Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Os Motores em Engenharia Mecânica
Motores de Comboios
Projeto FEUP 2014 - Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica:
Coordenadores gerais: Armando Sousa & Manuel Firmino
Coordenador de Curso: Teresa Duarte
Equipa 1M6_4:
Supervisor: Teresa Duarte
Monitor: José Sarilho
Estudantes & Autores:
Bárbara Beatriz Chapelo Braga – up201406204
Bruno Alves Ribeiro de Miranda – up201405646
Carolina Costa Leite Pereira de Melo – up201405900
Joana Costa Leite Pereira de Melo – uo201406409
Miguel Morais Trindade – up201405860
Rogério Filipe Ferreira Lopes – up201405367
Resumo
O presente relatório elaborado pelo grupo 4 da turma 6, no âmbito da unidade
curricular Projecto FEUP, inserida no curso de Mestrado Integrado em Engenharia
Mecânica (MIEM), tem por objectivo uma demonstração de todo o trabalho
desenvolvido à volta do tema “Motores em Engenharia Mecânica”, especialmente
focado nos motores presentes nos comboios.
Assim sendo, os motores utilizados nos comboios sofrerão uma análise vasta,
desde a sua origem/enquadramento histórico, funcionamento e os mecanismos
presentes neste tipo de maquinaria tão antiga e ao mesmo tempo tão moderna até às
suas vantagens e desvantagens. Focar-se-á principalmente três tipos de motores: o
motor a vapor como uma fotografia do passado, o motor eléctrico utilizado na
actualidade e o princípio de levitação utilizado nos Maglev como vislumbre do futuro.
Para enriquecimento deste projecto, foi possível ainda a construção de um
pequeno motor, com material caseiro que pode ser encontrado no dia-a-dia, o qual
assenta nos princípios dos motores que iremos abordar posteriormente. Com toda a
desafiante experiência detalhada, espera-se uma compreensão do leitor após a
análise de todo o relatório.
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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Palavras-chave

Motores

Pressão

Força Motriz

Magnetismo

Movimento
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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Agradecimentos
A realização deste projeto foi apenas possível devido à colaboração de todos
os membros do grupo e da orientação do monitor José Sarilho e da professora Teresa
Duarte.
Assim gostaríamos de agradecer ao nosso orientador José Sarilho pela sua
disponibilidade em esclarecer as nossas dúvidas e nos orientar no sentido de melhorar
o nosso trabalho.
Deixamos também um agradecimento especial para a professora Teresa
Duarte pelos seus conselhos e acompanhamento ao longo da realização do projeto
que foram um elemento essencial para o planeamento e realização deste trabalho.
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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Índice
1. Palavras-chave ...................................................................................................... 3
2. Agradecimentos .................................................................................................... 4
3. Índice ..................................................................................................................... 5
4. Lista de figuras ..................................................................................................... 7
5. Introdução ............................................................................................................. 8
6. Motor a vapor ........................................................................................................ 9
6.1. Enquadramento histórico ................................................................................. 9
6.2. Funcionamento .............................................................................................. 10
6.3. Impacto na sociedade .................................................................................... 11
6.4. Desvantagens ................................................................................................ 12
6.5. Vantagens ...................................................................................................... 12
7. Motor elétrico ...................................................................................................... 12
7.1. Introdução ...................................................................................................... 12
7.2. Funcionamento .............................................................................................. 13
7.3. Tipo de motor elétrico .................................................................................... 14
7.3.1.Motor de indução Trifasico ...................................................................... 14
7.3.2.Motor de indução monofásico ................................................................. 15
7.4. Desvantagens do motor monofásico em relação ao trifásico .......................... 16
8. Comboios de levitação magnética ..................................................................... 17
8.1. Levitação eletrodinâmica................................................................................ 17
8.1.1.Princípio de propulsão............................................................................. 18
8.1.2.Princípio de orientação lateral ................................................................. 19
8.1.3.Vantagens ............................................................................................... 19
8.1.4.Desvantagens ......................................................................................... 20
8.2. Levitação eletromagnética ............................................................................. 20
8.2.1.Sistema de propulsão.............................................................................. 21
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8.2.2.Vantagens ............................................................................................... 21
8.2.3.Desvantagens ......................................................................................... 21
8.3. Levitação por indução .................................................................................... 22
8.3.1.Vantagens ............................................................................................... 24
8.3.2.Desvantagens ......................................................................................... 24
8.4. Consumo de energia ...................................................................................... 25
9. Experiência: Motor de Stirling/termodinâmico ................................................. 26
9.1. Enquadramento no trabalho ........................................................................... 26
9.2. Funcionamento .............................................................................................. 26
9.3. Materiais utilizados......................................................................................... 27
9.4. Procedimento ................................................................................................. 27
9.5. Vantagens ...................................................................................................... 28
9.6. Desvantagens ................................................................................................ 28
9.7. Observações .................................................................................................. 29
9.8. Conclusão ...................................................................................................... 29
10. Conclusão ........................................................................................................... 30
11. Bibliografia .......................................................................................................... 31
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Lista de figuras
Ilustração 1: Comboio a vapor [20]. .............................................................................. 9
Ilustração 2: Fornalha de uma locomotiva a vapor [21]. .............................................. 10
Ilustração 3: Comboio a vapor desativado [22]. .......................................................... 11
Ilustração 4: Comboio elétrico [36]. ............................................................................. 13
Ilustração 5: Indução Eletromagnética [37]. ................................................................ 14
Ilustração 6: Motor de indução trifásico ....................................................................... 15
Ilustração 7: Motor de indução monofásico [42]. ......................................................... 16
Ilustração 8: Transrapid [27] ....................................................................................... 17
Ilustração 9: Maglev japonês [26]................................................................................ 17
Ilustração 10: Aplicação do princípio de levitação por repulsão magnética [28] .......... 18
Ilustração 11: Mecanismo de propulsão [18] ............................................................... 18
Ilustração 12; Trilho de um Maglev eletrodinâmico [29] .............................................. 19
Ilustração 13: Estrutura e eletroímanes que se encontram no comboio [30] ............... 20
Ilustração 14: Consumo de energia. [34]..................................................................... 25
Ilustração 15: Motor de Stirling [23]............................................................................. 26
Ilustração 16: Esquema do Motor de Stirling [24] ........................................................ 26
Ilustração 17: Motor de Stirling Experimental Adaptado e legendado ......................... 27
Ilustração 18: Lata e Cilindros de Cortiça.................................................................... 27
Ilustração 19: Corte da lata ......................................................................................... 28
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Introdução
Os motores são um elemento fulcral na Engenharia Mecânica. Neste trabalho,
serão abordados em especial os motores dos comboios.
Ora, sendo um tema tão geral porquê a selecção dos motores presentes nos
comboios? A verdade é que existe uma linha cronológica bastante marcante e
acentuada onde as evoluções são tão visíveis que despertam o interesse. O motor
utilizado no século XX nas locomotivas em pouco (ou nada) se compara com os
motores utilizados na actualidade. Apesar de o comboio continuar a servir sempre o
seu propósito – permitir o transporte da população e mercadorias – o que mudou até
agora? Essencialmente a concepção do motor.
Entenda-se como motor o mecanismo que transforma qualquer espécie de
energia em energia mecânica, originando uma força motora.
Existindo diversos motores como o motor a diesel, o motor a gás, elétrico e
também os híbridos, irá focar-se o motor a vapor como uma fotografia do passado, o
motor eléctrico utilizado na actualidade e a levitação magnética utilizada nos Maglev
como vislumbre do futuro. Ambos têm os seus prós e contras, história e
desenvolvimento. Para enriquecimento sobre o tema, foi até possível a criação de um
mini motor termodinâmico cujo mecanismo e fonte de energia se assemelha ao motor
a vapor. Assim sendo e não especializando em demasia o assunto, conseguimos
abordar o tema de uma maneira lúdica e simples, apreendendo todos os
conhecimentos necessários.
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Motor a vapor
Enquadramento histórico
O motor a vapor foi o dispositivo que permitiu a criação de vários sistemas de
maquinagem cujo principal combustível é a água. Desenvolvido no século XVIII, foi
gradualmente evoluído, sendo um grande meio de transporte até ao início do século
XX.
As suas origens provêm de um engenheiro greco-egípcio de Alexandria que no
século explorava o vapor como força motriz.
Thomes Newcome, em 1712, criou o primeiro motor amplamente usado. James
Watt, passados 57 anos, projetou uma nova versão do mesmo, só que mais eficiente.
Este novo projeto minimizava perdas de calor e possuía novos mecanismos que
facilitavam a propulsão, e o movimento de rotação.
Graças às modificações de Watt, os motores a vapor passaram a ter como
principal função o movimento de comboios (ver: Ilustração 1) e de barcos, assim como
na indústria e na extração de carvão. Foi esta a base da “famosa” Revolução Industrial
[1].
Ilustração 1: Comboio a vapor [2].
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Funcionamento
O típico motor a vapor de pistão, funciona a partir de uma válvula corrediça, cuja
função é a permissão da entrada do vapor a alta pressão em qualquer lado do cilindro.
Para que a válvula deslize, é necessário uma haste de comando, geralmente
conectada a uma ligação com uma cambota. O vapor de seguida é libertado para a
atmosfera através da chaminé. Isto explica duas coisas acerca dos comboios a vapor:

A água é constantemente perdida devido à descarga de vapor. Esta é a
principal razão pela qual se pode observar em cada estação grandes
reservatórios de água;
 O som que podemos ouvir de um comboio a vapor, não é nada mais, nada
menos, que a libertação de vapor a altas pressões, fazendo assim o som
característico, assobio, que todos nós conhecemos.
Num comboio a vapor, a cambota geralmente liga-se à haste motriz, e daí às
hastes de emparelhamento, cuja responsabilidade é o acionamento das rodas da
locomotiva, que por sua vez liga-se a três rodas motrizes. As três rodas são
conectadas por hastes de emparelhamento de modo a que as rodas girem de forma
semelhante.
Os primeiros automóveis utilizavam também o motor a vapor, (ver: Ilustração 2),
mas foi gradualmente sendo substituído pelo motor de combustão interna. Estes por
sua vez eram mais eficientes em termos de segurança e conforto [1].
Ilustração 2: Fornalha de uma locomotiva a vapor [3].
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Impacto na sociedade

Transporte de mercadorias
A locomotiva a vapor permitiu o transporte de mercadorias a uma taxa muito mais
rápida do que a cavalo. Com os caminhos-de-ferro as pessoas sabiam exatamente
onde e quando as mercadorias chegariam ao destino. Os comboios também deram a
possibilidade de um passeio mais seguro, visto que é muito mais difícil assaltar um
comboio do que uma carroça a cavalos.

Transporte de Passageiros
Apenas cinco anos após a primeira viagem dum comboio de cargas, foi criado um
de passageiros. Isso provocou uma maior necessidade de construção de linhas
ferroviárias. Com tal feito, o tempo médio duma viagem foi reduzido cerca de 90 %.
Isso abriu um novo mundo para a população pois poderiam aceder áreas de
localização remota. Com o aumento das necessidades das pessoas, aumenta também
a necessidade de mais conforto e mobilidade mais rápida. Assim sendo estas
locomotivas foram sendo gradualmente substituídas por outras mais eficientes, (ver:
Ilustração 3).
Ilustração 3: Comboio a vapor desativado [4].

Vendas estimulam mais empregos
O aparecimento da locomotiva desencadeou a necessidade da construção de
caminhos-de-ferro o que levou á criação de novos postos de trabalho. Além disso
proporcionou uma melhor acessibilidade aos bens e consequentemente um aumento
da empregabilidade com o objetivo de responder ao alargamento de produção [5].
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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Desvantagens
- Baixo rendimento, cerca de 30%;
- Preço de compra e de funcionamento elevado;
- Alta taxa de poluentes libertados;
- Perigo devido à alta pressão do vapor;
- Apenas 30% do vapor é utilizado, o qual requer muita energia para a sua produção.
Vantagens
- Qualquer tipo de energia térmica pode ser usado na produção de vapor;
- Não é afetado pelas grandes altitudes.
Motor elétrico
Introdução
Na conceção dos sistemas de tração elétricos foram necessários previamente,
autores como Hans Christian Oersted, que se manifestou como o primeiro ‘grande’
contribuinte, no início do séc. XIX, na descoberta da indução eletromagnética, o que
permitiu relacionar a interação de um íman permanente (estático) com a corrente
elétrica. Assim, houve também o interesse de génios como Ampére, Faraday e Arago
que a partir de observações experimentais alcançaram novos conhecimentos acerca
de fenómenos físicos e leis que ditam as ações eletromecânicas. Porém, apenas
muitos anos depois foram dominados na íntegra os conhecimentos que estão na base
da construção de máquinas capazes de promover a conversão de energia elétrica em
energia mecânica. [6]
Hoje em dia, os motores elétricos detêm um papel extremamente importante no
progresso da humanidade. Devido à extrema versatilidade que possuem, podem ser
utilizados nos mais variados campos de aplicação. Daí que haja um grande
aproveitamento deste recurso na área dos comboios, visto que a utilização de motores
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elétricos acarreta inúmeras vantagens, como por exemplo: o preço ser reduzido face à
utilização de um outro tipo de motor (a diesel); maior capacidade de aceleração e
travagem, o que o torna ideal para o transporte de passageiros em zonas
populacionais densas, e, por último, a sua utilização em comboios de alta velocidade,
visto que não há necessidade de transportar a energia que é requerida para a viagem,
pois esta é transferida para as locomotivas através de fios elétricos (a energia provém
de centrais elétricas).
Com base em alguns estudos, o motor elétrico, atualmente, é um dos meios
mais eficientes para a transformação de energia elétrica em mecânica. Para que estes
possam ser ‘catalogados’ corretamente, é necessário saber alguns dados acerca dos
tipos de motores existentes, princípios de funcionamento, características construtivas
e regras a seguir para a seleção do motor mais adequado à aplicação pretendida.
Ilustração 4: Comboio elétrico [7].
Funcionamento
O motor elétrico baseia-se no princípio do eletromagnetismo, esquematizado
na ilustração 5. Entre os polos do íman existe um espaço no qual são colocadas várias
espiras duma bobina. O campo magnético gerado pelo íman é uniforme, quando existe
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passagem de corrente pela bobina é criada uma força elétrica com ponto de aplicação
na bobina que a faz movimentar. O sentido da corrente é o que irá influenciar o sentido
da força.
Ilustração 5: Indução Eletromagnética [8].
Tipo de motor elétrico
Motor de indução Trifasico
Este motor, representado na ilustração 6, é dos motores de mais robusta e
simples construção. A sua elaboração consiste em duas partes: o estator e o rotor.
O estator é fixo, fundamenta-se em enrolamentos colocados no perímetro
interno do núcleo de ferro. Esses enrolamentos são alimentados por tensão trifásica, e
produzem um campo magnético que gira com velocidade síncrona.
O rotor pode ser de dois tipos:

Rotor bobinado: consta num núcleo em tambor, nos quais há ranhuras
onde são alojados enrolamentos semelhantes ao do estator. Estes
enrolamentos são ligados em estrela.

Rotor gaiola: um núcleo em tambor, nos caios existe fios ou barros de
cobre.
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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A tensão nos enrolamentos do estator produz um campo magnético variável no
tempo. Esse campo magnético possui uma velocidade proporcional a frequência da
rede trifásica. Os enrolamentos estão em curto-circuito logo uma corrente irá percorrer
o enrolamentos do rotor, o que resultará num fluxo magnético no rotor que se tentará
alinhar com o campo magnético do estator [9].
Ilustração 6: Motor de indução trifásico [10]
Motor de indução monofásico
O motor de indução monofásico, é dos elementos electromecânicos mais
utilizados pois revela alta eficiência e simplicidade. Uma vez que a maior parte das
utilizações doméstica não necessitam de elevada potência este motor demonstra ser
um forte candidato na resposta a estas necessidades. Este motor possui no entanto a
inconveniência de necessitar dum circuito secundário que o ajuda no arranque, ao
contrário do motor trifásico.
O motor monofásico apresenta algumas particularidades, em vez de uma
bobina concentrada, o enrolamento encontra-se disposto em ranhuras de modo a
obter uma fmm sinusoidal. Devido a fmm o motor não apresenta conjugado de partida,
pois existe um cancelamento mútuo dela. Este motor não apresenta um campo
girante, mas sim um campo magnético pulsante. No arranque serão accionados
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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enrolamentos auxiliares e um condensador de modo a obter a obter uma fase falsa,
desta forma consegue sair do repouso [11].
Desvantagens do motor monofásico em relação ao trifásico

Apresentam maior volume e peso para potências e velocidades iguais (em
média 4 vezes); em razão disto, o seu custo é também mais elevado
comparativamente com os motores trifásicos;

Necessitam de manutenção mais apurada devido ao circuito de partida e aos
seus acessórios;

Detêm rendimento e factor de potência menor logo maior consumo de energia
(em média 20% maior);

Possuem menor conjugado de partida;

São difíceis de encontrar no comércio para potências mais elevadas (acima de
10 cv) [12].
Ilustração 7: Motor de indução monofásico [13].
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Comboios de levitação magnética
Embora não seja muito comum, já existem comboios que se movem devido ao
fenómeno de levitação magnética. Estes comboios possuem barras supercondutoras
em vez de rodas e calhas, com eletroímanes em vez de carris. As forças magnéticas,
geradas ao contrariar o peso, permitem a flutuação bem como a capacidade de
alterações de velocidade, uma vez que o atrito é inexistente. Este tipo de comboio
consegue deslocar-se a grandes velocidades na ordem dos 500km/h utilizando uma
força propulsora inferior aos comboios convencionais. Já existem alguns exemplares
de comboios movidos por levitação magnética como é o caso do transrapid alemão,
visível na ilustração 8. Contudo, o país onde este projeto se encontra mais avançado é
o Japão, onde o Maglev, observável na ilustração 9, já atingiu os 580km/h [14].
Vários protótipos foram elaborados mas todos tendo por princípio a levitação
magnética, contudo existem três principais métodos utilizados nos comboios:

Levitação eletrodinâmica (por repulsão);

Levitação eletromagnética (por atracão);

Levitação supercondutora (por indução).
Levitação eletrodinâmica
Este tipo de levitação necessita do movimento do campo magnético próximo de
um material condutor. [15]
A levitação por repulsão consiste na utilização de bobinas supercondutoras
colocadas no interior do comboio. Estas geram um campo magnético,
Ilustração 8: Transrapid [16]
Ilustração 9: Maglev japonês [17]
induzindo corrente elétrica nas bobinas encontradas nos trilhos, como é
possível observar na ilustração 10, que, por sua vez, geram um campo
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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magnético induzido e contrário ao que lhe foi aplicado, proporcionando a
levitação do comboio resultante da força de repulsão magnética [18].
Ilustração 10: Aplicação do princípio de levitação por repulsão magnética [19]
Princípio de propulsão
Ao contrário dos comboios tradicionais, no Maglev, o mecanismo de propulsão
não está localizado no veículo, mas sim nos trilhos, visível na ilustração 15.
Neste meio de transporte, as forças de repulsão e de atração geradas são
responsáveis por propulsionar o veículo. As bobinas existentes na lateral dos trilhos
são alimentadas por uma corrente trifásica, provocando um deslocamento do campo
magnético do corredor. Assim, as bobinas supercondutoras serão atraídas e repelidas
por esse campo em movimento, resultando na propulsão do Maglev [18], observado
na ilustração 15.
Ilustração 11: Mecanismo de propulsão [20]
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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Princípio de orientação lateral
Existem umas bobinas, designadas bobinas de levitação, cuja sua configuração
é em forma de "8" e se localizam na lateral dos trilhos, como é possível observar na
ilustração 16. Quando o MAGLEV se aproxima da lateral do corredor, é lhes induzida
corrente elétrica, o que conduzirá à repulsão do comboio por parte das bobinas de
levitação mais próximas e da força de atração das bobinas que se encontram mais
afastadas.
Ilustração 12: Trilho de um Maglev eletrodinâmico [21]
Vantagens

Eficiência na energia: pela utilização da levitação magnética e da propulsão
elétrica. Por exemplo, o sistema Maglev consome cerca de um sétimo da
energia gasta por um Boeing 737-300 numa viagem de 125-620 milhas;

A operação do sistema Maglev não depende da utilização de combustíveis
derivados de petróleo, apenas da energia elétrica, que pode ser gerada por
outros meios;

Eficiência mecânica: resultados da redução drástica do atrito e perdas de
energia por aquecimento na operação do veículo;

Velocidades altas: em torno de 500km/h ou acima, devido a operação do
veículo sem nenhum contato físico com os trilhos;
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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
Desgastes e manutenções mínimas requeridas pelo sistema [18].
Desvantagens
 Utilização de sistema de refrigeração para as bobinas supercondutoras [18].
Levitação eletromagnética
A levitação magnética resulta da interação entre um eletroíman e um corpo
ferromagnético, que origina a suspensão do corpo.
Quando a força magnética e o peso estão em equilíbrio, o Maglev permanece
em levitação a cerca de 10 mm dos trilhos. Contudo, o equilíbrio gerado é muito
instável, por isso é necessário um sistema de realimentação e correções. Logo, sem
uma fonte de realimentação, não é possível a levitação do comboio [22].
Ao longo de todo o veículo existem eletroímanes, que se encontram tanto nas
laterais que envolvem o trilho como, na parte inferior, observável na ilustração 17.
Estes eletroímanes são controlados eletronicamente assim, os que estão encurvados
para baixo da pista exercem uma força de repulsão sobre as barras ferromagnéticas
que consequentemente provocará a levitação do comboio, enquanto que os que se
encontram na parte lateral do trilho são responsáveis pela sua orientação lateral [23].
Ilustração 13: Estrutura e eletroímanes que se encontram no comboio [24]
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Sistema de propulsão
O sistema de propulsão utiliza um motor linear síncrono que além de fazer
mover o comboio também pode ser utilizado para o fazer parar. Este motor funciona
como um motor elétrico.
Quando se faz passar corrente alternada no motor é gerado um campo
eletromagnético viajante que vai induzir o movimento do comboio. A velocidade pode
ser continuamente controlada através da regulação da corrente alternada. Se a
direção do campo eletromagnético for alterada para o sentido oposto o comboio inicia
a travagem, a energia de travagem pode ser regenerada e aproveitada na rede elétrica
pública [23], [25].
Vantagens

Não há emissão de poluentes em toda a sua trajetória;

Não há emissão sonora dos rolamentos nem da propulsão, por ser uma
tecnologia baseada na levitação, não existe contacto mecânico;

Motor
linear
síncrono
possibilita
altas
potências
na
aceleração
e
desaceleração, possibilitando subidas de elevado grau de inclinações;

Viagens confortáveis e seguras com velocidade de 200 a 350km/h regionais, e
acima de 500km/h para viagens a longa distância;

Baixa utilização de espaço na construção de trilhos elevados. Por exemplo,
nas áreas agrícolas os trilhos podem passar acima das plantações [18].
Desvantagens

Maior instabilidade por ser baseado em forças de atração magnética;

Cada vagão deve possuir circuitos com feedback que controlam a distância
entre a pista e o suporte;

Perdas de energia no controlo dos circuitos ou dos eletroímanes, podem
causar a perda de levitação [18].
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Levitação por indução
Ainda não existe nenhum modelo em escala real de comboios com este modo
de funcionamento, contudo estão a ser desenvolvidos alguns protótipos e projetos
como o da ilustração11 do Inductrack (nome dado a estes comboios) [26].
Ilustração 11: Projeto de um comboio de indução magnética [27]
Este tipo de levitação é o único que não necessita de eletroímanes potentes
nem ímanes supercondutores. Em vez destes, utiliza apenas ímanes evidenciados na
ilustração 12 que não necessitam de uma refrigeração especial e que são pouco mais
potentes do que ímanes vulgares.
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Ilustração 12: Aplicação do princípio de levitação por indução magnética [28]
Existe uma cadeia de barras de ímanes em cada vagão denominada cadeia de
Halbach representada na figura13. Nesta cadeia cada barra tem uma determinada
posição e orientação específicas para que quando as barras são colocadas nessas
posições haja uma interação entre as linhas de campo, formando um campo
magnético forte por baixo do comboio. Nos trilhos são colocadas bobinas isoladas que
serão as responsáveis pela levitação do comboio através da indução magnética
nessas bobinas que geram corrente induzida e, consequentemente, um campo elétrico
contrário ao que lhe foi induzido, exercendo força de repulsão [23].
Ilustração 13: Esquema da cadeia de Halbach [29]
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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O Inductrack apenas começa a levitar a partir de uma determinada velocidade
ficando apenas a 2,54cm do trilho. Este método de levitação permite uma maior
estabilidade já que a força de atração aumenta com a diminuição de afastamento entre
o comboio e o trilho.
Para a estabilidade lateral é colocada uma cadeia de Halbach embora mais
pequena de cada um dos lados [18].
Vantagens

Sistema simples comparado com levitação por atração e repulsão magnética;

Sistema muito mais económico do que os anteriores [30].
Desvantagens

Esse modelo não possui um protótipo na escala real, possuindo apenas
protótipos em laboratório;

Utilização da levitação magnética apenas em movimento acima da velocidade
limite, sendo que nesse intervalo, é necessário a utilização de rodas para o
movimento inicia [18].
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Consumo de energia
Através da análise do gráfico representado na ilustração 14 podemos concluir
que o consumo de energia de um comboio de levitação magnética é muito menor do
que o consumo de energia de um comboio de alta velocidade tradicional e garantem
uma eficiência maior já que alcançam velocidades muito maiores. As principais razões
que levam à diminuição do consumo de energia são a diminuição do atrito, uma vez
que não há contacto com a pista, a elevada eficiência do motor e a diminuição da
resistência do ar devido à aerodinâmica do veículo.
Ilustração 14: Consumo de
energia. [31]
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Experiência: Motor de Stirling/termodinâmico
Enquadramento no trabalho
O motor de Stirling (ilustração 15) foi inventado por um
escocês chamado Robert Stirling, em 1816, com o objetivo de
criar um mecanismo mais seguro do que o motor a vapor, devido Ilustração 15: Motor de Stirling [34]
às muitas explosões existentes derivadas do mau
desenvolvimento das caldeiras da altura [32], [33].
Funcionamento
O motor de Stirling utiliza um gás que pode variar desde hélio, ar ou outros
tipos de substâncias gasosas como fluído de trabalho. Assim todas as ações ocorrem,
lembrando que o gás não é de qualquer forma desperdiçado ou expulso, através das
variações de volume desse gás que depende por sua vez das variações de
temperatura existentes nas extremidades da lata (neste caso), ou seja, o gás expandese quando é aquecido e contrai-se quando é refrigerado.
Adaptando o motor à experiência, as extremidades da lata vão funcionar como
dois locais onde irão existir
variações
de
temperatura
alternadas, ou seja, quando na
parte de baixo o ar está a
aquecer (porque a superfície
inferior da lata irá estar em
contacto com a chama da vela)
o êmbolo encontrar-se-á em
cima, e, por sua vez, em cima
Ilustração 16: Esquema do Motor de Stirling [35]
o ar está frio ou a refrigerar. Uma
vez quente, o ar que se encontra
em baixo, é menos denso que o ar frio (que se encontra em cima) e terá tendência a
subir, neste passo o êmbolo irá baixar e o ar frio que outrora estivera em cima vai para
baixo começando a aquecer. Logicamente o ar quente que, neste momento, foi para
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cima começa a ficar frio (causa: superfície superior fria) e o ciclo começa, assim, de
novo.
Em analogia aos fenómenos meteorológicos poderá dizer-se que existe um
género de correntes de convecção, daí que este tipo de motores seja considerado
termodinâmico.
Materiais utilizados

Tábua de madeira

Barras de alumínio

Cruzeta de metal

Balões

Pioneses

Barrinhas de madeira

Lata de refrigerante

Vela

Cilindro de cortiça

Fio

Prego
Ilustração 17: Motor de Stirling Experimental
Adaptado e legendado
Procedimento
1º A partir da cruzeta metálica cortar, com auxílio de um alicate de corte, um
segmento de metal com cerca de 30 cm de comprimento, o que corresponde,
aproximadamente, à parte retilínea da cruzeta;
2º Com a ajuda de um alicate de pontas
transformar o segmento metálico, predefinido
inicialmente (no 1º passo), numa cambota;
3º Cortar a parte de cima de uma lata de
refrigerante com um xisato, para que esta sirva de
‘camisa’ e que dentro de si se desloque um
êmbolo (um cilindro de cortiça) (ilustrações 18 e
Ilustração 18: Lata e Cilindros de Cortiça
19);
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4º Criar um suporte para a cambota e a camisa do motor (lata). Para tal, fazer
um buraco circular na tábua de madeira com o diâmetro da lata, de modo a que esta
caiba no seu interior. Nas extremidades da tábua aparafusar 2 barras de alumínio,
previamente furadas, verticalmente, para que nelas seja fixada a cambota do motor;
5º Nas duas barrinhas de madeira fazer um furo em cada
uma delas, para que estas, depois de devidamente enfiadas no
êmbolo, auxiliem o pistão;
6º Recortar um balão de modo a que este consiga cobrir
a superfície cortada da lata, realizando a sua função de
pistão/diafragma;
7º No cilindro de cortiça pregar um prego no centro da
base, de maneira a que se consiga amarrar um fio que deverá
Ilustração 19: Corte da lata
servir de ligação entre o êmbolo e a cambota, não esquecendo que como o balão se
localiza no meio destes dois componentes é necessário furar o balão com um alfinete,
para que o fio realize o seu percurso sem obstáculos;
8º Por último, no lado do balão que ficará voltado para o interior da lata
deverão ser afixados pioneses de modo a que estes unam as barrinhas de madeira ao
balão, conseguindo desta forma atingir o movimento de contração e descontração
pretendido de forma a que o motor entre em funcionamento.
Vantagens

Pode ser alimentado por qualquer tipo de fonte de calor (exemplos: gasolina,
álcool, biomassa, sol);

Funcionamento silencioso;

Eficiência em volta dos 40%, ou seja, um rendimento bastante considerável em
relação a outras tecnologias;

Longo período de vida (25000 horas).
Desvantagens

Dificuldade no isolamento do gás e na pressurização do mesmo;

Motores de pequena densidade energética;

As fontes de calor podem deixar resíduos que afetem o motor (alcatrão,
ferrugem). [32]
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Observações
Como auxílio e orientação foi necessário
recorrer
a
vídeos
do
youtube
(http://www.youtube.com/watch?v=FCjYZT6FJm4)
que ensinam didaticamente a produzir motores de
Stirling caseiros (ilustração 20). No entanto,
existiram algumas adversidades na produção do
protótipo do grupo sendo a mais notória a
construção da cambota através da cruzeta porque
era necessário que esta se normalizasse com
medidas rigorosamente definidas não podendo
ocorrer nenhum deslize nas dobras efetuadas no
ferro da cruzeta, o que se tornou difícil devido à Ilustração 20: Resultado final do Motor de
Stirling
rigidez do material em causa e às ferramentas
precárias (apenas alicates) que constavam no inventário.
Conclusão
A realização da experiência revelou-se a parte mais desafiante e ambiciosa do
trabalho. Numa primeira tentativa o motor não funcionou devido à existência de muito
atrito entre as peças e material utilizado não apropriado, por consequência a rotação
do eixo realiza-se com muitas oscilações, o suporte era frágil, o balão usado era
demasiado pequeno para a área da lata a cobrir. Após avaliação, concluiu-se o que
haveria de ser melhorado, sendo construída uma nova versão do motor, na qual foi
reduzido o peso do êmbolo, passando a ser usada cortiça; reduziu-se o diâmetro da
lata para obtenção de espaço para o balão, e o eixo ficou simétrico.
No ensaio de teste, o motor funcionou quando lhe foi transmitida energia
cinética através duma roda ligada ao eixo, no entanto, a chama não foi
suficientemente forte para manter o motor em rotação. Alterou-se, portanto, a chama
por uma mais forte, proveniente duma lamparina, (antes estava a ser usada uma vela)
sendo assim possível perceber a diferença de uma para a outra. Porém, não era
suficiente para vencer as forças de atrito.
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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Conclusão
O trabalho teve como objetivo a abordagem aos motores utilizados nos
comboios. Os tópicos relatados foram gerais, visto que o grupo não possuía um
grande conhecimento específico acerca dos princípios utilizados no funcionamento
dos motores.
Durante a realização do projeto, diversos desafios apareceram, tanto a nível
teórico como prático. Uma das primeiras dificuldades descobertas foi o explicar do
funcionamento do motor, onde existiu informação em demasia e em diferentes
formatos (eletrónicos, livros, teses…), em que a qualidade não teve o sinónimo de
quantidade. No entanto, graças a vídeos didáticos pesquisados no Youtube o projeto
começou a ganhar dimensão e uma maior adesão a nível da compreensão (de cada
motor e respetivo funcionamento).
Com a leitura do relatório, depreende-se a abordagem de 3 grandes tipos de
comboios: o a vapor, o elétrico e o de levitação magnética. Este estudo visa não só
compreender a evolução ferroviária como também o crescimento da sociedade nos
últimos dois últimos séculos. Portanto, com a informação averiguada, é de notar que a
evolução permitiu uma deslocação rápida e segura da população assim como a
criação de redes de distribuição em que o comboio teve um papel crucial no ramo
logístico.
É possível também relacionar esta temática de trabalho com as energias
renováveis e a preocupação ecológica, acompanhando a evolução através de uma
sequência cronológica, que se inicia no comboio a vapor, no qual eram lançados para
a atmosfera grandes quantidades de CO2, provenientes da queima de toneladas de
carvão, passando pelo elétrico em que a fonte de energia é a eletricidade,
maioritariamente gerada a partir de poluentes, até, finalmente, ao comboio de
levitação magnética que é visto como tecnologia de ponta, tanto em termos ambientais
como em velocidade e sofisticação.
Conclui-se assim, que os motores, para o caso, presentes nos comboios, têm
um papel essencial no quotidiano e na evolução da sociedade, sendo mesmo tidos em
conta como um dos maiores feitos da espécie humana.
Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios
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