Motores são componentes fundamentais dentro da engenharia como área de pesquisa e inovação em soluções para problemas cotidianos. Por definição, um motor é um dispositivo que converte a energia existente nas mais variadas formas em energia mecânica. Isso possibilita a movimentação das partes móveis de um mecanismo. Ou, até mesmo, a movimentação de um sistema como um todo. Assim, diversos aparatos utilizados no dia-a-dia envolvem alguma forma de movimento para seu funcionamento. Temos desde tecnologias de informática, como computadores e laptops, até máquinas e veículos de transporte, como carros e aviões. E é papel fundamental dos motores criar essa movimentação. Entenda como funcionam três tipos de motores e como se dão suas aplicações nas principais máquinas que os utilizam.

Motores à combustão

Um motor à combustão é um motor que utiliza a energia presente nas ligações químicas das moléculas do combustível (podendo esse ser gasolina, etanol (álcool), diesel, entre outros) para a movimentação de eixos, isto é, é um motor que transforma energia química em energia mecânica. Portanto, isso ocorre basicamente com a reação química de combustão. Ou seja, a queima do combustível utilizado que ao gerar produtos gasosos e com elevadíssima temperatura resulta no aumento de pressão sobre um pistão. Esse aumento na pressão causa o movimento dentro do motor. Isso causa o efeito mecânico desejado para a máquina. 

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Mas como funciona o motor à combustão?

Para ilustrar o funcionamento de um motor à combustão e tornar seu entendimento mais simples, tomaremos como exemplo o Motor à combustão de 4 Tempos. Esse tipo de motor tem esse nome por trabalhar sob um regime de operação cíclico com quatro etapas fundamentais. Elas são: admissão, compressão, combustão e escape. 

Admissão

Pode-se dizer que é a “primeira” etapa do ciclo de funcionamento do motor à combustão quatro tempos. Nessa etapa, o bico injetor de combustível introduz dentro da câmara de combustão do cilindro uma mistura de ar  e combustível pulverizado. É importante que haja oxigênio na mistura de ar, que é o comburente da reação. 

Compressão

Nesta etapa, a mistura injetada é comprimida por um pistão (êmbolo) que, como ilustra o esquema abaixo, percorre o espaço com movimento de subida, acarretado pela biela presa ao virabrequim do sistema. 

Combustão

Sob altíssima pressão devido a diminuição do volume interno ocasionada pela compressão da mistura gasosa, chega-se a hora de “explodir” o sistema. Isso é feito através de um dispositivo elétrico – geralmente a vela –  que gera uma faísca dentro da câmara de combustão. Assim, a mistura entra rapidamente em processo de queima. E, consequentemente, expande quase que instantaneamente seu volume e realiza um trabalho sobre o pistão. O pistão é empurrado novamente para baixo, movimentando a biela acoplada a seu corpo, a qual movimenta o virabrequim.

Escape

Após a terceira etapa, restam na câmara de combustão os produtos da reação de queima, como compostos gasosos carbônicos (como por exemplo o CO2) e vapor d’água. Na quarta e última etapa do ciclo esses produtos são enviados para o sistema de escape do motor e liberados para o meio externo.

Após a quarta etapa, o motor está pronto para dar início a um novo ciclo. Então, novamente, o motor admite uma mistura gasosa de combustível e ar, comprimindo-a, queimando-a e liberando-a. Então, o motor à combustão é o motor usualmente utilizado em veículos de transporte, como carros, motos e, até mesmo alguns aviões, como monomotores que utilizam motores à combustão em formato radial para movimentar suas pás e gerar, assim, o empuxo necessário para o vôo. 

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Motores Turbofans 

Se aviões te chamam a atenção, então esse é o motor perfeito para você. Isso porque praticamente todos os motores que impulsionam os aviões comerciais e executivos atuais são do tipo turbofan. Motores turbofan são motores a reação com ótimo desempenho e que possuem sua operação ótima com velocidades na faixa de 700 km/h – 1000 km/h. Embora seja, de fato, um motor com processos de funcionamento bem complexos, abordaremos as características principais de um motor turbofan para que se possa entender como ele funciona e compreender um pouco sobre sua função na aeronave.

Motores a reação são fundamentados sobre a terceira lei de Newton, que pode ser enunciada da seguinte maneira:

“Para toda ação (força) sobre um objeto, em resposta à interação com outro objeto, existirá uma reação (força) de mesmo valor e direção, mas com sentido oposto.”

Isso significa, em resumo, que toda força aplicada por um sistema sobre um meio externo terá, como reação, uma força de mesma intensidade. No entanto, essa força age no sentido oposto à primeira, aplicada pelo meio externo sobre o sistema. Assim, motores a reação trabalham “empurrando” quantidades massivas de ar com grande energia cinética e térmica para trás. Em compensação, são “empurrados”, por essa quantidade massiva de ar quente, para frente. Esse processo gera uma das quatro forças principais que fundamentam o vôo de uma aeronave: o empuxo do motor.

E como funciona o motor turbofan?

O motor turbofan esquematizado abaixo é a vista lateral, sem a carenagem, do motor que geralmente se encontra em aeronaves comerciais e executivas, como a da primeira imagem deste tópico. Pode-se dividir o esquema em 3 módulos para melhor entendimento do funcionamento. A parte inicial, em verde, a parte intermediária, em roxo, e a parte final, também em verde. 

O ar, em alta velocidade, entra no motor e logo se choca com os fans. Grande parte dessa massa de ar é deslocada para as extremidades do motor, é acelerada e direcionada para a saída de ar ao fundo. Cerca de 80% do empuxo é gerado dessa maneira. Entretanto, outra parte da massa de ar é sugada pelo compressor de baixa pressão. Então, é iniciada uma jornada de subsequentes compressões até se encaminhar para a câmara de combustão. Essa câmara, quando misturada ao combustível, é explodida, expandida e expelida para fora do motor. Além disso, é expelido o ar que entrou e seguiu diretamente pela lateral até a turbina de descarga. 

Uma diferença notável entre os motores turbofans e os motores a combustão é o fato de que, a cada ciclo nestes, é acesa uma nova faísca que gera a explosão necessária para a movimentação do pistão. Isso é análogo ao que acontece com um isqueiro. Já nos turbofans, o fluxo de ar é muito intenso e contínuo. Assim, uma vez ligado, não é necessário se preocupar em acendê-lo novamente,. Assim, é análogo ao que acontece com um maçarico. 

Importante notar, no esquema gráfico, que a turbina de baixa pressão e os fans estão conectados por um eixo. Isso é necessário porque os gases que são comprimidos, passam pelo processo de combustão, giram a turbina de baixa pressão e saem pela turbina de escape, são os responsáveis por girar, também, os fans e o compressor de baixa pressão, na frente do motor. E lembra que essas partes são responsáveis por deslocar para a borda do motor a massa de ar que irá gerar cerca de 80% do empuxo da aeronave? Assim, pode-se dizer de maneira geral que esses 20% de gases que passam pela compressão e combustão geram, indiretamente, os 80% de propulsão do motor. Está aí um motivo para a apreciada eficiência desses motores e sua preferência pelo setor aeronáutico.

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Motores Elétricos

Um motor elétrico é um dispositivo que aproveita a energia elétrica existente num circuito para transformá-la em energia mecânica. Em geral, os motores elétricos trabalham não somente com entidades elétricas, como corrente e campo elétrico. Eles também trabalham com o ente campo magnético e sua interação com as propriedades elétricas do sistema. Para entender o funcionamento básico de um motor elétrico devemos recorrer a duas leis da física: lei de Lorentz, a qual afirma que há uma força mecânica agindo sobre todo e qualquer fio em que passa uma corrente elétrica, visto que essa corrente gera um campo magnético, e também à lei que enuncia que campos magnéticos de pólos iguais se repelem.

De forma simples, pode-se dizer que o motor possui ímãs fixados internamente em sua carcaça. Além disso, também possui um rotor, que gira em seu interior. O rotor é composto por bobinas – um conjunto de fios enrolados em que se passa corrente elétrica. Quando as bobinas são energizadas, geram campos magnéticos com a mesma polaridade do campo magnético da carcaça. Essa polaridade igual faz com que o rotor seja repelido. Assim, o rotor gira – produzindo movimentação mecânica através de fenômenos de repulsão eletromagnéticos.

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De todos os tipos de motores utilizados hoje, os motores elétricos são os mais presentes

Isso porque combinam inúmeros fatores de interesse. Por exemplo, temos a redução de custos, grande flexibilidade nas áreas de emprego, melhor rendimento que motores a combustão, menor emissão de ruídos e vibrações, facilidade de manutenção, etc. A grande vantagem dos motores elétricos consiste na sua grande adaptabilidade à qualquer situação. Existirem diversas opções de modelos com diferentes potências e capacidades. E  além de trabalharem com maior estabilidade e em maior precisão, qualidades importantes em aplicações onde é necessário garantir repetibilidade.

Independentemente da demanda por torque e potência de operação, é possível escolher um modelo de motor elétrico adequado. Além da adequação, é possível ainda configurar seu comportamento ao longo do tempo de aplicação. Assim, você consegue atingir o regime de operação desejável. Por isso, esses motores estão presentes nas mais variadas máquinas do dia-a-dia. Por exemplo, em ventiladores, liquidificadores, micro-ondas, máquinas de lavar  e computadores (usados nas ventoinhas dos coolers e dentro do disco rígido). Além disso, ainda podemos citar portões automatizados, máquinas industriais e automóveis. Enfim, o uso desses dispositivos possui uma gama praticamente infinita de possibilidades.

Conclusão

Seja a máquina qual for, seu motor será seu coração. Durante o processo de desenvolvimento de máquina, a escolha correta do motor que melhor se adequa ao projeto e fornece as melhores condições de funcionamento da máquina é um fator de direta implicação na qualidade do produto e na determinação de sua vida útil. 

E você? Tem alguma ideia de máquina a ser desenvolvida ou procura ajuda para escolher o motor ideal para o seu projeto? Entre em contato com a EESC Jr. e agende uma conversa. Estaremos á disposição para auxiliar você e sua máquina a atingirem a maior eficiência possível. 

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Texto escrito por Vinícius Maiolo, Consultor de Engenharia Mecânica e Mecatrônica da EESC jr. – Empresa Júnior de Arquitetura e Engenharia da USP São Carlos