônicas e de biotecnologia. Mesmo nessas disciplinas, há literalmente dezenas de outras especialidades. A Figura 1.6 mostra a distribuição dos engenheiros nos cinco campos tradicionais, bem como as várias especialidades. Mais de duas dezenas de especialidades são reconhecidas pelas sociedades profissionais de engenheiros. Os engenheiros desenvolvem suas habilidades, primeiro, pelo estudo formal em um curso de cinco anos, em uma faculdade ou universidade credenciada e, depois disso, por meio da experiência adquirida no trabalho prático sob a supervisão de engenheiros mais experientes. Ao iniciar novos projetos, os engenheiros normalmente confiam no bom senso, intuição física, habilidades práticas e discernimento que ganharam em experiências técnicas anteriores. Eles realizam cálculos rápidos para responder a questões como: “Um motor de 10 HP é suficientemente potente para acionar este compressor de ar?” ou “Quantos g’s de aceleração a pá do turboalimentador deve suportar?”. Quando a resposta para uma determinada questão não é conhecida ou mais informações são necessárias para finalizar o trabalho, o engenheiro realizará pesquisas adicionais, usando livros de referência, revistas técnicas e publicações comerciais de uma biblioteca técnica; irá basear-se também em conferências de engenheiros e exposições de produtos, patentes e dados de fornecedores industriais. O processo de formação de um bom engenheiro é um empreendimento que dura a vida toda e é uma mistura de instrução e experiência. Alguém pode argumentar que não é possível construir uma carreira vitalícia apenas com o que se aprende na faculdade. Na medida em que as tecnologias, os mercados e a economia se desenvolvem com grande rapidez, os engenheiros estão constantemente aprendendo novas abordagens e técnicas de solução de problemas, bem como informando outros sobre suas descobertas.


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Introdução à Engenharia Mecânica

Todos os demais engenheiros, 16,4 Agricultura, 0,2 Engenheiros e arquitetos navais, 0,3 Minas, mineração e ciências geológicas, incluindo segurança da mineração, 0,4 Biomedicina, 0,5 Petróleo, 0,9 Nuclear, 1,1 Materiais, 1,6 Químico, 2,2

Elétrico-eletrônico, 19,8

Meio ambiente, 3,2 Civil, 15,4 Equipamentos de informática, 5

Aeroespacial, 5,3

Industrial, incluindo saúde e segurança, 13,1

Mecânico, 14,5

FIGURA 1.6 Porcentagem dos engenheiros que trabalham nos campos tradicionais da Engenharia e suas especialidades. Compilado pelo Ministério do Trabalho dos Estados Unidos.

1.3

QUEM SÃO

OS

ENGENHEIROS MECÂNICOS?

O campo da Engenharia Mecânica abrange as propriedades das forças, dos materiais, da energia, dos fluidos e do movimento, e a aplicação desses elementos no desenvolvimento de produtos que melhoram a sociedade e a vida das pessoas. O Ministério do Trabalho dos Estados Unidos descreve essa profissão da seguinte maneira: Os engenheiros mecânicos pesquisam, desenvolvem, projetam, fabricam e testam ferramentas, motores, máquinas e outros dispositivos mecânicos. Trabalham em máquinas que produzem energia, tais como geradores de eletricidade, motores a explosão, turbinas a vapor e a gás, e motores a jato para foguetes. Também desenvolvem máquinas que utilizam energia, como equipamentos de refrigeração e condicionamento de ar, robôs usados em processos de fabricação, máquinas-ferramentas, sistemas de manuseio de materiais e equipamentos de produção industrial.

Os engenheiros mecânicos são conhecidos pela ampla perícia e por trabalharem com uma grande variedade de máquinas. Alguns poucos exemplos incluem os sensores microeletromecânicos de aceleração usados nos air bags de carros; sistemas de aquecimento, ventilação e condicionamento de ar dos edifícios comerciais e escritórios; equipamentos pesados de construção projetados para uso fora de vias públicas (off-road); veículos híbridos movidos a gás e eletricidade; geradores, rolamentos e outros componentes mecânicos (Figura 1.7); implantes de quadris artificiais; navios utilizados para pesquisas no fundo do mar; sistemas de fabricação que utilizam robôs; válvulas cardíacas artificiais; equipamentos não invasivos para detecção de explosivos e naves para exploração espacial (Figura 1.8).


CAPÍTULO 1

A Profissão Engenharia Mecânica

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FIGURA 1.7 Os engenheiros mecânicos projetam máquinas e equipamentos de transmissão de energia, usando os vários tipos de engrenagens como componentes de construção. Reimpresso com permissão da Niagara Gear Corporation, Boston Gear Corporation e W. M. Berg, Incorporated.

FIGURA 1.8 O Mars Exploration Rover é um laboratório móvel geológico usado para estudar a história da água em Marte. Os engenheiros mecânicos contribuíram para o design, propulsão, controle térmico e outros aspectos desses veículos robóticos. Reimpresso com a permissão da Nasa.

Com base nas estatísticas de emprego, a Engenharia Mecânica representa a terceira maior disciplina, entre os cinco campos tradicionais da Engenharia, e, geralmente, é descrita como a disciplina que oferece a maior flexibilidade de escolhas na carreira. Em 2002, aproximadamente 215 mil pessoas estavam empregadas como engenheiros mecânicos nos Estados Unidos, uma população que representa 15% de todos os engenheiros. A disciplina relaciona-se de perto com as áreas da Engenharia Industrial (194 mil pessoas), Aeroespacial (78 mil) e Nuclear (16 mil), uma vez que todos esses campos apresentam uma evolução histórica como ramos da Engenharia Mecânica. Juntas, as Engenharias Mecânica, Industrial, Aeroespacial e Nuclear são responsáveis por cerca de 34% de todos os engenheiros. As outras especialidades encontradas com freqüência na profissão da Engenharia Mecânica


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Introdução à Engenharia Mecânica

incluem a Engenharia Automotiva e a Engenharia de Fabricação. Ao passo que geralmente é considerada o mais amplo entre os campos tradicionais da Engenharia, há muitas oportunidades de especialização em certos segmentos industriais ou tecnológicos que possam interessar a você. Por exemplo, um engenheiro do segmento da aviação pode focalizar sua carreira nas tecnologias avançadas de resfriamento das pás das turbinas dos motores a jato ou nos sistemas de pilotagem por transmissão elétrica de comandos (fly-by-wire), para o controle de vôo de uma aeronave. Acima de tudo, os engenheiros mecânicos constroem máquinas e equipamentos que funcionam. A contribuição que um engenheiro mecânico faz para uma empresa ou outra organização é avaliada, em última análise, com base na funcionalidade do produto, ou seja, se este funciona como deveria. Os engenheiros mecânicos projetam equipamentos que são produzidos pelas empresas e posteriormente vendidos ao público ou a uma indústria. No processo desse ciclo de negócios, algum aspecto da vida do cliente é melhorado e a sociedade se beneficia dos avanços técnicos e das oportunidades adicionais oferecidas pela pesquisa e pelo desenvolvimento realizados pela Engenharia. A Engenharia Mecânica não significa números, cálculos, computadores, engrenagens e graxa. Em seu âmago, a profissão é motivada pelo desejo de contribuir para o avanço da sociedade por meio da aplicação da tecnologia. A Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME) fez uma pesquisa entre seus membros para identificar as maiores conquistas da Engenharia Mecânica. Essa sociedade profissional é a organização mais importante, destinada a representar interesses da comunidade dos engenheiros mecânicos nos Estados Unidos e em âmbito internacional e a servir a esses interesse. Essa lista das dez principais conquistas, resumidas na Tabela 1.1, será útil para você compreender melhor quem são os engenheiros mecânicos e avaliar as contribuições que eles têm proporcionado ao mundo. Em ordem decrescente do impacto que tais conquistas tiveram sobre a sociedade, a pesquisa identificou os seguintes marcos.

TABELA 1.1 As dez principais conquistas da Engenharia Mecânica. 1. O automóvel

6. A produção em massa de circuitos integrados

2. O programa Apolo

7. O condicionamento do ar e a refrigeração

3. A geração de energia

8. A tecnologia da engenharia auxiliada por computador

4. A mecanização na agricultura

9. A Bioengenharia

5. O avião

10. Os códigos e as normas técnicas

Fonte: Compilado da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.

1.

O automóvel. O desenvolvimento e a comercialização dos automóveis foram considerados a conquista mais importante da Engenharia Mecânica no século XX. Dois fatores responsáveis pelo crescimento da tecnologia automotiva foram os motores leves de alta potência e os processos eficientes para a fabricação desses motores em massa. Atribui-se ao engenheiro alemão Nicolaus Otto o projeto do primeiro motor eficiente de combustão interna de quatro tempos. Após um esforço enorme dos engenheiros, esse é o principal motor utilizado como fonte de energia para a maioria dos automóveis (Figura 1.9). Além dos avanços do motor, a competição no mercado de automóveis levou a avanços na área de segurança, economia de combustível, conforto e controle de emissão de poluentes. Uma das mais recentes tecnologias inclui os veículos híbridos movidos a gás-eletricidade, freios com dispositivo que evita o travamento, pneus de esvaziamento limitado, air bags, amplo uso dos materiais compostos, sistemas de controle computadorizado de injeção de combustível, sistemas de navegação por satélite, temporização variável de válvulas e células de combustível.


CAPÍTULO 1

A Profissão Engenharia Mecânica

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FIGURA 1.9 Os engenheiros mecânicos projetam, testam e produzem motores a explosão, como este motor de 8 cilindros e 5,7 litros. © 2001 General Motors Corporation. Usado com permissão dos Arquivos de Mídia da GM.

A ASME reconheceu não apenas a invenção do automóvel, mas as tecnologias por trás dele. Quanto às tecnologias, milhões de veículos foram produzidos por um valor suficiente, para que todas as famílias pudessem comprar um automóvel. Além dos seus esforços de projetar veículos, Henry Ford foi o pioneiro no emprego das técnicas para produção em massa de veículos, em uma linha de montagem, que permitiu aos consumidores de todos os níveis econômicos comprar seus próprios veículos. Por gerar empregos nas indústrias de máquinas-ferramentas, matéria-prima e serviços, o automóvel tornou-se um elemento-chave da economia mundial. De fato, a produção do automóvel constitui a maior indústria manufatureira dos Estados Unidos; empregou cerca de um milhão de pessoas e gerou 345 bilhões de dólares para a economia, em 1999. Nenhum outro campo da tecnologia criou tantas empresas de revenda ou ofereceu tantas oportunidades de emprego como a indústria automotiva. Desde minivans a carros esportivos e de luxo, o automóvel – uma das maiores contribuições da Engenharia Mecânica – tem exercido uma influência ubíqua em nossa sociedade e cultura. 2.

O programa Apolo. Em 1961, o presidente John Kennedy desafiou os Estados Unidos a enviarem um homem à Lua e trazê-lo de volta à Terra são e salvo. A primeira parte do objetivo foi realizada menos de dez anos mais tarde, quando a Apolo 11 pousou na superfície da Lua, em 20 de julho de 1969. A tripulação, composta de três homens, Neil Armstrong, Michael Collins e Buzz Aldrin, retornou à Terra alguns dias depois sã e salva. Devido aos avanços tecnológicos e ao profundo impacto cultural, o programa Apolo foi escolhido como a segunda conquista mais influente do século XX (Figura 1.10). O programa Apolo baseou-se em três desenvolvimentos principais da Engenharia: o grande veículo espacial de três estágios, Saturn V, que produziu um empuxo da ordem de 7,5 milhões de libras na decolagem, o módulo de comando e serviço e o módulo de excursão lunar, que foi o primeiro veículo projetado para voar apenas no espaço. É impressionante observar o desenvolvimento rápido da Apolo quando traçamos sua história. Por centenas de anos, o homem sonhara voar. Esse sonho não foi realizado até 1903, quando Wilbur e Orville Wright* – dois despretensiosos mecânicos de bicicleta, de * NRT: Alberto Santos Dumont, brasileiro, nascido em 20 de julho de 1873, na cidade de Palmira (atual SantosDumont), em Minas Gerais, projetou, construiu e pilotou um avião autopropelido motorizado, por ele denominado 14-Bis, com o qual realizou, em 23 de outubro de 1906, o primeiro vôo mecânico autônomo do mundo, devidamente homologado, alcançando a distância de 60 m, em vôo nivelado a uma altura que variava entre 2 m e 3 m, cuja duração foi de 7 segundos.


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Introdução à Engenharia Mecânica

FIGURA 1.10 O astronauta John Young, comandante da missão Apolo 16, caminha sobre a superfície lunar no sítio de pouso Descartes, enquanto saúda a bandeira dos Estados Unidos. O veículo de exploração lunar está parado em frente ao módulo lunar. Reimpresso com permissão da Nasa.

Dayton, Ohio – declararam ter feito o seu primeiro vôo motorizado. Esse vôo, teria durado doze segundos e percorrido 120 pés – distância equivalente a, aproximadamente, um terço do comprimento da nave espacial Apolo. Apenas 66 anos mais tarde, milhões de pessoas em todo planeta testemunharam o primeiro pouso em solo lunar, ao vivo, pela televisão. O programa Apolo talvez seja único entre as conquistas da Engenharia, no sentido de que combinou os avanços tecnológicos, o espírito de exploração e o patriotismo. De fato, as fotografias da Terra, tiradas do espaço, mudaram o modo como víamos a nós mesmos e nosso planeta. A Apolo, a exploração planetária, os satélites de comunicação e mesmo os satélites utilizados para a previsão do tempo seriam impossíveis sem a iniciativa e os esforços dedicados de centenas de engenheiros mecânicos. 3.

Geração de energia. Um aspecto da Engenharia Mecânica envolve projetar máquinas que convertem energia de uma forma em outra. Energia abundante e barata é reconhecida como um fator essencial para o crescimento econômico e a prosperidade, e a geração de energia elétrica é reconhecida como um grande aprimoramento no padrão de vida de bilhões de pessoas ao redor do globo. No século XX, sociedades inteiras foram mudadas à medida que a eletricidade era produzida e distribuída para casas, empresas e indústrias. Pense nas muitas maneiras em que a energia elétrica contribui para as suas atividades cotidianas. Como seria sua vida se você não pudesse depender da eletricidade no momento e no local em que precisasse dela? Realmente, nós consideramos a energia elétrica algo natural, e a falta dela é vista como algo incomum e intolerável.

Os engenheiros mecânicos desenvolvem tecnologias eficientes, utilizadas para converter várias formas de energia armazenada em eletricidade que pode ser distribuída mais facilmente. Os engenheiros mecânicos manipulam a energia química armazenada em elementos combustíveis como o carvão, o gás natural e o óleo; a energia cinética do vento, que aciona turbinas que produzem eletricidade; a energia nuclear em usinas elétricas, navios, submarinos e aeronaves; e a energia potencial dos reservatórios de água, que alimentam as hidroelétricas. Algumas das questões ligadas à geração de energia são o custo do combustível, o custo da construção de estações e usinas de eletricidade, as emissões de poluentes e o impacto potencial sobre o meio ambiente e a confiabilidade e segurança permanentes. A geração em grande escala de eletricidade é um exemplo típico da necessidade de os engenheiros equilibrarem a tecnologia com as considerações sobre o impacto ambiental e a economia. Ao passo que os recursos naturais diminuem e os combustíveis se tornam mais caros por causa do custo do próprio elemento e do impacto ambiental, a Engenharia Mecânica ficará mais envolvida no desenvolvimento de tecnologias avançadas de geração de energia, incluindo a energia solar, dos oceanos e eólica (Figura 1.11).


CAPÍTULO 1

A Profissão Engenharia Mecânica

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FIGURA 1.11 Os engenheiros mecânicos projetam máquinas para gerar eletricidade a partir de uma variedade de fontes renováveis de energia. O campo de geração de energia eólica mostrado aqui incorpora várias turbinas de um milhão de watts. Reimpresso com a permissão da Enron Wind.

4.

Mecanização na agricultura. No início dos anos 1900, um agricultor norte-americano que usava as ferramentas agrícolas e os métodos existentes naquela época era capaz de produzir alimento apenas para um pequeno grupo de pessoas. Com as tecnologias mais eficientes do século XX, um agricultor hoje pode produzir o suficiente para alimentar 130 pessoas. Esse aumento da produtividade na ordem de 40 vezes deve-se, principalmente, ao abandono da tração animal em favor da mecanização. A quarta conquista mais importante da profissão relaciona-se ao desenvolvimento de tecnologias por engenheiros mecânicos, para melhorar a eficiência da indústria agrícola. A automação teve início, efetivamente, com a introdução dos tratores motorizados em 1916 e o desenvolvimento das colhedeiras, que simplificaram muito o processo de colheita de grãos. Décadas mais tarde, as pesquisas avançaram no sentido de se desenvolver a capacidade das máquinas para realizar colheitas automatizadas de campos, sem a intervenção do homem (Figura 1.12). Outros avanços incluem as observações e previsões

FIGURA 1.12 Os veículos-robôs em desenvolvimento podem aprender o formato e o tipo de terreno de uma plantação de grãos, e fazer a colheita dos grãos sem praticamente nenhuma supervisão humana. Reimpresso com permissão do National Robotics Engineering Consortium.


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Introdução à Engenharia Mecânica

FIGURA 1.13 Este modelo em escala de uma aeronave está sendo preparado para ser submetido a testes em um túnel de vento subsônico. Reimpresso com permissão da Nasa.

aprimoradas das condições meteorológicas, bombas de irrigação de alta capacidade, ordenhadeiras automatizadas e bancos de dados informatizados para a gestão de colheitas e controle de pragas. À medida que essas tecnologias se tornam comuns, as pessoas passam a se beneficiar das oportunidades sociais, intelectuais e de emprego nos setores da economia, além da agricultura. A tecnologia da mecanização na agricultura pode ser vista como um fator que torna muitos outros avanços possíveis. 5.

O avião. O desenvolvimento do avião e das tecnologias relacionadas, que tornam o vôo motorizado mais seguro, também foi reconhecido pela Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos como uma conquista importante da profissão. A aviação comercial de passageiros criou oportunidades de viagem para fins comerciais e recreativos, e, em especial, as viagens internacionais tornaram o mundo um lugar muito menor e mais interrelacionado. O advento da viagem aérea possibilitou às famílias separadas geograficamente se reunirem com mais freqüência. Os negócios comerciais são conduzidos em reuniões face a face entre as empresas localizadas em lados opostos de um país ou mesmo do outro lado do mundo. Os exploradores e colonizadores do passado levavam seis meses para cruzar a América do Norte em carros de tração animal; as jornadas levavam dois meses por barco a vapor e diligências; e um trem conseguia completar a viagem em cerca de quatro dias. Hoje, a viagem leva seis horas por avião comercial e é mais segura e confortável do que nunca. Os engenheiros mecânicos desenvolveram ou contribuíram para o desenvolvimento de praticamente todos os aspectos da tecnologia da aviação. Uma das principais contribuições deu-se na área da propulsão. Os aviões antigos eram movidos por motores a explosão movidos por pistões, como o motor de 12 HP usado durante os experimentos dos irmãos Wright. Em contraste, os motores da General Electric Corporation, que movimentam alguns dos aviões Boeing 777, podem desenvolver um empuxo máximo de mais de 100 mil libras. Os avanços na aviação militar de alto desempenho incluem os motores turbofan vetoriais, que permitem ao piloto redirecionar o empuxo do motor para decolagens e pousos verticais (Figura 1.13). Os engenheiros mecânicos projetam os sistemas de combustão, as turbinas e os sistemas de controle desses avançados motores a jato. Eles também lideraram a descoberta e a evolução de materiais aeroespaciais leves, incluindo as ligas de titânio e os compostos de epóxi reforçados com fibra de grafite.


13 • A Profissão Engenharia Mecânica Produção em massa de circuitos integrados. A indústria de componentes eletrônicos desenvolveu tecnologias notáveis para miniaturizar circuitos integrados, chips de memória de computadores e microprocessadores. A Engenharia Mecânica fez contribuições importantes durante o século XX para os métodos de produção envolvidos na fabricação de circuitos integrados. O processador de ótima qualidade 8008, vendido inicialmente pela Intel Corporation em 1972, possuía 2.500 transistores; no processador 386TM, disponível nos anos 1980, havia 275 mil, e no microprocessador Pentium ® 4, introduzido em 2001, existiam mais de 40 milhões de transistores (Figura 1.14). Circuitos integrados com milhões de transistores são hoje um item comum. Essa razão exponencial do incremento do número dos componentes que podem ser montados em um chip de silicone é geralmente chamada de lei de Moore, em homenagem ao co-fundador da Intel Gordon Moore. Com base nos desenvolvimentos passados, essa observação prevê que o número de transistores que podem ser colocados em um circuito integrado dobrará a cada 18 meses. Essa previsão foi feita em 1965 e ainda é verdadeira, embora os engenheiros e cientistas estejam trabalhando para avançar os limites fundamentais da física. CAPÍTULO 1

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Um processo importante na produção de dispositivos semicondutores é a litografia, na qual os padrões de circuitos intricados são reduzidos a miniaturas e transferidos de um padrão (chamado de máscara) para uma placa de silicone. O aprimoramento dessa tecnologia implica a diminuição do tamanho e da espessura dessas placas, e o aumento da capacidade de memória e de processamento de cálculos em um determinado espaço. As ferramentas litográficas mais avançadas atualmente empregam a radiação ultravioleta para imprimir fios tão finos quanto 100 bilionésimos de um metro (100 nanômetros ou 100 nm). Para termos uma idéia do que significa esse tamanho minúsculo, o diâmetro de um cabelo humano é, aproximadamente, mil vezes a espessura desses fios. Os engenheiros mecânicos projetam máquinas, sistemas de alinhamento, controle de temperatura e isolamento de vibração, para tornar possível a fabricação de circuitos integrados tão pequenos e precisos. Além de projetar automóveis, aviões e outros sistemas de dimensão macroscópica, os engenheiros mecânicos também constroem máquinas de tamanho realmente microscópico. Esses “sistemas micromecânicos” são fabricados pela utilização de várias técnicas litográficas e de isolamento de contaminação usadas na produção de circuitos integrados, mas o produto final é um mecanismo ou uma estrutura mecânica, em vez de um dispositivo elétrico. Por meio do emprego dessas técnicas, podem-se construir máquinas com peças móveis tão pequenas que são imperceptíveis ao olho humano, podendo ser vistas apenas através de um microscópio. Como mostra a Figura 1.15, pode-se fabricar engrenagens individuais e depois montá-las em trens de engrenagens que não são maiores que uma partícula de pólen.

FIGURA 1.14 Os engenheiros mecânicos fizeram importantes contribuições para o desenvolvimento das tecnologias necessárias à fabricação de milhões de componentes eletrônicos de dispositivos, tais como microprocessadores. Reimpresso com permissão da Intel Corporation.



Jonathan Wickert

Equilibrando habilidades de resolução de problemas, análise e execução de projetos, aplicações ao mundo real e à tecnologia prática, o autor fornece aos estudantes uma base contínua para o estudo futuro na engenharia mecânica. O texto traz aplicações diversas, como motores a explosão, fabricação rápida de protótipos, projetos de engenharia auxiliados por computador, nanotubos de carbono, robótica, imagem produzida por ressonância magnética, motores a jato, transmissões automáticas e energia solar. A obra conta ainda com muitos exemplos e ilustrações que facilitam o aprendizado, além de diversos problemas e exercícios para revisão.

Aplicações Livro recomendado para a disciplina introdução à engenharia mecânica nos cursos de graduação em Engenharia Mecânica.

Cálculo – Volumes 1 e 2 – 6a Edição James Stewart

Dinâmica Arthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Estática Arthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Mecânica dos Materiais

INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICA

Este livro traz uma abordagem introdutória ao campo da Engenharia Mecânica e proporciona aos estudantes uma visão de como os engenheiros projetam máquinas e ferramentas, as quais contribuem para o avanço de nossa sociedade.

Outras obras

James M. Gere

Mecânica dos Fluidos Merle C. Potter e David C. Wiggert

Pré-Cálculo – 2a Edição revista e atualizada Valéria Zuma Medeiros (Coord.)

Probabilidade e Estatística para Engenharia e Ciências Jay L. Devore

TRADUÇÃO DA 2a EDIÇÃO NORTE-AMERICANA

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