Originalmente, os foguetes eram usados em fogos de artifício e como armas rudimentares. A partir do século XX, avanços significativos ocorreram influenciados por estudiosos e especialistas do ramo. Goddard, um físico americano, construiu e testou o primeiro foguete movido a combustível líquido em 1926, sendo um grande marco na engenharia espacial. O desenvolvimento de foguetes teve um impacto profundo não apenas na exploração espacial, mas também em outras áreas, como a comunicação global, a meteorologia e a observação da Terra. A criação dos foguetes representa uma grande conquista da sociedade, ampliando o conhecimento sobre o universo e servindo como inspiração a curiosidade sobre o conhecimento físico, químico e matemático.
1.1 Resumo
No projeto, citando acima como meio introdutório a importância, história do foguete e seus marcos, iremos elaborar a criação de um foguete experimental de garrafa PET com propelente líquido pressurizado, utilizando materiais simples e explicando princípios físicos para o funcionamento do minifoguete. Na construção, abordamos os materiais necessários e as etapas para a construção do mesmo. Reiterando também a trajetória do início até o vídeo final do lançamento do minifoguete com base em imagens e descrições.
1.2. Apresentação dos membros
Nome: Eduardo Cardoso
Idade: 18 anos
Curso: Engenharia de Software
''Escolhi este curso porque desde criança gostei de tecnologia e computação, acredito que a tecnologia estará exposta predominantemente no futuro.''
Giovane da Rosa da Silva
Idade: 26 anos
Curso: Engenharia de Produção
"Escolhi engenharia de produção, pois trabalho na área e me identifico muito com o curso! "
1.3. Elaboração de Ideias
25/05/2024 - Elaboração de ideias referente ao projeto: Como construir, apresentação dos membros, estrutura do Blog e ideias sobre o foguete dentro da UCS.
Imagem representando o encontro semanal:
Um foguete é uma máquina que se desloca expelindo um gás em sua parte traseira a uma alta velocidade, de acordo com a terceira Lei de Newton "Para cada ação, há uma reação igual e oposta." Exceto os materiais utilizados em sua estrutura, um minifoguete é semelhante ao um foguete, porém em escala reduzida.
2.1. Empuxo
A força motriz de um foguete é denominada de empuxo. Essa força é obtida quando o combustível entra em combustão e é forçado a sair por um pequeno bocal na parte inferior do foguete, o que direciona a força de reação na direção vertical (y). A força de empuxo gerada pelo motor do foguete é determinado pela taxa de fluxo de massa dos gases e pela velocidade de exaustão (F = m * ve). A força de empuxo deve ser maior que a força da gravidade para que o foguete possa decolar, e, além disso, o empuxo deve ser ajustado para controlar a aceleração do foguete durante o voo.
2.2. Impulso
A força que o gás produz sobre o foguete depende da massa das partículas e também da velocidade em que os gases são expelidos. Quanto maior forem essas medidas, maior a quantidade de impulso gerado pelo combustível. Impulso é uma grandeza física que mede a variação da força aplicada no foguete a cada segundo.
2.3. Gravidade, Resistência do Ar e Peso do Foguete
A Gravidade é a força que atrai o foguete para baixo, a magnitude desta força é (Fg = m * g), sendo m a massa do foguete e g a gravidade.
A Resistência do Ar é a força que age contra o movimento do foguete, essa força depende da velocidade do foguete, da área de superfície e do coeficiente de arrasto (Coeficiente de arrasto é usado para quantificar a resistência de um objeto em meio ao ar ou água).
A Força Peso depende da massa dos componentes do foguete, todas essas forçam contribuem negativamente para o movimento do foguete.
3. Lançamento Oblíquo
O lançamento de projéteis envolve a trajetória de um objeto lançado no ar, sujeito apenas a força da gravidade e, a resistência do ar, no projeto do minifoguete vão ser utilizados ângulos diferentes de 0 e 90 graus, realizando uma trajetória parabólica, referenciando ao conceito de Lançamento Oblíquo.
3.1. Componentes do Movimento
Para simplificar, a velocidade vertical é indicado por VY, enquanto a velocidade horizontal é simplificado por VX. Isso se faz necessário, pois quando é ilustrado o lançamento oblíquo, utilizamos dois eixos (x e y) para indicar os dois movimentos realizados.
3.2. Para a direção Vertical, deve-se considerar:
Movimento Uniformemente Variado (MUV)g0 = 0 (Posição Inicial)
sentido positivo para cima
Aceleração = -g
Componente Vertical da Velocidade:
Sendo V0y = Velocidade inicial vertical, v0 = velocidade inicial e seno de ângulo.
Posição vertical em função do tempo:
Sendo y = Posição depois de um certo tempo, v0y = Velocidade inicial na vertical, t = tempo e g = gravidade
Velocidade vertical em função do tempo:
Altura máxima:
3.3. Para a direção horizontal, deve-se considerar:
Movimento Uniforme (MU)Velocidade Constante
Aceleração = 0
Componente Horizontal da velocidade:
Sendo v0x = Velocidade inicial horizontal, V0 = velocidade inicial e cosseno de ângulo.
Posição horizontal em função do tempo:
Sendo, v0² = velocidade inicial multiplicado por seno de 2 vezes o ângulo lançado pela divisão de gravidade.
3.4. Ângulos utilizados para o projeto
O alcance máximo horizontal é dado pelo ângulo de 45º graus e a altura máxima é dada pelo ângulo de 90º. Nesta análise, para medidas de segurança decidimos usar o valor de 85º para a altura máxima.
Toda a pesquisa e estudo referente ao lançamento oblíquo e ao lançamento de projéteis podem ser encontrados no item 7. Referências.
4. Estrutura do minifoguete
A estrutura externa do foguete são geralmente feitos de materiais leves para ter menos força peso, porém resistentes, suportando as forças do lançamento e do voo.
4.1. Motor
É nesse componente do foguete que irá ser aplicado o combustível líquido ou sólido, gerando a força motriz do foguete, o empuxo.
4.2. Combustível
Uma grande maioria dos foguetes utilizam combustíveis químicos, que podem ser sólidos ou líquidos. Os combustíveis sólidos são feitos por uma mistura de oxidante forte e combustível seco. Temos o exemplo de Nitrato de Potássio e Sacarose, que misturando a uma alta temperatura forma uma combustível sólido. Já o combustível líquido reage a uma substância oxidante, gerando empuxo.
4.3 Base de Lançamento
É na base de lançamento onde oferece o impulso necessário para o minifoguete decolar, é nela que pode ser controlado a trajetória e o direcionamento do voo, podendo ter alcances cada vez maiores a partir do ângulo em que é lançado.
5. Planejamento da Construção do Minifoguete Experimental
Para a construção do minifoguete experimental foi usado como inspiração o minifoguete da MOBFOG sendo o nível 3, onde é usado 2 garrafas PET que são pressurizadas e usado a água como força e reação.
5.1. Desenho Técnico do Minifoguete Experimental
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6. Construção do Minifoguete
Para a construção do minifoguete foi utilizado referências ao "Foguete Turbinado - Manual do Mundo" e "Construção de foguete de garrafa PET - Open Maker, ambos podem ser acessados pelo Youtube, os itens utilizados para a construção foram:
I - 2 Garrafas Pet de 1,5 ou 2L (refrigerante)
II - 1 Compressor de Ar ou Bomba de encher Pneu
III - 1m de Cano PVC marrom (20mm de diâmetro)
IV - 2 Tampão para cano de PVC marrom (20mm de diâmetro)
V - 2 Cotovelos para PVC marrom (20mm de diâmetro)
VI - 1 conexão T para PVC marrom (20mm de diâmetro)
VII - 5cm de cano PVC branco (40mm de diâmetro)
VII - 1 válvula de câmara de pneu (encontrado em câmara velha de pneu)
VIII - 2 bexigas para festas
IX - 1 rolo de esparadrapo impermeável
X - 3 abraçadeiras de Nylon (largura do lacre 3,6 mm)
XI - 1 abraçadeira de metal (20mm, usada nas mangueiras de gás)
XII - Papelão ou Plástica velha
XII - 4m de barbante ou uma corda
XIII - 1 fita durex
XIV - 1 lixa de papel
XV - 100g de vaselina
XVI - 2 estacas (fixação de barraca)
XVII - 1 martelo de borracha
XVIII - 1 cola para PVC
XIX - 1 serra para PVC
XX - 1 folha de papel (A4)
XXI - 1 canetinha
XXII - 1 régua
XXIII - 1 tesoura
XXIV - 1 furadeira ou chave de fenda aquecido
XXV - 1L de água
Imagem ilustrando os materiais utilizados:
1- Inicialmente, para o sistema de pressurização fure um tampão para cano de PVC no centro para tampar os canos de 20mm, se quiser, para aumentar o furo use uma tesoura. Para aumentar a aderência, lixe o tampão e a válvula de câmara de pneu e em seguida cole a válvula no tampão, é ali que irá ser pressurizado com a bomba de encher pneu. Para verificação de vazamento do tampão, assopre e verifique.
Imagem sobre a montagem (Item 01):
2- Corte 2 pedaços de 10cm e 3 pedaços de 20cm de cano de PVC, lixe todas as partes (Conexão T, cotovelo e cano PVC) para melhorar a aderência antes de colar as partes. Para verificação de vazamento do tampão, assopre e verifique, cole todas as partes.
Imagens sobre as montagens (Item 02): 
Imagem representando o Item 2:
3- Corte a argola da bexiga e coloque no cano PVC do centro a 8,5 cm de distância da base, depois fixe com o esparadrapo (A argola da bexiga precisa estar a 1cm abaixo da cabeça das abraçadeiras de Nylon).
4- Para o sistema de travamento do minifoguete, utilize a fita isolante, corte 2 pedaços um maior e um menor, fazendo com que a parte grudante fique para fora e adicione na base abaixo do esparadrapo. As travas foram feitas com a parte de encaixe das abraçadeiras de Nylon. A ''cabeça'' da abraçadeira deve ficar 1cm acima da argola de bexiga, adicione a abraçadeira de metal e aperte até fixar bem as abraçadeiras de Nylon.
OBS: Para eliminar a folga entre o bico da garrafa e o tubo coloque uma argola de balão tamanho 6,5 e em seguida passe uma volta de esparadrapo em cima da argola, isso fará com que retire a folga entre o bico e o tubo, porém para o bico passar é necessário por um pouco de vaselina no bico e no esparadrapo, essa etapa é essencial para o desenvolvimento do foguete.
Imagem representando a montagem completa (4.1.):
4- Para um melhor lançamento horizontal:
Para um lançamento horizontal utilizamos um ângulo de 45 graus, pois gera um melhor equilíbrio, já que um ângulo < 45 graus tem uma velocidade horizontal maior, porém um tempo de voo menor dada pela sua altura máxima e um ângulo > 45 graus tem um tempo de voo maior, porém a sua velocidade horizontal é menor.
5- Para um melhor lançamento vertical:
Para um lançamento vertical o ângulo ideal seria de 90 graus, porém para medidas de segurança foi necessário realizar o projeto com um ângulo de 85 graus, para obter essa medida use um transferidor e marque 85 graus.
6.2. Foguete
Para o foguete iremos utilizar 2 garrafas PET, papelão e balão. Esses itens são necessários para fazer que o Centro de Massa se desloque um pouco para frente para gerar um voo equilibrado, sem que forças que contribuam negativamente para a decolagem atrapalham em seu voo. Além disso, será necessário fazer aletas para o foguete, pois sem as aletas o foguete acaba ficando sem direção.
6.2.1. Centro de massa
Com a garrafa PET, corte a ponta superior com aproximadamente 11cm de altura, e coloque um balão com água no bico da garrafa (Não é necessário por muita massa, pois peso demais acaba limitando o foguete em sua decolagem).
Imagem representando o item 4.2.1:
6.2.2. Aletas do Foguete
1- Corte o corpo da garrafa Pet com aproximadamente 11cm, em seguida para fazer 3 aletas utilize esse modelo:
Imagem representando o corte da garrafa:
Imagem representando o modelo das aletas:
2- Faça 3 aletas de papelão com o modelo e em seguida cole as partes no corpo da garrafa cortada, para essa colagem utilizamos uma fita isolante.
Imagem representando o Item 2 (4.2.2.):
3- Agora coloque o corpo da garrafa alinhado com o bico da garrafa e adicione a parte do balão de agua na parte inferior da garrafa PET, cole com fita isolante.
7. Lançamento do Foguete
Para o lançamento do foguete coloque água na garrafa (cerca de 1/4 da garrafa), pois com a pressão acumulada dentro da garrafa a água vai ser jogada para traz, gerando ainda mais força e reação para o minifoguete.
Depois disso coloque a garrafa na base de lançamento e ative o sistema de travamento.
Em seguida, pressurize o minifoguete. (OBS: Uma garrafa PET Retornável aguenta cerca de 200 PSI e uma garrafa normal de refrigerante aguenta no máximo 160 PSI).
Quando o acumulo de pressão dentro da garrafa for o suficiente, libere a trava de lançamento.
Não se esqueça de soltar o minifoguete em um ambiente espaçoso com pouco movimento.
7.1. Testes do Minifoguete.
Para os primeiros testes utilizamos um compressor de ar, mas não recomendamos já que a pressão é relativamente alta, o que pode fazer a garrafa ir muito longe ou acabar estranho com a quantidade de pressão.
7.2. Imagens e vídeos dos testes de lançamento:
Imagem do minifoguete em seu lançamento teste:
Lançamento de foguete com aproximadamente 130 metros no alcance horizontal (45 graus):
Lançamento de foguete com aproximadamente 70 metros no alcance horizontal (45 graus):
Lançamento de foguete (85 graus):
7.3. Atualizações referente ao Minifoguete
Devido aos testes aplicados ao minifoguete e com as estatísticas obtidas, foi de consenso comum a ideia de aplicar algumas melhorias para uma melhor decolagem, são elas:
1- Melhoria das aletas utilizando um plástico de pasta velha, pois o papelão é pouco resistente a água e é mais impactado pelas forças adversas.
2- No foguete novo foi utilizado uma garrafa retornável PET, já que a mesma aguenta 200 PSI, sendo mais resistente.
7.3. Lançamento do foguete em 45 graus:
7.4. Lançamentos do foguete em 85 graus:
8. Análises do lançamento de 45 graus:
Gráfico sobre altura y versus o tempo (45 graus):
Gráfico sobre a distância x versus o tempo (45 graus):
Altura máxima: Tempo: 1,2 segundos e Altura máxima: 5,817m
Distância máxima: 27,04 metros
Tempo de voo: 2,6 segundos.
Velocidade quando atinge a altura máxima no eixo x: 11,98 m/s
Velocidade quando atinge a altura máxima no eixo y: -1,477 m/s
Velocidade do foguete quando sai do solo: 21,98 m/s
Gráfico da velocidade em x versus o tempo:
Gráfico da velocidade em y versus o tempo:
Gráfico da aceleração versus o tempo:
8.1. Análises do lançamento de 85 graus:
Gráfico sobre altura y versus o tempo (85 graus):
Gráfico sobre a distância x versus o tempo (85 graus):
Análise referente ao lançamento de 85 graus:
Altura máxima: Tempo: 1,9s e Altura máxima: 12,07 metros
Distância máxima: 10,36 metros
Tempo de voo: 4,72 segundos
Velocidade quando atinge a altura máxima no eixo x: 0,776 m/s
Velocidade quando atinge a altura máxima no eixo y: -0,784 m/s
Velocidade do foguete quando sai do solo: 36,63 m/s
Gráfico da velocidade em x versus o tempo:
Gráfico da aceleração versus o tempo:
9. Vídeo final sobre o projeto, compilações e apresentação:
Recomendável assistir pelo Youtube:
https://www.youtube.com/watch?v=a1ZBb2iNFyc
10. Conclusão
Após vários testes é visível esclarecer que o alcance vertical e horizontal mudam drasticamente com a mudança do ângulo de lançamento, todos os acessórios do foguete se justificam, pois a trajetória foi precisamente reta e poucas mudanças em sua decolagem, a distância da decolagem muda conforme a quantidade de água e pressão colocada como combustível e o foguete decai na sua decolagem conforme o tempo devido a força negativa da gravidade. O melhor ângulo para o distância horizontal é 45 graus e para melhor distância vertical o ângulo de 85 graus.
11. Agradecimentos
Todo o trabalho apresentado foi realizado com dedicação e esforço, o projeto foi dado como trabalho pelos professores da disciplina de Tópicos de Ciências Exatas da Universidade de Caxias do Sul e a eles nós devemos o agradecimento. Conforme o andamento tivemos algumas perdas e gargalos, o que dificultou o processo do projeto, porém todo o esforço e persistência colocados nesse projeto foram retribuídos com aprendizagem sobre o processo geral da elaboração do minifoguete como a matemática, física e o uso essencial da tecnologia que está cada vez mais presente como uso do cotidiano social. Este trabalho foi realizado por Eduardo Cardoso e Giovane da Rosa da Silva.
11. Referências:
Física com Douglas - https://www.youtube.com/watch?v=qKkY-3SJzCQ
TodaMatéria - https://www.todamateria.com.br/lancamento-obliquo
https://www.youtube.com/watch?v=hLs4yXlty8Q&t=997s - Manual do Mundo
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