Como de costume, aqui no Clube da Mecatrônica Jovem sou desafiado a desenvolver algum projeto com papelão, e baseado no tema da edição, que neste caso é Energia Alternativa, resolvi construir algo que aproveitasse a força dos ventos, como você pode ver nas próximas páginas.
Revista Mecatrônica Jovem - Edição 6 - Energias Alternativas
O Desafio:
Montar algo que converta a energia gerada pela força do vento em outra energia ou força.
Buscando informações
Antes de sair rabiscando qualquer coisa, resolvi buscar informações sobre a utilização o vento pelos humanos, e desde a antiguidade, os nossos ancestrais utilizavam o vento como uma ferramenta meteorológica, para impulsionar barcos e balões, girar moinhos, empinar pipas e atualmente gerar energia elétrica.
O meu objetivo era converter a energia fornecida pela força dos ventos em energia elétrica, mas antes seria interessante saber se com papelão seria possível construir algo que realmente funcionasse.
Fazendo as buscas em documentos antigos, descobri diversos esquemas de moinhos de vento que datavam de 1.700 à 1.900 bem detalhados, com as medidas e peças bem detalhadas. Os moinhos de vento são bem antigos, não sabemos exatamente onde foi construído o primeiro moinho, mas eles foram sendo aperfeiçoados com o desenvolvimento das técnicas de ferramentas e de novos materiais. Na figura 1 temos um desenho de um moinho de vento de 1851 do engenheiro alemão G. Krook
É claro que o protótipo do esquema é muito complexo para montarmos num trabalho escolar, então pensei em montar um moinho de vento com contornos simples e robustos, afinal o moinho de papelão teria que enfrentar a fúria dos ventos.
Muitos moinhos foram criados para moerem sementes em farinha, mas encontrei moinhos de ventos para elevarem a água para os canos, ou como máquinas para amolar ferramentas.
A função básica do moinho é converter o movimento do vento que vem na posição horizontal num movimento vertical, e para isso utiliza duas engrenagens, como podemos ver na figura 2.
Rabiscando o Projeto
Para facilitar o projeto, resolvi dividi-lo em 3 partes, sendo a primeira as pás, a segunda a torre e a terceira o sistema de engrenagens do moinho, como mostra a figura 3.
Comecei pelas pás (b – p – r), pois precisava descobrir qual seria o tamanho máximo que teria cada uma das pás, utilizando apenas os palitos de churrasco e papelão. Sabia que teria um problema a ser resolvido, pois quanto maior fossem as pás, mais força teria para mover o sistema inteiro, porém o papelão tem uma certa resistência, e se a pá for muito grande, ela pode dobrar com a força do vento, se for pequena ela não terá força suficiente para girar as engrenagens. Optei por utilizar o tamanho do palito (a) de churrasco, que era de 25 cm, logo o tamanho completo das pás ficaria em 50 cm de diâmetro.
Com a primeira medida em mente, o tamanho das pás, poderia desenhar a torre (g) , pois do chão até o eixo das pás, deveria ter no mínimo 25 cm, mas achei melhor dar uma margem maior para fazer o furo do eixo da pá.
Quem deve aproveitar a força do vento são as pás e não a torre, ou seja, a torre não pode oferecer nenhuma resistência ao vento. No primeiro momento pensei em fazer a torre no formato cilíndrico, como boa parte dos moinhos já construídos são, mas o papelão não deixaria fazer um cilindro perfeito, então optei por fazer um hexágono (seis lados), tendo cada lado com 10 cm. Você poderá tentar o formato cilíndrico se tiver um papelão bem simétrico.
Para o sistema de engrenagens, resolvi fazer dois discos (i) com 10 cm de diâmetro e fazer os dentes das engrenagens com palitos de dente. No eixo vertical temos a engrenagem superior que se conecta à engrenagem do eixo horizontal, e na parte inferior uma peça que parece uma pá que gira dentro de uma panela, isso representa um moedor. Para segurar tanto a panela na base como a engrenagem no topo criei duas bases de seis lados e as colei nas paredes da torre, assim elas ficariam presas e centralizadas, o eixo horizontal ficam presas em duas paredes da torre. Também criei algumas buchas para travarem o eixo horizontal sem impedir o seu giro. Na figura 4 você encontra o desenho que fiz como projeto da montagem que veremos a seguir.
A Montagem
Com as medidas em mão, comecei a riscar as placas de papelão e colando as peças cortadas. Comecei com as pás (b – p - r) , colando os palitos (a) na bucha (k) conforme a montagem da figura 5.
Depois de seco, coloquei as pás, enfiando o palito pela ranhura central do papelão, mas pode ser preciso passar cola nos palitos para grudar no papelão. Para que se aproveite a força do vento, as pás precisam estar um pouco inclinadas, todas para o mesmo lado.
A torre montei 6 partes com 10 cm (f) por 32 cm de altura (g), colando a primeira parte com a última.
Desenhei e cortei duas bases (i) com 19,3 cm de diâmetro, mas no formato hexagonal, de forma a se encaixar dentro da torre. Colei a primeira base (d) a 1 cm acima do chão e a segunda a 11 cm abaixo do topo. Na base que vai no topo, a que segura a engrenagem do eixo vertical, aproveitei o furo do compasso para passar o palito de churrasco, porém, para o eixo horizontal, você precisará furar bem no centro da lateral da torre, lembrando que do topo à base temos 11 cm (5,5 cm) e as paredes 10 cm (5 cm). A figura 5 mostra as demais medidas das peças e suas localizações.
Nas engrenagens temos os palitos de dente que servem de contato ou alavanca, mas elas precisam encaixar perfeitamente uma na outra, e como fazer isso?
Um círculo tem 360 graus, se colocarmos um palito a cada 10 graus, teremos 36 palitos, se colocarmos um palito a cada 20 graus teremos 18 palitos, em nosso caso, ambos dariam certo, pois nosso projeto não precisa de tanta precisão, logo você poderá calcular quando dentes precisa ter e dividir pelos 360 graus do círculo. Vale lembrar que papelão e palito de dente costumam envergar em contato com a cola úmida, logo não tente fazer uma engrenagem com muitos dentes, pois pode engripar qualquer dente torto, ou fazer com poucos dentes para a engrenagem não patinar. Fica a dica ai para um bom desafio, descobrir quantos dentes você precisa para uma engrenagem forte, leve e precisa.
Com o disco de 10 cm em mãos, pegue o compasso e faça um círculo interno com o raio de 4,5 cm, e com o transferidor faça marcas neste círculo a cada 10 graus. A cada marca passe um palito, e depois de todos os palitos colocados, passe cola para dar resistência. Repita esta operação com a outra engrenagem.
Com as peças da torre, pás e engrenagens secas, precisamos montar a terceira etapa do projeto, que é conectar os eixos. Primeiro começamos com o eixo vertical, onde passamos o palito pela base superior, colocamos a pá (m) e encostamos na panela (l) na base da torre, a parte superior que sobrou colocamos a engrenagem. Note que colei alguns pedaços de papelão nas engrenagens e eixo da pá para dar resistência, mais área para a cola grudar e não soltar do disco. Depois das peças do eixo vertical secar, gire com a mão para ver se não tem nada impedindo a rotação do eixo.
Agora é preciso passar o eixo das pás pela lateral da torre, mas que este eixo não se desloque para frente e para trás, é importante colocar algumas buchas (j) entre as paredes, note que antes de passar o eixo pela parede do fundo o palito precisa passar pela engrenagem. Cole a engrenagem de modo que os palitos tenham contato com os palitos do eixo vertical. Lembre-se de colar pedaços de papelão para dar suporte e área de cola ao disco.
Cortei uma janela numa das laterais da torre para poder ver a ação do vento girar as engrenagens e assim o moinho. Está janela é útil na hora das apresentações em sala de aula.
Gerando Energia Elétrica
Agora que descobrimos como é possível aproveitar a força do vento para realizar um trabalho mecânico (moer ou misturar algo), podemos utilizar este mesmo sistema para gerar energia elétrica.
Porém o que acabamos de montar não será possível fazer isso, pois precisamos de mais força do vento para girar uma roldana maior e assim girar rapidamente um motor, que por sua vez produzirá energia.
Os motores convertem energia elétrica em movimento, motores de carrinhos de brinquedos fazem isso, pegam energia das pilhas e convertem em movimento para as rodas. Porém é possível fazer o inverso, girar um motor rapidamente e ele converter a energia mecânica em elétrica, onde podemos por exemplo, acender um LED.
Para que pudesse girar o eixo do motor que encontrei aqui nas minhas sucatas, precisei recorrer à ciência das polias, onde criei uma polia grande que servirá de eixo para as pás, e com um elástico como correia, conectar o eixo do motor. Assim, a cada volta completa da polia, várias voltas no eixo do motor serão dadas, desta forma conseguiremos girar o eixo do motor rapidamente. Como podemos ver na figura 6, precisei criar uma base e reforço para segurar o motor, a polia e a tensão do elástico e do vento, como também criei reforço para o eixo do papelão, pois todas as forças atuando juntas o papelão tende a dobrar.
Liguei um LED ao motor, e conforme girava as pás o LED acendia, caso o LED não acenda, troque os terminais de posição, ou gire as pás no sentido contrário, pois o LED tem um sentido certo em que circula a corrente. É preciso de uma certa velocidade para acender o LED, então faça testes com a mão mesmo, girando as pás.
Em nossas lives ou no discorde você encontrará vídeos com eles funcionando, veja a figura 6.
Conclusão
Mais um desafio que aprendi como converter a energia gerada pela força do vento em movimento mecânico ou elétrico. Este é um tipo de trabalho bem interessante para ser apresentado em trabalhos escolares, oficinas makers ou feiras de ciências, como também para aqueles que gostam de descobrir como funcionam as coisas. Assim como as antigas competições das pontes de macarrão, é possível para os professores criarem uma competição de quem consegue gerar mais energia com montagens iguais a essa, tendo em mãos apenas um multímetro.
Aconselho a você que for montar este projeto de não seguir fielmente as medidas, pois cada papelão tem sua estrutura com medidas diferentes, como a distância entre as estrias como a espessura também. Logo as medidas que coloco aqui são baseadas no papelão que tenho em mãos, mas pelo menos espero que sirvam como base para a sua montagem.
