UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
Perspectiva biomimética do ninho
da andorinha-dos-beirais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM
CIVIL
BRUNO MIGUEL MACHADO DA SILVA
Vila Real, 2009
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Bruno Miguel Machado da Silva
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dosbeirais
Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para
a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador Cientifico: JorgeTiagoQueirósdaSilvaPinto
Julho de 2009
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Agradecimentos
O trabalho que executei, quer no conteúdo quer na forma, teria sido impossível de realizar
se não tivesse tido o apoio, a ajuda e o incentivo das pessoas que a seguir, sem pretender
esquecer ninguém, vou mencionar. A todos os meus melhores agradecimentos.
Aos funcionários dos laboratórios de Química Fina e Aplicada da UTAD, Microscopia
Electrónica da UTAD e Materiais e Solos do Departamento de Engenharia Civil da UTAD
e que são Carlos Matos, Lisete Fernandes e Ricardo Cardão, respectivamente, pela ajuda
que me deram, cada um na sua área, mas todos com a mesma simpatia e disponibilidade.
Ao meu orientador, Professor Doutor Tiago Pinto, por me ter conduzido neste longo
processo e por ter sabido ser exigente, mas ao mesmo tempo liberal, para me dar espaço
para trabalhar ao meu ritmo.
Ao Professor Doutor José Morais pela disponibilidade demonstrada e por me ter
introduzido ao tema biomimética. Ao Professor Doutor Teixeira Pinto, pela simpatia e
disponibilidade que demonstrou, mas também pelo entusiasmo e determinação que me
incutiu. Ao Professor Doutor Pedro Tavares, pela grande ajuda com o capítulo sobre
microscopia electrónica. Ao Professor Doutor Fernando Nunes, pelo exemplo que foi para
mim, como um modelo de profissionalismo, pela simpatia e disponibilidade que
demonstrou ao longo de muito tempo, mesmo quando a agenda apertava. Ao Engº José
Correia, pela grande ajuda com o capítulo sobre a simulação numérica.
A toda a minha família pelo apoio demonstrado ao longo deste ano, especialmente às
minhas irmãs, Tânia e Sónia, pela ajuda com algumas revisões de texto e ao meu avô,
Mário Machado, por ser um modelo de rectidão e lealdade inigualável. À minha namorada,
Mónica Vaz, pelo carinho e apoio que sempre tive ao dispor, e pela grande ajuda com a
formatação do trabalho.
A todos cordiais saudações e os melhores cumprimentos.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
RESUMO
A terra é um material natural, ecológico, reciclável e abundante e, como tal, foi sempre e
volta agora a ser considerado como sendo um dos materiais/soluções de construção de
eleição, com enorme potencial. Na construção tradicional portuguesa encontram-se várias
soluções construtivas recorrendo ao uso da terra crua, com uma importante expressão. Este
património construído necessita de ser conservado. Neste contexto, o presente trabalho tem
como principal objectivo dar um contributo na temática das soluções de melhoramento do
comportamento e reforço de elementos construtivos em terra a partir do estudo
biomimético de um ninho de andorinha-dos-beirais. De modo a identificar a eventual
existência de algum fenómeno de aglutinação ocorrido durante o processo de construção de
um ninho de andorinha-dos-beirais, procedeu-se a um trabalho experimental de
caracterização a partir de amostras recolhidas em diferentes ninhos encontrados na zona de
Vila Real. Para a identificação da composição química inorgânica e mineralógica das
amostras recolhidas realizaram-se análises em Scanning Electron Microscopy / Energy
Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS) e por difracção de raios-X. Para a identificação da
composição orgânica das amostras recolhidas foi feita a quantificação colorimétrica do teor
de proteínas pelo método de biureto, e do teor de polissacarídeos/açucares pelo método dos
açúcares totais. Os resultados experimentais relativos às amostras retiradas dos ninhos
quando comparados com resultados similares relativos a amostras de argila recolhidas na
mesma zona de origem dos ninhos, são muito semelhantes, destacando-se apenas a
presença de polissacarídeos/açucares nas amostras de ninho. Por sua vez, uma análise
numérica do ninho permitiu compreender o funcionamento desta estrutura natural de terra
crua e verificar que apresenta uma capacidade resistente à tracção relevante. Ensaios
mecânicos de amostras de solo argiloso misturado com uma solução à base do polímero
extraído do ninho revelaram uma melhoria de comportamento mecânico. Pretende-se que a
partir dos resultados obtidos neste trabalho de investigação se possam retirar sugestões
para o desenvolvimento de soluções de estabilização e de melhoramento de elementos
construtivos existentes de terra crua.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
ABSTRACT
The paradigm of hearth being a historical and a modern building material has been related
to the fact that it is natural, ecological, recycled, abundant and economic. Among the
traditional portuguese building techniques are included the ones that uses hearth and that
are relevant. The construction built under these techniques must be preserved. In this
context, the main objective of this research work is to give a contribution on the material
properties field and, in particular, on the reinforcement techniques of this type of
construction, based upon a biomimetic study focused on the andorinha-dos beirais nest. In
order to identify a possible occurrence of an agglutination phenomenon during the building
process of the nest, an experimental study of identification/characterization of the nest`s
material using samples gotten in the Vila Real area was carried on. The
identification/characterization of the elementary chemical and the mineral compositions of
the material were done by the scanning electron microscopy/energy dispersive
spectroscopy (SEM/EDS) and by the X-ray diffraction analysis respectively. The
identification/characterization of the organic composition was done using colorimetric
analysis which the protein components were detected by the biuret methodology and the
polysaccharides/sugars components by the total sugar technique. The results show that the
andorinha-dos-beirais adds a certain amount of a certain type of sugar into the clay
material during the building process of the nest. This component may increase the quality
of the hearth as a raw material. A numerical modelation of the nest as a natural smart
structure using a computer program able to do a finite element analysis allowed to figure
out that this structure has an unexpected tension strength capacity.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Índice
Agradecimentos ............................................................................................................... 2
RESUMO ........................................................................................................................... 3
ABSTRACT ...................................................................................................................... 4
Índice de Tabelas ............................................................................................................ 7
Índice de Imagens ........................................................................................................... 8
1. Introdução .................................................................................................................. 11
1.1 Biomimética .................................................................................................................. 11
1.2 Campos de aplicação ................................................................................................... 12
1.3 Exemplos de modelos naturais de construção de terra ............................................ 16
1.3.1. Ninho de térmitas .................................................................................................... 16
1.3.2. Ninho de Vespa ........................................................................................................ 18
1.3.3. Ninho da andorinha-dos-beirais ............................................................................. 19
2. Caso de Estudo – ninho da andorinha-dos-beirais ...................................... 20
2.1 Andorinha-dos-beirais ................................................................................................ 20
2.2 A construção do ninho................................................................................................. 23
3. Recolha de amostras de ninho ............................................................................. 26
4. Medição dos ninhos ................................................................................................. 28
5. Simulação numérica do ninho ............................................................................. 30
5.1 Modelo de elementos finitos do ninho ........................................................................ 30
5.2 Resultados obtidos através da simulação numérica ................................................. 32
5.2.1 Cenário de carga – C1 .............................................................................................. 32
5.2.2 Cenário de carga – C2 .............................................................................................. 33
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
5.2.3 Cenário de carga – C3 .............................................................................................. 34
5.2.4 Cenário de carga – C4 .............................................................................................. 35
5.2.5 Discussão de resultados ............................................................................................ 36
6. Identificação/Caracterização da composição do material do ninho ...... 38
6.1 Análise SEM/EDS ........................................................................................................ 38
6.2 Difracção de raios-X .................................................................................................... 44
6.3 Análise colorimétrica................................................................................................... 47
6.4 Cromatografia iónica .................................................................................................. 51
7. Ensaios mecânicos.................................................................................................... 58
8. Conclusões .................................................................................................................. 70
9 - Bibliografia ............................................................................................................... 73
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Índice de Tabelas
Tabela 1: .............................................................................................................................. 21
Classificação Científica da Andorinha-dos-beirais ........................................................... 21
Tabela 2: .............................................................................................................................. 29
Dados relativos aos ninhos recolhidos................................................................................ 29
Tabela 3: .............................................................................................................................. 30
Valores médios das dimensões das amostras dos ninhos .................................................... 30
Tabela 4: .............................................................................................................................. 31
Cenários de carga ............................................................................................................... 31
Tabela 5: .............................................................................................................................. 41
Identificação/caracterização da composição química elementar pela análise SEM/EDS . 41
Tabela 6: .............................................................................................................................. 50
Resultados absorvâncias da argila e da amostra de Ninho de São Dinis pelo método de
Biureto e pelo método dos açúcares totais .......................................................................... 50
Tabela 7: .............................................................................................................................. 51
Resultados absorvâncias da argila e das amostras de Ninho pelo método dos açúcares
totais .................................................................................................................................... 51
Tabela 8: .............................................................................................................................. 54
Resultados da concentração de açúcares das amostras de referência e de Ninho ............. 54
Tabela 9: .............................................................................................................................. 63
Resultados do ensaio de rotura à compressão dos provetes de solo misturado com água
ultra-pura ............................................................................................................................ 63
Tabela 10: ............................................................................................................................ 64
Resultados do ensaio de rotura à compressão dos provetes de solo misturado com solução
extraída do material de ninho ............................................................................................. 64
Tabela 11: ............................................................................................................................ 65
Identificação/caracterização da composição química elementar pela análise SEM/EDS dos
provetes ................................................................................................................................ 65
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Índice de Imagens
Figura nº.1: Esquema da técnica da hemodiálise............................................................................. 13
Figura nº. 2: Enguia eléctrica........................................................................................................... 14
Figura nº. 3: Stun gun ...................................................................................................................... 14
Figura nº. 4: Morcego ...................................................................................................................... 15
Figura nº. 5: Funcionamento do bíceps humano.............................................................................. 15
Figura nº. 6: Cimbre auto-lançável superior em deslocação para uma nova posição ...................... 16
Figura nº. 7: Ninho de térmites ........................................................................................................ 17
Figura nº. 8: Ninho de térmites com duas pessoas .......................................................................... 18
Figura nº. 9: Ninho de vespa............................................................................................................ 18
Figura nº. 10: Ninhos de andorinha-dos-beirais .............................................................................. 19
Figura nº. 11: andorinha-dos-beirais................................................................................................ 20
Figura nº. 12: Distribuição geográfica da Andorinha-dos-Beirais .................................................. 22
Figura nº. 13: Cria a ser alimentada................................................................................................. 23
Figura nº. 14: Ligação do ninho à parede e ao beiral ...................................................................... 24
Figura nº. 15: Recolha de argila para a construção do ninho .......................................................... 25
Figura nº. 16: Amostras recolhidas.................................................................................................. 26
Figura nº. 17: Amostras recolhidas.................................................................................................. 26
Figura nº. 18: Amostras recolhidas.................................................................................................. 27
Figura nº. 19: Dimensões avaliadas nos ninhos............................................................................... 28
Figura nº. 20: Malha de elementos finitos do ninho ........................................................................ 31
Figura nº. 21 a): Campo de tensões, σy, em MPa (vista A) ............................................................. 32
Figura nº. 21 b): Campo de tensões, σy, em MPa (vista B) .............................................................. 33
Figura nº. 22: Campo de tensões, σy, em MPa ................................................................................ 34
Figura nº. 23: Campo de tensões, σy, em MPa ................................................................................. 35
Figura nº. 24: Campo de tensões, σy, em MPa ................................................................................. 36
Figura nº. 25: Evolução das reacções de apoio em função da pressão interna actuante .................. 36
Figura nº. 26: Evolução das tensões na direcção do carregamento em função da pressão interna
actuante ............................................................................................................................................ 37
Figura nº. 27: Desagregação de material ......................................................................................... 39
Figura nº. 28: Pinos de alumínio...................................................................................................... 40
Figura nº. 29: Depositador de ouro/paládio ..................................................................................... 40
Figura nº. 30: Microscópio electrónico ........................................................................................... 40
Figura nº. 31: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de referência .................... 42
Figura nº. 32: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de Mateus ........................ 43
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 33: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de São Dinis .................... 43
Figura nº. 34: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de Noura .......................... 44
Figura nº. 35: PANalytical modelo X’Pert PRO com detector X’Celerator.................................... 45
Figura nº. 36: Porta amostras ........................................................................................................... 46
Figura nº. 37: Gráficos combinados da composição mineralógica resultantes da Difracção de raiosX ....................................................................................................................................................... 46
Figura nº. 38: Pesagem das amostras............................................................................................... 48
Figura nº.39: Adição de água destilada ........................................................................................... 48
Figura nº. 40: Aparelho de Ultra-Sons ............................................................................................ 49
Figura nº. 41: Centrifugadora .......................................................................................................... 49
Figura nº. 42: Espectofetómetro de absorvância molecular............................................................. 49
Figura nº. 43: Porta-amostras do cromatógrafo iónico .................................................................... 53
Figura nº. 44: Cromatógrafo iónico ................................................................................................. 53
Figura nº. 45: Cromatograma da amostra de referência .................................................................. 55
Figura nº. 46: Cromatograma da amostra de ninho de Mateus ........................................................ 56
Figura nº. 47: Cromatograma da amostra do ninho de Noura ......................................................... 56
Figura nº. 48: Cromatograma da amostra de ninho de São Dinis .................................................... 57
Figura nº. 49: Desagregação do material ......................................................................................... 58
Figura nº. 50: Extracção de material do tipo polissacarídeos/açúcares através do equipamento de
ultra-sons .......................................................................................................................................... 59
Figura nº. 51: Filtragem da solução ................................................................................................. 59
Figura nº. 52: Conservação das amostras ........................................................................................ 60
Figura nº. 53: Série de peneiros ASTM ........................................................................................... 60
Figura nº. 54: Misturadora ............................................................................................................... 61
Figura nº. 55: Moldes para o fabrico dos provetes .......................................................................... 61
Figura nº. 56: Provetes no molde ..................................................................................................... 62
Figura nº. 57: Prensa de compressão do tipo Form-test, Prüfsysteme, Zwietalter Strabe 20, D.
88499 Riedlingen ............................................................................................................................. 62
Figura nº. 58: Provetes com água ultra ultra-pura descofrados ....................................................... 63
Figura nº. 59: Provetes com solução extraída do material de ninho após a rotura .......................... 64
Figura nº. 60: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de solo misturado com água
ultra-pura .......................................................................................................................................... 66
Figura nº. 61: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de solo misturado com
solução extraída do material do ninho.............................................................................................. 67
Figura nº. 62: Material do provete de solo misturado com água ultra-pura .................................... 67
Figura nº. 63: Material do provete de solo misturado com solução extraída do material do ninho. 68
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 64: Gráficos combinados da composição mineralógica resultantes da difracção de raiosX dos dois tipos de provetes............................................................................................................. 68
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
1. Introdução
1.1 Biomimética
Desde que a vida surgiu na Terra a evolução natural dos seres vivos, em que a espécie
humana se inclui, tem sido o resultado de processos de luta constante pela sobrevivência.
Cada ser vivo tende a adaptar-se a novas adversidades encontrando soluções que visam
alcançar a máxima performance através do gasto mínimo de recursos. As “invenções”
naturais há muito que nos fascinam e que nos têm inspirado a atingir diversos algoritmos,
métodos, materiais, processos, estruturas, ferramentas, mecanismos e sistemas. Existem
muitos exemplos de imitações de soluções naturais, que são geralmente muito simples, o
caso das barbatanas para nadar é um destes exemplos. Outros exemplos de imitação foram
inspirados em sistemas biológicos de grande complexidade, nos quais se inclui o domínio
do voo que só se tornou possível depois de se melhor compreender os princípios da
aerodinâmica (Bar-Cohen, 2006, pp. V).
Segundo Steele (1960), cit. por Bar-Cohen (2006, pp. 2) a biomimética é o termo de
designação do campo de estudo envolvendo a cópia, a imitação e a aprendizagem da
biologia. Quinion (1997) afirma que os cientistas estão, cada vez mais, a investigar
espécies de animais e de plantas que lhes permitirão criar novos materiais e compostos.
Este novo campo da biomimética tem muitas facetas associadas. Alguns cientistas
recorrem a métodos naturais de fabrico de componentes químicos para desenvolver outros
(a cola à prova de água foi desenvolvida ao estudar um adesivo natural produzido por
moluscos; recentes trabalhos de investigação estão a tentar desenvolver uma tinta de água
não poluente através da imitação do modo como as asas dos insectos crescem e secam).
Para Geada (2006):
“ a biomimética visa o estudo da Natureza no sentido de aprender com ela (e não
sobre ela) e utilizar esse conhecimento em diferentes domínios da ciência.
Proveniente do grego “bios”, que significa vida, e “mimesis”, que significa
11
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
imitação, a biomimética baseia-se no estudo de sistemas biológicos para
desenvolver ou aperfeiçoar novas soluções de engenharia, já que os problemas por
eles enfrentados são similares, em muitos aspectos, aos encontrados em sistemas de
engenharia. Os biomiméticistas encontram na Natureza um modelo perfeito de
imitação, de inspiração, pois ela tem muito para nos ensinar, tem muitas respostas
às nossas questões. É nesse âmbito, da imitação/inspiração nos modelos/processos
da natureza, que os biomiméticistas procuram respostas com vista a solucionar os
seus problemas”.
A biomimética é uma área da ciência emergente. Neste capítulo irão ser apresentados
alguns exemplos de trabalhos de investigação desenvolvidos em diversos campos de
aplicação e que mostram o potencial da biomimética.
1.2 Campos de aplicação
Têm sido realizados inúmeros trabalhos de investigação na biomimética e em campos de
aplicação bastante diversificados o que reforça a ideia desta área da ciência e revela que a
natureza é um modelo de imitação imensurável.
Na medicina, têm sido dados passos no sentido de desenvolver um rim artificial. No
tratamento da insuficiência renal tem sido utilizada, nos últimos anos, a técnica da
hemodiálise, que tem conseguido resolver alguns dos problemas associados a esta
patologia. (Gottschalk. & Fellner, 1997, cit. por Bar-Cohen, 2006, pp. 451). Na Figura nº.
1 é mostrado um esquema de aplicação desta técnica.
12
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº.1: Esquema da técnica da hemodiálise (fonte: www.kidney.org)
Esta técnica tem a desvantagem do paciente ter longos períodos de tempo diário de
tratamento que em termos práticos se traduz em que permanecer várias horas por dia ligado
na máquina. Este facto tem implicações na perda de mobilidade e na alteração do estilo de
vida do paciente. De forma a contornar este problema e a conseguir uma melhor
“imitação” das funções de um rim humano está a ser desenvolvido um protótipo de um rim
bioartificial (Moussy, 2000, cit. por Bar-Cohen, 2006, pp. 452). Este é constituído por
cavidades fibrosas em que as células se desenvolvem em mono camadas confluentes,
funcionando assim como um veículo que permite a continuidade das actividades
metabólicas e endócrinas (Humes et al, 1997 & Nikolovsky et al, 1999, cit. por Bar-Cohen,
2006, pp. 452). Uma vez que estas cavidades fibrosas não estão expostas ao sangue do
paciente, poderão assim evitar-se os problemas de rejeição (Nikolovsky et al, 1999, cit. por
Bar-Cohen, 2006, pp. 452). Os primeiros resultados deste sistema têm sido encorajadores
para os seus investigadores.
Na área do armamento, baseado no mecanismo biológico de defesa da enguia eléctrica
(Figura nº. 2), foi criada uma arma de defesa não letal, que por descarga eléctrica imobiliza
o agressor (Alexander et al, 1996, cit. por Bar-Cohen, 2006, pp. 356).
13
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 2: Enguia eléctrica (fonte: www.klickescolas.com.br)
O funcionamento desta arma é explicado pelo seu criador Alexander (1996), da seguinte
forma “A small, two-pronged, hand held electrical discharge weapon. Effective range is
less than an arm length. It works by affecting the muscle signal paths, disturbing the
nervous system”. A Figura nº. 3 mostra um agente a fazer uma demonstração do uso desta
arma.
Figura nº. 3: Stun gun (fonte: www.msnbc.msn.com)
Para resolver problemas tecnológicos associado aos sistemas de abastecimento de gás
natural, foi desenvolvido um medidor de vazão de gás baseado no sonar de morcegos,
Figura nº. 4.
14
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 4: Morcego (fonte: fotosdenatureza.blogspot.com)
Os medidores de vazão existentes apresentam geralmente a limitação de reduzida precisão
de leitura do tempo de propagação das ondas ultrassónicas. No modelo natural dos
morcegos essa limitação não ocorre atendendo a que é gerado um sinal ultrassónico com
largura e componente de alta frequência suficientes para permitir uma maior precisão de
medição de tempo de propagação destas ondas. Deste modo, o morcego serviu de modelo
natural para o desenvolvimento de um medidor de vazão de gás mais preciso, uma vez que
permite uma melhor relação sinal/ruído (Reis et al, 2006, pp. 89 - 98).
Na engenharia civil, foi desenvolvida a técnica do pré-esforço orgânico, para resolver
problemas no funcionamento de estruturas e aumentar a durabilidade de materiais. Esta
técnica recorreu-se do funcionamento do músculo do bíceps humano (Figura nº. 5) como
modelo de imitação natural. Ao ser aplicada uma acção, os nervos (sensores) detectam
deformações e comunicam essa informação ao cérebro (autómato), que as analisa e
transmite uma ordem aos músculos (actuadores), que por sua vez se contraem esticando os
tendões (cabos de pré-esforço) de forma a minimizar as tracções nos ossos (estrutura base).
Figura nº. 5: Funcionamento do bíceps humano (fonte: André et al, 2003, pp. 4)
15
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Os primeiros estudos experimentais da técnica de pré-esforço orgânico (OPS) tiveram em
vista a sua a aplicação a cimbres auto-lançáveis. Esta técnica foi já utilizada com sucesso
na construção da Ponte sobre o Rio Sousa (Figura nº. 6), no início de 2004, cujo projecto é
da autoria da empresa Lisconcebe (André et al, 2003).
Figura nº. 6: Cimbre auto-lançável superior em deslocação para uma nova posição
(fonte: André et al, 2003, pp. 11)
1.3 Exemplos de modelos naturais de construção de terra
Cerca de metade da população mundial, aproximadamente três biliões de pessoas
distribuídas pelos seis continentes, habitam ou trabalham em edifícios construídos com
terra (Rael, 2008).
Existem diversos exemplos de construções naturais processadas à base de terra crua e que
podem servir de casos de estudo numa perspectiva biomimética para a obtenção de
informação que possa ser útil no contexto da engenharia civil e, em particular, na
construção de terra.
Algumas dessas construções naturais são o ninho de térmitas, o ninho de vespa e o ninho
da andorinha-dos-beirais. Seguidamente serão descritos, de forma muito sucinta, estes três
exemplos.
1.3.1. Ninho de térmitas
16
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
As térmitas da África subsariana constroem ninhos que, à sua escala, são estruturas
naturais gigantescas e que apresentam uma elevada capacidade resistente. Estas
construções são feitas com uma mistura de terra e de enzimas segregado por estes insectos.
Esta construção natural tem despertado a atenção de diversos investigadores e tem sido
fonte de inspiração para o desenvolvimento de trabalhos de investigação. Um exemplo
desses trabalhos de investigação é o projecto TERMES que pretende estudar o efeito do
complexo sistema de canais internos do ninho no controle da climatização no interior dessa
construção (Sandkings, 2004).
A Figura nº. 7 mostra um ninho de térmitas e observa-se que se trata de uma construção de
terra de grandes dimensões em que a relação de dimensões ninho/térmita é enorme.
Também se observa que esta construção tem uma secção transversal cujas dimensões se
reduzem no sentido base/topo.
Figura nº. 7: Ninho de térmites (fonte: pedromoraiscardoso.wordpress.com)
A forma geométrica do ninho e o material compósito (mistura de terra com líquidos
enzimáticos segregados pelas térmitas) conferem uma elevada capacidade resistente desta
estrutura natural de terra crua. A Figura nº. 8 demonstra este facto.
17
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 8: Ninho de térmites com duas pessoas (fonte: diamang.com)
1.3.2. Ninho de Vespa
As vespas também são insectos especialistas em construções de terra. Há dois tipos de
espécies de vespas, as solitárias e as sociais. As vespas solitárias fazem ninhos de barro e
de grãos de areia. As vespas sociais fazem ninhos de “cartão”, (obtidos a partir de fibras de
madeira decomposta) e que são muito comuns de se encontrarem nos beirais das casas
(Prezoto et al, 2008).
A espécie das vespas solitárias é a mais abundante. Este tipo de vespa constrói o seu ninho
com barro e grãos de areia e, está suspenso numa árvore, elemento constitutivo de uma
habitação (Figura nº. 9).
Figura nº. 9: Ninho de vespa (fonte: Prezoto et al, 2008)
18
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
1.3.3. Ninho da andorinha-dos-beirais
O ninho da andorinha-dos-beirais é feito de lama misturada com saliva da andorinha-dosbeirais. Este tipo de ninho apresenta uma forma de taça e geralmente é constituído nos
beirais das habitações, Figura nº. 10.
O ninho da andorinha-dos-beirais é feito a partir de argila que esta ave recolhe em cursos
de água localizados nas proximidades do local do ninho. A andorinha-dos-beirais recolhe
pequenas porções de argila húmida e transporta-a com o bico até ao local onde se situa o
ninho.
Deste modo, o ninho é construído parcialmente até atingir a forma final. O local escolhido
para a localização do ninho é geralmente os beirais das construções, Figura nº. 10, que
conferem uma certa protecção à água da chuva.
Uma descrição mais detalhada sobre esta construção natural será processada seguidamente
e atendendo a que esta construção estará relacionada com o caso de estudo estudado neste
trabalho de investigação.
Figura nº. 10: Ninhos de andorinha-dos-beirais (fonte: aimagemdapaisagem.nireblog.com)
19
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
2. Caso de Estudo – ninho da andorinha-dos-beirais
No presente trabalho, o ninho da andorinha-dos-beirais foi o modelo natural estudado. Esta
investigação pretendeu aferir se esta ave introduz alguma espécie de aglutinante natural à
argila na fase de construção do ninho capaz de induzir um aumento de qualidade do
material. Esta informação poderá então ser muito útil no contexto da construção civil e,
nomeadamente, no melhoramento de soluções construtivas que usam terra crua.
2.1 Andorinha-dos-beirais
A andorinha-dos-beirais ou andorinho-dos-beirais (Delichon Urbicum) é uma ave
migratória que pertence à família das andorinhas (Hirundinidae) (Sangster et al, 2004, pp.
153 - 157; Itis Standard Report). Esta ave é estival na Europa (excepto na Islândia), no
norte de África e nas regiões temperadas da Ásia, e, por sua vez, é invernal na África
subsariana e na Ásia tropical. Esta ave alimenta-se exclusivamente de insectos, que captura
em pleno voo, pelo que migra para regiões que apresentam climas que proporcionam a
abundância de insectos voadores.
Figura nº. 11: andorinha-dos-beirais (fonte: flickr.com)
A andorinha-dos-beirais tem a cabeça e a parte superior do corpo preto-azuladas,
contrastando com o branco do uropígio e da parte inferior do corpo e tal como mostra na
Figura nº.11 (Turner & Rose, 1989, pp. 226 – 233).
20
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Segundo Linnaeus (1758) a espécie da andorinha-dos-beirais pode ser classificada segundo
o exposto na Tabela 1.
Tabela 1:
Classificação Científica da Andorinha-dos-beirais (fonte: Royal Society for the Protection
of Birds, 2008)
Domínio:
Eukaryota
Sub-reino:
Metazoa
Filo:
Chordata
Subfilo:
Vertebrata
Infrafilo:
Gnathostomata
Superclasse:
Classe:
Subclasse:
Ordem:
Subordem:
Tetrapoda
Aves
Neognathae
Passeriformes
Passeri
Família:
Hirundinidae
Género:
Delichon
Espécie:
D. Urbicum
Esta ave pode ser encontrada tanto no meio rural como no meio urbano. A Andorinha-dosBeirais apesar de se encontrar em declínio na Europa (BirdLife International, 2004), tem
uma grande população global e por isso não se considera que se encontre em perigo de
extinção (BirdGuides). A Figura nº. 12 apresenta as zonas em que é possível encontrar a
Andorinha-dos-Beirais. Segundo a União Internacional para a Conservação da Natureza
(IUCN) o estado de conservação desta ave é considerado pouco preocupante.
21
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 12: Distribuição geográfica da Andorinha-dos-Beirais
(fonte:www.answers.com)
De acordo com a União Internacional para a Conservação da Natureza a classificação
designada por Extinta quer dizer há certeza de que o último indivíduo da espécie morreu.
Extinta na natureza (EW) significa que a espécie é apenas conhecida como sobrevivendo
por cultivo, em cativeiro ou como população naturalizada, fora da sua área de distribuição
natural. Em perigo crítico (CR) é considerado que a espécie enfrenta um risco
extremamente elevado de extinção na natureza. Em perigo (EN) quando a espécie enfrenta
um risco muito elevado de extinção na natureza. Uma espécie classificada como
Vulnerável é considerada como estando a sofrer um risco elevado de extinção na natureza.
Quase ameaçada (NT) é a classificação que consideram que a espécie que provavelmente
enfrenta ameaça de extinção num futuro próximo. Segura ou pouco preocupante,
corresponde à classificação de LC e neste domínio os indivíduos da espécie existem na
natureza em número elevado e amplamente distribuídos. A espécie da Andorinha-dosBeirais apresenta um estado de conservação de LC.
A espécie nominal Delichon Urbicum tem cerca de 12 a 13 cm de comprimento, uma
envergadura de asas de 26 a 29 cm e um peso médio de 18,3 g (Turner & Rose, 1989, pp.
226 – 233). Uma postura desta ave é geralmente constituída por 4 a 5 ovos. Os ovos são
brancos e têm um tamanho médio de 1,90 cm de comprimento, 1,33 cm de diâmetro e um
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
peso médio de 1,7 g. A incubação dos ovos dura geralmente 14 a 16 dias e é feita
essencialmente pela fêmea. As crias recém-eclodidas são altriciais e necessitam de 22 a 32
dias para abandonar o ninho, dependendo das condições atmosféricas. Os progenitores
continuam a alimentar as crias durante cerca de uma semana após estas terem saído do
ninho. Ocasionalmente, as crias da primeira ninhada ajudam os progenitores a alimentar a
segunda ninhada (Turner & Rose, 1989, pp. 226 – 233). A Figura nº. 13 mostra uma cria
de idade de cerca de 22 dias a ser alimentada por um dos progenitores.
Figura nº. 13: Cria a ser alimentada (fonte: flickr.com)
Existem duas ninhadas por ano em que o mesmo ninho é utilizado. O ninho é reparado e é
reutilizado novamente nos anos seguintes.
Na Europa ocidental e central a maioria destas aves abandona as suas áreas de nidificação
até ao final de Outubro. Contudo, não é vulgar encontrar aves que adiam a sua partida até
meados de Dezembro. Durante a época de reprodução esta ave caça a uma altura média de
21 m e a uma distância do ninho inferior a 450 m. Por sua vez, nas zonas onde passa o
Inverno, a andorinha-dos-beirais caça a alturas superiores aos 50 m (Turner & Rose, 1989,
pp. 226 – 233).
2.2 A construção do ninho
Originalmente, a andorinha-dos-beirais apenas nidificava em falésias e cavernas. Contudo,
hoje em dia, é frequente encontrar ninhos desta ave em edifícios ou em pontes e,
preferencialmente, em zonas próximas da existência de água. No contexto dos edifícios, os
ninhos da andorinha-dos-beirais são construídos na zona de ligação entre a parede e o
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
beiral, ficando deste modo reforçados pela ligação a dois planos distintos (Figura nº. 14) e,
simultaneamente, protegidos de predadores e das intempéries, em particular da chuva
(Bar-Cohen, 2006, pp.21; Turner & Rose, 1989, pp. 226 – 233).
Figura nº. 14: Ligação do ninho à parede e ao beiral
(fonte:www.animalpicturesarchive.com)
Tal como se pode observar na Figura nº.14 o ninho tem a forma de uma “taça fechada”
com uma abertura estreita na parte superior. O ninho é construído com pedaços de argila
(figuras nº. 14 e 15) ligados entre si com saliva e é forrado interiormente com palha, ervas,
penas ou outros materiais macios
(Turner & Rose, 1989, pp. 226 – 233; BirdLife
International, 2004). A construção de um ninho poderá demorar até cerca de 10 dias e é
levada a cabo tanto pelo pela fêmea como pelo macho (Royal Society for the Protection of
Birds, 2008). Frequentemente, o pardal-doméstico ocupa o ninho durante a sua construção,
forçando deste modo a andorinha-dos-beirais a construir um outro ninho. A abertura
existente no topo do ninho terminado apresenta dimensões reduzidas o que já não permite a
ocupação dos pardais-domésticos (Coward, 1930, pp.252 – 254) .
24
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 15: Recolha de argila para a construção do ninho (fonte: flickr.com)
Atendendo a que a andorinha-dos-beirais tende a nidificar em colónias numerosas os
ninhos podem, por isso, ser construídos em contacto uns com os outros e tal como ilustra a
Figura nº. 13. Geralmente, as colónias têm menos de 10 ninhos, embora haja registos de
colónias que apresentam milhares de ninhos (Turner & Rose, 1989, pp. 226 – 233).
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
3. Recolha de amostras de ninho
De forma a realizar o trabalho experimental inerente a este trabalho de investigação foi
necessária a recolha de alguns ninhos de andorinha-dos-beirais na região.
Para o efeito, recolheram-se ninhos em duas freguesias de Vila Real que foram Mateus
(Figura nº. 16) e São Dinis (Figura nº. 17) e, numa freguesia de Murça, Noura (Figura nº.
18). Esta tarefa foi realizada nos dias 15 de Outubro e 11 de Novembro de 2008 e, nestas
datas, as crias já tinham abandonado os ninhos recolhidos.
Figura nº. 16: Amostras recolhidas (Freguesia de Mateus)
Figura nº. 17: Amostras recolhidas (Freguesia de São Dinis)
26
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 18: Amostras recolhidas (Freguesia de Noura)
Foram recolhidos 2 ninhos em cada uma das freguesias identificadas anteriormente
perfazendo deste modo um total de 6 ninhos recolhidos para a realização deste trabalho.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
4. Medição dos ninhos
De forma a se conhecer a forma geométrica dos ninhos recolhidos procedeu-se à medição
das dimensões desses ninhos “In Situ”. As dimensões avaliadas foram a altura do ninho
(A), a largura máxima do ninho (B), a profundidade máxima do ninho (C) e a espessura
média da parede do ninho (D). A Figura nº. 19 ilustra esquematicamente as grandezas A, B
e C.
a) Alçado frontal do ninho
b) Alçado lateral do ninho
Figura nº. 19: Dimensões avaliadas nos ninhos
Outra grandeza que também foi avaliada foi a massa dos ninhos. Todas estas grandezas
estão apresentadas na Tabela 2.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Tabela 2:
Dados relativos aos ninhos recolhidos
Amostra
Freguesia
Peso (g)
A (cm)
B (cm)
C (cm)
D (cm)
1
S.Dinis
388
12,7
18,3
7,4
2,1
2
S.Dinis
414
12,3
17,7
8,1
2,2
3
Mateus
375
11,6
17,6
7,8
2,1
4
Mateus
584
13,2
18,2
8,2
2,2
5
Noura
393
11,8
18,3
7,7
1,9
6
Noura
403
12,1
18,4
7,9
2,2
Através dos dados da Tabela 2 constata-se que a massa média dos ninhos recolhidos é de
426 g, que a altura média é de 12,3 cm, a largura média é de 18,1 cm, que a profundidade
média é de 7,9 cm e que a espessura média da parede dos ninhos é de 2,1 cm.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
5. Simulação numérica do ninho
5.1 Modelo de elementos finitos do ninho
Com vista à modelação numérica da estrutura do ninho, foi construído um modelo de
elementos finitos em 3D usando o código comercial ANSYS. Foi construído o modelo
paramétrico em linguagem APDL do ANSYS, considerando para tal, elementos tipo
sólido. Estes sólidos foram modelados usando elementos isoparamétricos hexaédricos de
20 nós (SOLID95).
O modelo foi construído de acordo com a geometria apresentada na Figura nº. 19. As
dimensões geométricas utilizadas no modelo de elementos finitos correspondem à média
aritmética das dimensões das amostras de ninho recolhidas, e tal como se pode observar na
Tabela 3.
Tabela 3:
Valores médios das dimensões das amostras dos ninhos
B (cm)
A (cm)
C (cm)
D (cm)
12.3
18.1
7.9
2.1
Na Figura nº. 20 ilustra-se a malha de elementos finitos do ninho definida. Os nós de apoio
do ninho foram restringidos em todas as direcções, foi considerado o peso próprio do ninho
e uma pressão interna, simulando o peso das andorinhas. Foram simulados quatro cenários
de carga que estão identificados na Tabela 4.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Tabela 4:
Cenários de carga
Designação
Cenários de carga
C1
Peso próprio do ninho
C2
Peso próprio do ninho + 2 progenitores
C3
C4
Peso próprio do ninho + 2 progenitores +
4 ovos
Peso próprio do ninho + 4 aves adultas
O material do ninho foi modelado como sendo um material isotrópico e elástico. Foi
assumido um peso específico do material (γ) de 18 kN/m3, um módulo de Young (E) de 1
GPa e um coeficiente de Poisson (ν) igual a 0.25.
Este modelo foi utilizado para avaliar os diagramas de tensões da estrutura que simula o
ninho, para os diferentes cenários de carga.
Figura nº. 20: Malha de elementos finitos do ninho
Considerou-se que a capacidade resistente máxima à compressão do material que constitui
o ninho, encontra-se entre os valores 0.5 MPa-3 Mpa (Varum, et al, 2008), que são os
31
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
valores usualmente encontrados nos ensaios de rotura à compressão em blocos de adobe. A
capacidade resistente máxima à tracção é cerca de 20% da capacidade resistente em
compressão. Importa referir que nas várias simulações foi imposta uma pressão interior
sobre a superfície do ninho, para os cenários de carga descritos na Tabela 4. Foram
também retiradas as reacções nos apoios para estudar a sua evolução ao longo dos cenários
descritos.
5.2 Resultados obtidos através da simulação numérica
5.2.1 Cenário de carga – C1
As figuras nº. 21 a) e b) representam o campo de tensões segundo a direcção do
carregamento para o cenário de carga C1. Constata-se que os valores extremos das tensões
se observam nos apoios. Constata-se também que as tensões de compressão ocorrem na
parte inferior do ninho, junto ao plano de contacto com o apoio, exceptuando esta parte, em
todo o ninho ocorrem tensões de tracção. O valor máximo de tensões de compressão é de
0,106×10-14 Mpa e as tensões máximas de tracção tomam o valor de 0,176×10-14 Mpa. São
portanto valores muito baixos e são inferiores ao valor mínimo dos intervalos de 0,5 Mpa-3
Mpa e 0,1 Mpa-0,6 Mpa da capacidade resistente máxima à compressão e tracção deste
material.
Figura nº. 21 a): Campo de tensões, σy, em MPa (vista A)
32
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 21 b): Campo de tensões, σy, em MPa (vista B)
5.2.2 Cenário de carga – C2
A Figura nº. 22 representa o campo de tensões segundo a direcção do carregamento para o
cenário de carga C2. Mais uma vez se constata que os valores extremos das tensões se
observam nos apoios, e as tensões de tracção são predominantes. O valor máximo de
tensões de compressão é de 0,872×10-4 Mpa e as tensões máximas de tracção tomam o
valor de 0,254×10-4 Mpa. Este cenário é mais gravoso do que o anterior, mas mesmo assim
os valores das tensões são muito baixos e são inferiores ao valor mínimo dos intervalos de
0,5 Mpa-3 Mpa e 0,1 Mpa-0,6 Mpa da capacidade resistente máxima à compressão e
tracção deste material.
33
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 22: Campo de tensões, σy, em MPa
5.2.3 Cenário de carga – C3
A Figura nº. 23 representa o campo de tensões segundo a direcção do carregamento. Os
valores extremos das tensões são também observados nos apoios. O valor máximo de
tensões de compressão é de 0,103×10-3 Mpa e as tensões máximas de tracção tomam o
valor de 0,302×10-3 Mpa. Estes valores continuam a ser muito baixos e são inferiores ao
valor mínimo dos intervalos de 0,5 Mpa-3 Mpa e 0,1 Mpa-0,6 Mpa da capacidade
resistente máxima à compressão e tracção deste material. Mais uma vez há predominância
de tensões de tracção no ninho para este cenário de carga, que é mais gravoso do que os
dois anteriores.
34
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 23: Campo de tensões, σy, em MPa
5.2.4 Cenário de carga – C4
A Figura nº. 24 representa o campo de tensões segundo a direcção do carregamento.
Constata-se que os valores extremos das tensões se observam nos apoios. O valor máximo
de tensões de compressão é de 0,174×10-3 Mpa e as tensões máximas de tracção tomam o
valor de 0,509×10-3 Mpa. Com a observação das figuras nº. 21, 22, 23 e 24 conclui-se que
este é o cenário mais gravoso, mas mesmo assim os valores máximos das tensões são
muito baixos e são inferiores ao valor mínimo dos intervalos de 0,5 Mpa-3 Mpa e 0,1 Mpa0,6 Mpa da capacidade resistente máxima à compressão e tracção deste material.
35
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 24: Campo de tensões, σy, em MPa
5.2.5 Discussão de resultados
Com estes resultados conclui-se que as variações nas cargas na superfície do ninho
provocam variações nas reacções de apoio, sendo que a situação mais gravosa é quando
ocorre o carregamento C4.
Evolução das Reacções de Apoio em função da pressão interna actuante
0.4
Reacção de apoio (N)
0.3
0.2
0.1
0
3.E-05
-0.1
4.E-05
5.E-05
6.E-05
7.E-05
-0.2
-0.3
-0.4
Fy Apoio A
Fy Apoio B
-0.5
Fz Apoio A
-0.6
Fz Apoio B
Pressão Interna Actuante (N/mm2)
Figura nº. 25: Evolução das reacções de apoio em função da pressão interna actuante
36
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Tensão Normal (N/mm2)
Evolução das Tensões em função da pressão interna actuante
Pressão Interna Actuante (N/mm2)
Figura nº. 26: Evolução das tensões normais na direcção do carregamento em função da pressão
interna actuante
Ao observar as figuras nº. 25 e 26, que apresentam a evolução das reacções de apoio em
função da pressão interna actuante e a evolução das tensões normais em função da pressão
interna actuante respectivamente, conclui-se que, tanto as reacções de apoio como as
tensões normais, têm um crescimento directamente proporcional às cargas aplicadas no
ninho. Conclui-se também que, mesmo para o cenário de carga mais grave (C4), o ninho
tem um funcionamento estrutural onde predominam tensões de tracção, mas os valores
máximos de tensões de tracção e compressão são inferiores a 0,5 Mpa e 0,1 Mpa, que são
os valores mínimos da capacidade resistente máxima à compressão e tracção
respectivamente.
37
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
6. Identificação/Caracterização da composição do material do ninho
Os objectivos deste trabalho de investigação foram identificar/caracterizar exaustivamente
a composição química elementar e composição orgânica do material do ninho a saber se a
andorinha-dos-beirais incorpora algum componente durante o processo de construção do
ninho, e verificar se esse confere melhores qualidades materiais ao ninho. Deste modo, este
conhecimento pode ser aplicado no domínio da construção civil e, em particular, no
contexto da construção que usa terra crua.
Para o efeito foram usadas as amostras de ninhos descritas anteriormente e também foram
usadas amostras de argila recolhidas na região. As amostras de argila foram consideradas,
neste estudo, como sendo o material de referência. A identificação/caracterização da
composição
química
elementar
e
orgânica
das
amostras
de
ninho
e
a
identificação/caracterização das mesmas composições das amostras de argila e, por sua
vez, a composição dessas composições permitirá perceber se existe alguma componente
adicional no material dos ninhos e induzido pela andorinha-dos-beirais.
Para se efectuar o estudo experimental de identificação e de caracterização do material
foram realizados os seguintes ensaios de análise: Scanning Electron Microscopy/Energy
Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS), Difracção de raios-X, análise colorimétrica (método
de biureto e método dos açúcares totais), cromatografia iónica. Seguidamente, todos estes
ensaios serão apresentados, descritos e os respectivos resultados serão apresentados e
analisados.
6.1 Análise SEM/EDS
A análise SEM/EDS foi realizada na unidade de Microscopia Electrónica da UTAD.
No contexto deste trabalho, o objectivo deste ensaio consistiu em identificar a composição
química elementar dos materiais em estudo (ninho e argila).
38
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
A microscopia electrónica de varrimento (Scanning Electron Microscopy - SEM) tem sido
amplamente usada na identificação/caracterização da composição química dos materiais.
No caso dos minérios, a sua grande vantagem consiste na observação directa de contornos
de grãos e também de secções polidas. Um outro aspecto importante na caracterização de
minérios é a determinação de sua composição química elementar. Os SEM’s equipados
com detectores de energia dispersiva de raios-X (Energy Dispersive Spectrometer - EDS)
são de fundamental importância na determinação da composição química dos minérios.
Com o SEM-EDS, é possível determinar a composição química pontual das fases minerais
que compõem o minério, constituindo o EDS ferramenta indispensável na caracterização e
distribuição espacial dos elementos químicos. Pode-se inclusive determinar a distribuição
espacial de elementos químicos (todos elementos químicos com uma massa atómica
superior ao do boro e que estejam presentes em concentração superior a 1%) em toda a
amostra analisada com geração de mapas composicionais de raios-X. Outros estudos
usando a análise SEM/EDS têm sido feitos para a identificação/caracterização da
composição química de solo (Carvalho et al, 2008).
A preparação das amostras para este ensaio consistiu apenas na desagregação do material
com um pilão e almofariz (Figura nº. 27). Para esta análise a quantidade de material
necessária é, geralmente, muito reduzida, por isso, apenas foram usadas algumas pequenas
porções de material de cada ninho recolhido e de argila.
Figura nº. 27: Desagregação de material
O procedimento de ensaio foi o seguinte:
1º - Colagem das amostras aos pinos de alumínio usando cola de carbono (Figura nº. 28);
39
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 28: Pinos de alumínio
2º - Deposição de ouro/paládio de forma a tornar o material condutor (Figura nº. 29).
Figura nº. 29: Depositador de ouro/paládio
3º - Realização do ensaio com uma tensão de aceleração de 30 kV. As amostras foram
observadas em modo de vácuo no microscópio electrónico (Figura nº. 30).
Figura nº. 30: Microscópio electrónico
Os resultados obtidos através deste ensaio encontram-se apresentados na Tabela 5.
40
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Tabela 5:
Identificação/caracterização da composição química elementar pela análise SEM/EDS
Amostras
Elementos
Referência
São Dinis
Mateus
Noura
Oxigénio (O)
48,12
45,67
41,72
46,80
Sódio (Na)
0,69
0,81
0,42
1,43
Magnésio (Mg)
0,89
0,33
0,75
1,10
Alumínio (Al)
12,90
15,54
15,54
12,60
Sílica (Si)
29,04
27,47
33.08
27,85
Cloro (Cl)
0,00
0,99
0,00
0,09
Potássio (K)
3,62
6,22
2,89
3,45
Cálcio (Ca)
0,00
0,00
0,00
0,61
Titânio (Ti)
0,38
0,21
0,48
0,57
Ferro (Fe)
4,36
2,76
5,12
5,50
%
Através dos valores apresentados na Tabela 5 observa-se que as amostras estudadas (a de
referência, a de São Dinis, a de Mateus e a de Noura) apresentam uma composição química
elementar muito semelhante.
Os valores em percentagem dos elementos químicos (oxigénio, sódio, magnésio, alumínio,
sílica, cloro, potássio, cálcio, titânio e ferro) identificados nas várias amostras são muito
próximos. O elemento químico que mais se destaca é o oxigénio (O) apresentando um
valor próximo de 50%, no caso da amostra de referência. A sílica (Si) é o segundo
elemento químico que existe em mais abundância aparecendo com um valor médio de
29,36%. Em seguida surge o alumínio (Al) com uma incidência média de 14,15%. O ferro
(Fe) e o potássio (K) apresentam uma incidência média de 4,44% e de 4,05%
respectivamente. A incidência média do sódio (Na) é de 3,35% e do magnésio (Mg) é de
0,77%. Os elementos químicos cloro (Cl) e cálcio (Ca) apresentam uma incidência média
muito residual e que é de 0,27% e 0,15% respectivamente.
41
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Através dos resultados constata-se que se trata de um material argiloso atendendo que a
composição química de uma argila é geralmente do tipo 2SiO , AL O , 2H O, silicato
aluminoso hidratado. São espalhados pela superfície da terra chegando a basicamente 75%
das rochas sedimentares do planeta. Há uma grande variedade de materiais possíveis de
classificação neste grupo, quase todos possuem composição semelhante, mas há pequenas
variações (Rossi, 2006).
As figuras nº. 31, 32, 33 e 34 apresentam estes resultados graficamente. A leitura destes
gráficos permite confirmar a descrição anterior.
Figura nº. 31: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de referência
Nestes gráficos podem ser vistos os picos de intensidade dos elementos da composição
química do material de uma amostra. Na Figura nº. 31, por exemplo, esses picos estão
ilustrados e correspondem com a informação da Tabela 5. Há alguns picos que não estão
identificados neste gráfico (Figura nº. 31) porque são os picos de intensidade do ouro e do
paládio, que foram precisamente os materiais depositados nas amostras para as tornar
condutoras eléctricas. O programa de cálculo matemático usado na análise SEM/EDS
identifica estes picos para simplificar a leitura/interpretação dos gráficos.
42
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 32: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de Mateus
Figura nº. 33: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de São Dinis
43
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 34: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de Noura
De acordo com Teixeira Pinto (2006, pp. 51) a activação alcalina ou a geopolimerização, é
uma reacção de hidratação que envolve alumino-silicatos e substâncias do tipo alcalino ou
alcalino-terroso como hidróxidos (XOH, X(OH)2), sais de ácidos fracos (X2CO3, X2S, XF),
sais de ácidos fortes (Na2SO4, CaSO4.2H2O) ou sais silicatados do tipo X2.(n)Si O2 e em
que X representa um ião alcalino do tipo Na, K ou Li, ou alcalino-terroso como o Ca. Esta
reacção faz com que o material perca muita da sua estrutura cristalina e fique praticamente
amorfo, o que o torna mais susceptível para se combinar quimicamente, o que aumenta a
resistência das ligações químicas e que lhe confere melhores propriedades mecânicas.
Face aos resultados obtidos através da análise SEM/EDS apresentados na Tabela 5 e nas
figuras nº. 31, 32, 33 e 34 o cenário de haver algum processo de activação alcalina durante
o processo de construção de ninho pela andorinha-dos-beirais parece não ter fundamento e
atendendo a que a amostra de referência (argila) é muito semelhante à composição química
das amostras de ninho.
6.2 Difracção de raios-X
44
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Com o intuito de se identificar a composição mineralógica, e, as estruturas cristalinas dos
materiais em estudo, realizou-se o ensaio de difracção de raios-X na unidade de
microscopia electrónica de varrimento da UTAD.
Os resultados obtidos através deste ensaio irão permitir aferir se a argila recolhida na
região (amostra de referência) apresenta uma composição mineralógica semelhante à
composição mineralógica das amostras de ninho recolhidas nas freguesias de Mateus, de
São Dinis e de Noura.
O aparelho utilizado para o ensaio (PANalytical modelo X’Pert PRO com detector
X’Celerator, Figura nº. 35), emite raios-X de comprimentos de onda Cu Kα (λ=1,5418 Å),
que são usados em análises de cristais. Quando este feixe difracta num cristal
desconhecido, o ângulo de difracção relaciona-se com a distância interplanar através da
equação de Bragg nλ=2dsenθ. O conjunto de planos de difracção assim como os
respectivos ângulos são característicos, permitindo a sua identificação.
Figura nº. 35: PANalytical modelo X’Pert PRO com detector X’Celerator
Antes de se proceder à realização do ensaio de difracção de raios-X foi necessário efectuar
a preparação das amostras, que consistiu apenas na desagregação do material, por moagem
em almofariz.
A realização do ensaio de difracção de raios-X contemplou as seguintes etapas:
1º - Colocação da amostra no porta-amostras (Figura nº. 36);
45
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 36: Porta amostras
2º - A energia usada na produção de radiação X foi de 50kV e 40mA;
3º - A aquisição foi efectuada entre 5º <2θ <60º na geometria Bragg-Bentano.
Os resultados destes ensaios estão ilustrados na Figura nº. 37.
Figura nº. 37: Gráficos combinados da composição mineralógica resultantes da Difracção de raiosX
46
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
A Figura nº. 37 apresenta os difractogramas das 4 amostras analisadas. Os minerais
identificados foram Clinocloro, alumino-silicato de potássio, quartzo e moscovite, sendo
que, o quartzo e a moscovite são os que se encontram em maior quantidade, seguidos pelo
alumino-silicato de potássio e do clinocloro, respectivamente. Ao observar estes gráficos
combinados conclui-se que a composição mineralógica destas amostras é semelhante, e,
apesar de existir uma pequena diferença na quantidade de clinocloro entre a amostra de
referência e as amostras de ninho, essa diferença é muito pequena, e, as estruturas
cristalinas encontradas nas amostras são as mesmas. Assim, como já tinha sido referido no
ponto anterior, a hipótese de ter havido activação alcalina é posta de parte.
6.3 Análise colorimétrica
De modo a identificar a composição orgânica e, em particular, a existência de polímeros de
origem proteica ou de origem polissacarídica, do material em estudo procedeu-se à
realização da análise colorimétrica no Laboratório de Química Fina e Aplicada do
Departamento de Química da UTAD.
A análise colorimétrica consistiu na determinação do teor de proteínas e o teor de
polissacarídeos/açúcares utilizando reacções selectivas para polissacarídeos/açúcares e
proteínas, sendo o seu teor determinado colorimetricamente por espectrofotometria de
absorção molecular, após a sua extracção com água em ultra-sons. Para se aferir a
existência de proteínas foi usado o método de biureto, em que se utiliza o reagente de
biureto (solução de Cu2+ em solução alcalina) e a cor violeta resultante da complexação
dos iões cobre pelas ligações peptídicas foi determinado a 560 nm. Para se aferir a
existência de polissacarídeos/açúcares recorreu-se ao método dos açúcares totais utilizando
o método do fenol a 5% e ácido sulfúrico concentrado, e a cor desenvolvida resultante da
desidratação dos açúcares e posterior condensação com o fenol foi determinada a 490 nm.
Outros estudos utilizando este tipo de análise têm sido feitos para a obtenção do mesmo
tipo de resultados (Dubois et al, 2002).
Inicialmente foi efectuada uma triagem, pelo método de biureto e açúcares totais, para se
detectar a existência de matéria orgânica nas amostras e identificar a sua natureza. Nesta
triagem, foi feita a comparação entre a amostra de referência e a amostra do ninho de São
47
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Dinis. Nesta fase as análises colorimétricas foram feitas em duplicado, tal como pode ser
observado nos resultados expostos na Tabela 6.
Assim, o procedimento de ensaio foi o seguinte:
1º - Pesagem do material (aproximadamente 250mg de cada amostra) para os tubos de
ensaio, em duplicado (Figura nº. 38);
Figura nº. 38: Pesagem das amostras
2º - Adicionar 1ml de água destilada (Figura nº. 39);
Figura nº.39: Adição de água destilada
3º - Colocar as amostras no aparelho de ultra-sons durante 15 minutos (Figura nº. 40)
48
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 40: Aparelho de Ultra-Sons
4º - Centrifugar para depositar o material pesado (5 minutos a 7000 rpm) (Figura nº. 41).
Figura nº. 41: Centrifugadora
5º - Foram então retirados 500 µL de cada uma das amostras (argila e ninhos) e adicionouse o respectivo reagente (1ml de reagente de proteínas, no método de biureto e 200 µL de
fenol 5% e 1ml de ácido sulfúrico no método dos açúcares totais), de seguida as amostras
foram observadas no espectofetómetro de absorvância molecular (Figura nº. 42).
Figura nº. 42: Espectofetómetro de absorvância molecular
49
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Os resultados das absorvâncias moleculares podem ser consultados na Tabela 6 (método de
biureto e pelo método dos açucares totais).
Tabela 6:
Resultados absorvâncias da argila e da amostra de Ninho de São Dinis pelo método de
Biureto e pelo método dos açúcares totais
Absorvância
molecular
Branco (água
Referência
ultra-pura)
(Argila)
Método de biureto 0,156
Método dos
açúcares totais
0,220
São Dinis
0,174
0,176
0,127
0,138
0,340
0,580
1,366
1,142
Através do método de biureto, Tabela 6, as absorvâncias das amostras de referência
(argila) e do ninho de São Dinis são da mesma ordem de grandeza à absorvância do
branco, o que indica a inexistência, ou pouca abundância, de matéria orgânica de origem
proteica nas amostras de material em estudo.
Por sua vez, através do método dos açúcares totais, as absorvâncias das amostras de
referência (argila) e do ninho de São Dinis apresentam valores superiores ao branco e tal
como se pode observar na Tabela 6. Este dado é revelador da existência de polímeros do
tipo polissacarídeos/açúcares no material em estudo. Observa-se também que no mesmo
método o valor das absorvâncias da amostra de ninho de São Dinis é significativamente
superior ao valor da amostra de referência (argila) mostrando então que o material do
ninho tem um teor de polímeros do tipo polissacarídeos/açúcares significativamente
superior ao do material de referência (argila). Os resultados apresentados na Tabela 6
também indicam que não ocorreu um desvio no processo de ensaio
Procedeu-se a uma análise colorimétrica do método dos açúcares totais mais exaustiva que
contemplou séries de 5, 30, 60 e 90 minutos de ultra-sons de modo a observar a ocorrência
de cinética de extracção em todas as amostras. Os resultados desta análise estão
apresentados na Tabela 7 e reforçam a conclusão de que a andorinha-dos-beirais parece
adicionar polissacarídeos/açúcares ao material do ninho aquando da sua construção e
50
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
atendendo a que os valores das absorvâncias obtidas através deste método em todas as
amostras de ninho ensaiadas são superiores ao respectivo valor obtido na amostra de
referência (argila). Estes resultados também mostram que à medida que aumenta a duração
da realização deste ensaio também aumenta o valor da absorvância e é mais significativa a
diferença deste valor entre amostras de referência e de ninho.
Os resultados foram os seguintes:
Tabela 7:
Resultados absorvâncias da argila e das amostras de Ninho pelo método dos açúcares
totais
Ultra-sons
Argila
(minutos)
Ninho
Ninho
Ninho
Branco
Mateus
S. Dinis
Noura
(água)
5
0,238
0,459
0,973
0,291
30
0,288
0,525
1,199
0,370
60
0,326
0,687
1,521
0,390
90
0,392
0,702
1,812
0,427
0,220
Fica então comprovado através deste método que a quantidade de polissacarídeos/açúcares
detectada experimentalmente nos ninhos foi sempre superior à quantidade detectada na
argila. Convém referir que a amostra de Noura que foi retirada num dia chuvoso, pelo que
se pensa que esta amostra poderá ter sido lixiviada.
6.4 Cromatografia iónica
Embora não sejam conhecidas a ocorrência de interferências resultantes do tipo de material
inorgânico usado no método dos açúcares totais, este aspecto foi analisado.
De forma a quantificar e identificar os açúcares existentes no material em estudo procedeuse à realização da análise dos açúcares. Estes açúcares foram obtidos após hidrólise dos
polissacarídeos e extraídos directamente do material em estudo, por cromatografia iónica,
no Laboratório de Cromatografia, do Departamento de Química, da UTAD. A análise do
51
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
conteúdo de açúcares existentes na amostra de argila e dos ninhos foi realizada por
hidrólise directa.
Os polissacarídeos são polímeros em que os monómeros são açúcares, esta análise testa o
material para vários tipos de açúcares presentes na Natureza. Neste trabalho, os açúcares
testados foram a Fucose (Fuc), arabinose (Ara), galactose (Gal), glucosamina (GlcN),
glucose (Glc), manose (Man) e xilose (Xyl).
O procedimento de ensaio consistiu no seguinte:
1º - A hidrólise directa do ninho e argila foi realizada por adição de 1 ml de ácido sulfúrico
12 Molar (M), deixando a reagir durante 1 hora (h) à temperatura ambiente com agitação
frequente do conteúdo dos tubos.
2º - Após este tempo foram adicionados 5 ml de água e a hidrólise foi realizada durante 2,5
h à temperatura de 100ºC.
3º - Após arrefecimento foi adicionado 0,5 ml da solução de padrão interno (Pi, 2desoxiglucose a 1mg/ml), e os conteúdos foram agitados.
4º - Da solução anterior removeu-se 0,4 ml do hidrolisado e foram diluídos com 4,6 ml de
água nos porta-amostras do cromatógrafo (Figura nº. 43) iónico e 10 microlitros foram
injectados no cromatógrafo iónico do tipo ICS-3000, Dionex (Figura nº. 44). A coluna
utilizada foi uma CarboPac PA-20 (Dionex), utilizando como eluente uma solução de
hidróxido de sódio 4 mM contendo 2 mM de Ba(OH)2. A detecção dos açúcares foi
realizada por amperometria por pulsos. A quantificação dos mesmos foi realizada pelo
método do padrão interno por injecção de uma série de padrões de concentração variável
de cada um dos açúcares e calibração da resposta do detector. Outros estudos utilizando
este tipo de análise têm sido feitos para a obtenção do mesmo tipo de resultados (Lee,
1996).
52
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 43: Porta-amostras do cromatógrafo iónico
Figura nº. 44: Cromatógrafo iónico
Os resultados deste ensaio estão apresentados na Tabela 8 e nas figuras nº. 45, 46, 47 e 48.
Estas análises foram realizadas em duplicado para cada amostra, dessas análises foram
feitas a média e o desvio padrão dos resultados obtidos para cada amostra. Na Tabela 8
estão apresentadas a média da concentração de açúcares nas amostras de referência e de
ninho. As figuras nº. 45, 46, 47 e 48 correspondem a um cromatograma obtido para cada
amostra. Os valores da concentração de açúcares resultam da integração das áreas dos
picos dos cromatogramas.
53
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Tabela 8:
Resultados da concentração de açúcares das amostras de referência e de Ninho
Fuc
Ara
Gal
GlcN
Glc
Man/Xyl
Total
(mg/g)
(mg/g)
(mg/g)
(mg/g)
(mg/g)
(mg/g)
(mg/g)
Referência
0,014
0,177
0,174
0,00
0,332
0,128
0,825
Mateus
0,017
0,220
0,156
0,257
0,614
0,208
1,472
Noura
0,020
0,116
0,105
0,00
0,248
0,077
0,565
São Dinis
0,013
0,202
0,571
0,00
0,427
0,165
1,379
Amostra:
Através da Tabela 8 podem-se verificar algumas divergências nos resultados da
concentração total de açúcares entre a amostra de referência que apresenta um valor de
0,825 mg/g, e as amostras de ninho, tendo a amostra de ninho de Mateus um valor de 1,472
mg/g e o ninho de São Dinis com um valor e 1,379 mg/g valores superiores ao de
referência. A amostra de ninho de Noura é então a única cujo valor de concentração total
de açúcares é inferior ao de referência, apresentando um valor de 0, 565 mg/g. Contudo é
preciso ter em conta que, tal como foi referido no ponto anterior, as amostras de ninho de
Noura foram sujeitas a um processo de lixiviamento.
Analisando esta mesma tabela de forma mais minuciosa constatamos que, no que diz
respeito aos valores médios de Fuc, as amostras dos ninhos de Mateus e de Noura têm
respectivamente os valores médios 0,017 mg/g e 0,020 mg/g, sendo desta forma superiores
ao valor médio de referência. A amostra do ninho de São Dinis, com um valor médio de
Fuc de 0,013 mg/g, está ligeiramente abaixo do valor médio de referência.
Já em relação à Ara, cujo valor médio de referência é 0,177 mg/g, a única amostra de ninho
com valor médio inferior é a de Noura com 0,116mg/g, estando assim a amostra de ninho
de Mateus com um valor médio de 0,220 mg/g e a amostra de ninho de São Dinis com um
valor médio de 0,202 mg/g.
Relativamente aos valores médios de Gal, a única amostra de ninho que apresenta valor
médio superior ao de referência é a de São Dinis, sendo uma diferença bastante
significativa, dado que o valor médio da amostra de ninho é de 0,571 mg/g e o valor médio
54
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
de referência de 0,174 mg/g. Neste ponto, os valores médios das amostras de ninho de
Mateus e de Noura são respectivamente 0,156 mg/g e 0,105 mg/g.
A glucosamina aparece apenas na amostra de ninho de Mateus com um valor de 0,257
mg/g.
Observando os valores médios referentes aos testes de Glc, verifica-se que a amostra de
ninho de Mateus exibe comparativamente aos restantes, um valor médio superior, sendo
esse de 0,614 mg/g. Os valores médios de referência são de 0,332 mg/g, os da amostra de
ninho de Noura de 0,248 mg/g e da amostra de São Dinis de 0,427 mg/g.
Por fim, no que concerne aos valores médios de Man/Xyl, a amostra de ninho de Mateus
volta a apresentar o valor mais elevado de 0,208 mg/g. Nos testes a este tipo de açúcar o
valor médio de referência é de 0,128 mg/g, estando assim o valor médio da amostra do
ninho de São Dinis acima com um valor médio correspondente de 0,165 mg/g e a amostra
de ninho de Noura com um valor médio inferior de 0,077 mg/g.
As figuras nº. 45, 46, 47 e 48 representam um cromatograma de cada amostra e confirmam a
descrição anterior.
Figura nº. 45: Cromatograma da amostra de referência
55
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 46: Cromatograma da amostra de ninho de Mateus
Figura nº. 47: Cromatograma da amostra do ninho de Noura
56
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 48: Cromatograma da amostra de ninho de São Dinis
De salientar que esta análise teve alguns problemas, pois o eluente utilizado foi uma
solução de hidróxido de sódio. Esse sódio em meio alcalino juntamente com o alumínio e a
sílica presentes nas amostras complexaram esse material pesado, o que fez com que o
mesmo se depositasse na coluna, o que provocou um grande aumento de pressão, o que
causou alguns problemas na selectividade da coluna, o que prejudicou o aparecimento dos
picos de intensidade dos cromatogramas.
Estes resultados obtidos através do ensaio de cromatografia iónica reforçam a ideia da
existência de açúcares no material no material do ninho e que é resultante do processo de
construção do ninho levado a cabo pela andorinha-dos-beirais.
57
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
7. Ensaios mecânicos
De modo a averiguar se a existência de polímeros do tipo polissacarídeos/açúcares na
argila confere um aumento de propriedades mecânicas desenvolveu-se um trabalho
experimental no Laboratório de Materiais e Solos, do Departamento de Engenharias, da
UTAD, que contemplou a realização de ensaios de compressão em seis provetes. Três
desses provetes foram fabricados através da mistura de solo argiloso (fracção de passados
no peneiro 200 da série ASTM) com 50 cl de água ultra-pura. Os outros três provetes
foram fabricados também com solo argiloso (fracção de passados no peneiro 200 da série
ASTM) misturado com 50 cl de uma solução aquosa extraída do material dos ninhos
recolhidos, e com o objectivo de incorporar os polissacarídeos/açúcares existentes nesse
material. Deste modo, foi possível determinar e comparar a capacidade resistente à
compressão desses seis provetes, de forma a verificar se houve um ganho de propriedades
mecânicas induzido pela existência do referido polímero.
A preparação das amostras foi realizada no Laboratório de Química Fina e Aplicada do
Departamento de Química da UTAD da seguinte forma:
1º - Desagregação do material com pilão e almofariz (Figura nº. 49)
a) Amostra de ninho
b) Pilão e almofariz
Figura nº. 49: Desagregação do material
58
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
2º - Extracção da matéria orgânica do tipo polissacarídeos/açúcares com o equipamento de
ultra-sons. Foi extraída a matéria orgânica em séries de 250g de material para 50cl de água
ultra-pura durante 1 h. (Figura nº. 50)
Figura nº. 50: Extracção de material do tipo polissacarídeos/açúcares através do
equipamento de ultra-sons
3º - Filtragem da solução. Como a solução possui grãos muito finos foi necessário filtrar
essa solução, para não alterar a massa dos provetes. (Figura nº. 51)
Figura nº. 51: Filtragem da solução
4º - Conservação da solução. A solução assim obtida e a água ultra-pura foram depois
conservadas em recipientes até serem levadas para o Laboratório de Materiais e Solos, do
Departamento de Engenharias, da UTAD (Figura nº. 52).
59
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
a) Purificador de água
b) Recipiente onde foram conservadas
as soluções
Figura nº. 52: Conservação das amostras
Já no Laboratório de Materiais e Solos, o material argiloso a ser usado no fabrico dos
provetes foi também desagregado com a utilização de um pilão e almofariz (Figura nº. 49
b)).
O fabrico dos provetes obedeceu ao seguinte procedimento:
1º- Peneiração do solo argiloso no peneiro 200 da série de peneiros ASTM (Figura nº 53)
Figura nº. 53: Série de peneiros ASTM
2º- Adição da solução ao material argiloso. Ao material argiloso foi adicionada a solução e
com uma misturadora estes dois componentes foram misturados durante 5 minutos (Figura
nº. 54).
60
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 54: Misturadora
3º- Moldagem dos provetes. Depois de misturado o material foi colocado em moldes
metálicos (4cm*4cm*16cm), não foi utilizado óleo descofrante. Também não foi usada
vibração pois a reduzida dimensão das partículas não o justificava. (Figura nº. 55)
a) Molde vazio
b) Molde cheio
Figura nº. 55: Moldes para o fabrico dos provetes
4º- Secagem dos provetes. O processo de secagem dos provetes foi realizado à temperatura
ambiente do laboratório durante 7 dias (Figura nº. 56).
61
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
a) Provetes com água ultra-pura
b) Provetes com solução extraída
Figura nº. 56: Provetes no molde
Como pode ser observado na Figura nº. 56 a) e b), a retracção nos provetes misturados com
a solução extraída do material do ninho foi maior do que a dos outros provetes, o mesmo é
confirmado pela aparição de fissuras nos provetes da Figura nº. 50 b).
Após a secagem dos provetes, os mesmos foram ensaiados à compressão na prensa de
compressão do tipo Form-test, Prüfsysteme, Zwietalter Strabe 20, D. 88499 Riedlingen
(Figura nº.57).
Figura nº. 57: Prensa de compressão do tipo Form-test, Prüfsysteme, Zwietalter
Strabe 20, D. 88499 Riedlingen
Importa referir que após a retracção do material dos provetes a área de aplicação da carga
de rotura diminui, e passou a ter o valor de 1360mm2 para ambos os tipos de provetes, pois
as medidas dos provetes passaram a ser 3,4cm*3,2cm*15,7cm (Figura nº. 58). Os
resultados desses ensaios podem ser consultados nas tabelas 9 e 10.
62
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 58: Provetes com água ultra ultra-pura descofrados
Tabela 9:
Resultados do ensaio de rotura à compressão dos provetes de solo misturado com água
ultra-pura
Área de aplicação
de carga (mm2):
Tensão de rotura
(Mpa):
370
1360
0,27
Provete 2.a
885
1360
0,65
Provete 3.a
665
1360
0,49
Solo com água
Carga de rotura à
ultra-pura:
compressão (N):
Provete 1.a
Observando a Tabela 9 relativa aos provetes de solo misturado com água ultra-pura,
verifica-se que o Provete 2.a obteve os resultados mais elevados em relação à carga de
rotura à compressão e à tensão de rotura., tendo os valores de 885 N e 0,65 Mpa
respectivamente. Com valores ligeiramente inferiores surge o Provete 3.a cujo valor de
carga de rotura à compressão é de 665 N e o de tensão de rotura é de 0,49 Mpa. Por fim
com os valores mais baixos está o Provete 1.a, apresentando 370 N de valor de carga de
rotura à compressão e de 0,27 Mpa de tensão de rotura. Para este tipo de provetes a tensão
média de rotura à compressão foi de 0,47 Mpa, um valor que se encontra dentro do
intervalo 0,5 Mpa-3 Mpa apresentado no Capítulo 5.
63
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Tabela 10:
Resultados do ensaio de rotura à compressão dos provetes de solo misturado com solução
extraída do material de ninho
Solo com solução
Carga de rotura à
extraída do material
compressão (N):
Área de aplicação
de carga (mm2):
Tensão de rotura
(Mpa):
de ninho:
Provete 1.b
965
1360
0,71
Provete 2.b
920
1360
0,68
Provete 3.b
1035
1360
0,76
No caso da Tabela 10 referente aos provetes de solo misturado com a solução extraída do
material de ninho, o Provete 3.b é o que apresenta os resultados mais elevados em relação à
carga de rotura à compressão e à tensão de rotura., tendo os valores de 1035 N e 0,76 Mpa
respectivamente. Em seguida surge o Provete 1.b cujo valor de carga de rotura à
compressão é de 965 N e o de tensão de rotura é de 0,71 Mpa. O Provete que apresentou os
valores mais baixos foi o Provete 2.b, apresentando 920 N de valor de carga de rotura à
compressão e de 0,68 Mpa de tensão de rotura. Para este tipo de provetes a tensão média
de rotura à compressão foi de 0,71 Mpa (Figura nº. 59), estando este valor igualmente
dentro do intervalo 0,5 Mpa-3 Mpa apresentado no Capítulo 5.
Figura nº. 59: Provetes com solução extraída do material de ninho após a rotura
Ao analisar os resultados das tabelas 9 e 10 podemos concluir que a tensão de rotura à
compressão dos provetes que foram misturados com a solução extraída dos ninhos foi
superior, em cerca de 33 % à revelada pelos provetes misturados com água ultra-pura.
64
Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Estes resultados sugerem que a existência de polissacarídeos/açúcares poderá melhorar as
propriedades mecânicas do material argiloso. Contudo, estes resultados necessitam de ser
validados pois, pode ter havido um desvio no processo. De modo a verificar este facto
procedeu-se a um ensaio de SEM/EDS e difracção de raios-X, na unidade de Microscopia
Electrónica, da UTAD, para confirmar se houve alteração das componentes químicas e das
estruturas cristalinas. Os resultados destes ensaios estão apresentados na Tabela 11 e nas
figuras nº. 60, 61, 62, 63 e 64.
Tabela 11:
Identificação/caracterização da composição química elementar pela análise SEM/EDS dos
provetes
Solo com
Solo com
água ultra-
solução
pura
extraída
Oxigénio (O)
47,35
46,90
Sódio (Na)
0,87
0,75
Magnésio (Mg)
1,16
0,99
Alumínio (Al)
14,05
14,24
Sílica (Si)
28,04
28,49
Potássio (K)
4,00
4,10
Titânio (Ti)
0,41
0,48
Ferro (Fe)
4,12
4,05
Elementos
%
Através dos valores apresentados na Tabela 11 observa-se que as amostras dos provetes
fabricados com água ultra-pura e com solução extraída dos ninhos apresentam uma
composição química elementar muito semelhante.
Os valores em percentagem dos elementos químicos (oxigénio, sódio, magnésio, alumínio,
sílica, potássio, titânio e ferro) identificados nas duas amostras são bastante próximos. O
elemento químico que aparece com mais abundância é o oxigénio (O) apresentando um
valor próximo de 50%. A sílica (Si) é o segundo elemento químico que existe em mais
abundância aparecendo com um valor médio de 28,27%. Em seguida surge o alumínio (Al)
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
com uma incidência média de 14,15%. O ferro (Fe) e o potássio (K) apresentam uma
incidência média de 4,09% e de 4,05% respectivamente. A incidência média do sódio (Na)
é de 0,81% e do magnésio (Mg) é de 1,08%.
As figuras nº. 60 e 61 permitem complementar esta leitura pois apresentam os gráficos com
os picos de intensidade dos elementos.
Figura nº. 60: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de solo misturado
com água ultra-pura
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 61: Gráfico dos resultados da análise SEM/EDS da amostra de solo misturado com
solução extraída do material do ninho
As figuras nº. 62 e 63 apresentam imagens microscópicas ampliadas dos provetes de solo
misturado com água ultra-pura e de solo misturado com solução extraída do material dos
ninhos, respectivamente. A imagem da Figura nº. 63 revela a existência de uma parte de
material com uma textura que não ocorre na imagem da Figura nº. 62. Esta diferença
poderá
estar
relacionada
com
o
facto
da
solução
aquosa
que
inclui
policassacarídeos/açúcares extraída do material dos ninhos e adicionada ao solo argiloso
tenha despoletado um processo de aglutinação do material.
Figura nº. 62: Material do provete de solo misturado com água ultra-pura
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Figura nº. 63: Material do provete de solo misturado com solução extraída do material do
ninho
Figura nº. 64: Gráficos combinados da composição mineralógica resultantes da difracção
de raios-X dos dois tipos de provetes
A Figura nº. 64 apresenta os resultados do ensaio de difracção de raios-X realizado nos
dois tipos de provetes, e observa-se que as estruturas cristalinas desses provetes são
idênticas, sendo que a única diferença em relação aos resultados obtidos no ponto 6.2 é que
esta análise só identificou moscovite nestas duas amostras. Esse facto é explicado pela
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
diluição do solo argiloso com as soluções utilizadas no fabrico dos provetes, e como essas
estruturas cristalinas (clinocloro, alumino-silicato de potássio e quartzo) eram
provavelmente mais frágeis, não foram identificadas após esta diluição. De qualquer
maneira, com a observação da Figura nº. 64 chega-se à conclusão que ambas as amostras
dos provetes têm as mesmas estruturas cristalinas (moscovite). Deste modo, pode-se
concluir que a incorporação de polímeros do tipo polissacarídeos/açúcares ao solo argiloso
não altera a composição química elementar nem a composição mineralógica do material
argiloso.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
8. Conclusões
A biomimética é uma área da ciência que usa a Natureza como modelo de referência. Esta
área tem permitido alcançar avanços importantíssimos em campos tão diversos como a
Medicina, a Engenharia Militar, a Engenharia Aeronáutica ou a Engenharia Civil.
Os ninhos de andorinha-dos-beirais são estruturas materiais de terra crua que podem ser
usadas como modelos biomiméticos, no contexto da construção em terra.
Cerca de metade da população mundial habita em construções de terra.
A andorinha-dos-beirais constrói o ninho geralmente nos beirais das habitações. A
construção dos ninhos é processada aproximadamente em 10 dias. O ninho tem a forma de
uma “taça fechada”, com uma largura em média de 18 cm, profundidade em média de 8
cm, altura média de 12 cm e espessura média da parede de 2 cm.
Esta estrutura de terra tem uma boa durabilidade atendendo a que é reutilizada pela
andorinha-dos-beirais diversas vezes.
O ninho da andorinha-dos-beirais é construído usando solo argiloso existente nos cursos de
água localizados nas proximidades.
O ninho da andorinha-dos-beirais é uma estrutura que, devido à sua forma aliada ao
processo de fabrico, apresenta uma capacidade resistente à compressão e à tracção
semelhante aos valores conhecidos nas construções de terra desenvolvidas pelo Homem.
Esta conclusão resultou essencialmente através da simulação numérica do ninho através de
um programa de cálculo automático capaz de fazer uma análise de elementos finitos.
Ensaios de difracção de raios-X e de SEM/EDS realizadas em amostras de material de
ninho e de solo argiloso recolhido num curso de água da região mostraram que a
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
composição química elementar e que a composição mineralógica dos materiais é
semelhante.
Foi apresentado um processo de extracção/formação de uma solução aquosa que inclui
polissacarídeos/açucares extraídos do material do ninho.
Durante o processo de fabrico dos provetes para a realização de ensaios mecânicos
verificou-se que a quantidade de solução líquida (água ultra-pura ou solução extraída)
adicionada ao solo argiloso foi excessiva pois resultou na obtenção de uma mistura muito
plástica. Geralmente, na construção de terra, a água vai sendo adicionada à terra de forma
gradual e crescente de forma a se obter apenas um solo húmido. Apenas na “argamassa” de
assentamento e no material de reboco se usa uma mistura com uma plasticidade mais
significativa.
O excesso de solução líquida pode ter sido a causa da ocorrência do fenómeno de retracção
excessivo verificado nesses provetes e, em particular, nos provetes de solo misturado com
a solução extraída do material do ninho.
Pensa-se que, ao se usar uma quantidade adequada de solução líquida na mistura, este
fenómeno de retracção será significativamente reduzido e, passará a ocorrer, tal como o
previsto, nos elementos de construção de terra. Paralelamente, também se pensa que a
intensidade da ocorrência deste fenómeno deverá ser muito menor nos provetes de solo
misturado com a solução extraída. Neste contexto, sugere-se que trabalho experimental
adicional deverá ser feito para confirmar estes factos.
O referido fenómeno de retracção inviabilizou a realização de ensaios de flexão dos
provetes de solo misturado com solução extraída do material de ninho, porque estes
apresentaram um elevado número de fissuras.
Ensaios de compressão realizados nos provetes de solo argiloso misturado com água ultrapura e de solo argiloso misturado com solução extraída mostraram que estes últimos
apresentam uma capacidade resistente à compressão mais elevada.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
Os resultados obtidos através da simulação numérica do ninho e os resultados obtidos
através do ensaio de compressão mostram que o material do ninho tem um melhor
comportamento mecânico do que o material de solo argiloso. Este facto leva a pensar que a
existência de material orgânico do tipo polissacarídeos /açúcares introduzido pela
andorinha-dos-beirais pode ser a explicação deste aumento da qualidade do material.
A identificação do tipo de polissacarídeos/açúcares existente no material do ninho é uma
tarefa complexa e morosa, requerendo um trabalho de investigação adicional e que não foi
incluído nos objectivos do presente trabalho.
A identificação do tipo de polissacarídeos/açúcares será extremamente útil pois permitirá
encontrar na Natureza organismos abundantes que tenham esse tipo de material
polissacaridico na sua composição.
O estudo da percentagem de solução de material polissacaridico a adicionar à terra será
outro trabalho de investigação fundamental a realizar.
Pensa-se que desta forma se possa dar um contributo valioso no contexto da construção de
terra.
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Perspectiva biomimética do ninho da andorinha-dos-beirais
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