64ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 2. Ensino de Física

TÚNEL DE VENTO E ENSINO DE FÍSICA – CONSTRUÇÃO DE PROTÓTIPO DIDÁTICO PARA OBSERVAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUÍDOS EM SUPERFÍCIES AERODINÂMICAS.

LUÍS HENRIQUE BENETTI RAMOS 1 FILIPPI BENEVENUTO ONGARELLI 2 EUGENIO MARIA DE FRANÇA RAMOS 3

1. Graduando - Engenharia Mecânica - USP EESC 2. Colégio Puríssimo Coração de Maria – Rio Claro, SP 3. Prof. Dr. / Depto de Educaçao IB UNESP Campus Rio Claro

INTRODUÇÃO:

Tuneis de vento são aparatos hoje amplamente utilizados em testes aerodinâmicos de diversos produtos, para constatação de forças de arraste e distorção de campo aerodinâmico (TIPLER & MOSCA, 2009), que possam ser gerados por seu formato ou eventual alteração, por meio do estudo da interação de fluídos como o ar com as superfícies. Entretanto experimentos ou demonstrações que tratem de tais tópicos de mecânica dos fluídos não são usuais no Ensino Médio, dificultando o acesso aos estudantes a esses conhecimentos de Física e ao entendimento do funcionamento de tuneis de vento. Neste trabalho apresentamos um aparato didático que busca superar essa lacuna, um túnel de vento construído com materiais de baixo custo, que permite realizar algumas demonstrações em sala de aula, exemplificando o escoamento de fluídos em objetos que representem em escala reduzida (mas razoavelmente fidedigna) aparelhos com formato de carros, caminhões ou aviões, com os quais seja possível mostrar o comportamento do ar em velocidade passando sobre suas superfícies. Tais situações permitem abordar em nível introdutório conteúdos como o princípio de Bernoulli, a geração de força de arraste ou as alterações exercidas em tais corpos por aerofólios e outros detalhes aerodinâmicos.

METODOLOGIA:

Confeccionou-se um túnel de vento com papelão (dimensões 1 m x 50 cm x 50 cm), compreendendo entrada de ar, área de observação e saída de exaustão. Na extremidade oposta à abertura de exaustão foi colocado um ventilador, associado a um aparato para uniformizar o fluxo de ar. Tal aparato compreende um tubo de seção retangular, com dimensões transversais aproximadas de 50 cm x 50 cm, preenchido longitudinalmente com canudos plásticos de refresco, permitindo a homogeneização do fluxo de ar que vai para a câmara de observação. Na seção seguinte – a câmara de observação – foram feitas janelas com acetato transparente. Para visualização do fluído adaptou-se o túnel de vento para comportar uma lâmpada e espaço para mover um pequeno aparato que gera um estreito feixe do fluído visível (incenso apoiado em uma base móvel). As observações das linhas aerodinâmicas e suas eventuais distorções podem ser feitas pela simples análise a olho nu do comportamento do fluído escoando sobre a superfície desejada, mudando-se a posição da base com o incenso. Utilizou-se também uma asa perfurada em dois pontos, nos quais fios de nylon puderam ser amarrados ao teto da câmara de observação, permitindo, após ligar-se a corrente de ar, obter-se como resultado a ascensão da asa.

RESULTADOS:

O túnel de vento aqui descrito permitiu realizar demonstrações de fenômenos como a comprovação da existência de uma força de arraste em molde de asa tradicional ou a distorção de linhas aerodinâmicas ocasionadas por estruturas da carroceria como caçambas ou aerofólios, em brinquedos. Foi possível discutir implicações da equação de Bernoulli para aviões, como a força de sustentação das asas, ou automóveis, como a maior atuação da força sobre carros com aerofólios. A força de arraste gerada no primeiro caso deve-se ao maior comprimento da parte de cima da asa pelo qual o fluído desloca-se, o que gera ali uma zona de baixa pressão, conforme o princípio de Bernoulli, e gera por consequência uma força ascendente na asa. A maior medida da força vertical após a adição do aerofólio no modelo de carro é um resultado esperado, pois tal acessório faz com que o deslocamento do fluído sobre tal estrutura gere maior pressão sobre o carro e maior aderência desse ao solo adicionada a força gravitacional. E em último caso, a distorção das linhas aerodinâmicas a partir da modificação das superfícies lisas da carroceria é esperada pela alteração na dinâmica de escoamento dos fluídos, o que também gera forças de arraste que podem ser negativas para a aerodinâmica segundo o modelo de carro.

CONCLUSÃO:

O aparato descrito mostrou-se especialmente útil para implementar atividades didáticas pouco usuais no Ensino de Física do nível Médio de escolaridade, aproximando os estudantes de conhecimentos de mecânica de fluídos. As observações, mesmo que qualitativas, permitiram aprofundar conceitos e conteúdos normalmente abstratos demais para serem trabalhados nessa faixa de escolaridade de maneira mais consistente. Após a realização de tal experimento didático foi possível discutir a importância tecnológica dos túneis de vento enquanto aparatos para a realização de testes aerodinâmicos de diversas estruturas submetidos a forças dinâmicas decorrentes do escoamento de fluídos sobre suas superfícies. Consideramos que algumas aplicações adicionais podem ser desenvolvidas, incluindo a utilização de balanças sensíveis associadas aos aparatos colocados na câmara de observação, que poderiam permitir algumas medidas experimentais, permitindo fazer algumas análises qualitativas mais avançadas do que as realizadas. Além do aprimoramento do aparato em si, seria possível incluir ainda alguns aspectos históricos das aplicações dos túneis de vento para a aviação – desde os Irmãos Wright – até os sofisticados testes automobilísticos atuais.

Palavras-chave: Túnel de Vento, Mecânica de Fluídos, Ensino de Física.