Máquina, Tipos de Máquinas
Máquina é um dispositivo destinado a aumentar ou substituir a força
humana ou animal na realização de um trabalho físico. Essa definição se
aplica das máquinas simples, como a alavanca, aos sistemas mecânicos
complexos, como o automóvel.
"Dê-me um ponto de apoio e moverei o mundo." A conhecida frase de Arquimedes, inventor grego, refere-se ao poder das máquinas, capazes de realizar tarefas com um mínimo de esforço humano. O conceito atual de máquina abrange grande número de artefatos, da simples alavanca aos aparelhos eletrônicos.
Máquinas simples - Mesmo os sistemas mecânicos da maior complexidade nada mais são que combinações de máquinas simples, estruturadas em seções ou órgãos, que transmitem uns aos outros a força inicial, modificada e multiplicada de forma progressiva. As máquinas simples constituem-se de um único elemento sobre o qual se aplica diretamente a força.
Há três tipos fundamentais de máquinas simples: alavanca, roldana e plano inclinado. Alguns autores incluem a cunha, o parafuso e o sarilho, que também podem ser vistos como modificações do plano inclinado e da roldana.
Alavanca - Chama-se alavanca uma barra rígida, reta ou curva, móvel em torno de um ponto fixo chamado fulcro ou apoio. As alavancas classificam-se em três tipos, conforme o lugar em que se situa o esforço (potência), a carga (resistência) e o apoio. Na alavanca interfixa, ou do primeiro gênero, o ponto de apoio está entre a carga e a força aplicada, como ocorre no pé-de-cabra, no alicate, no braço das balanças e nas antigas catapultas. Alavanca inter-resistente, ou do segundo gênero, é aquela em que a carga se situa entre o apoio e a força aplicada, como no caso do carrinho-de-mão e do quebra-nozes. Alavanca interpotente, ou do terceiro gênero, é aquela em que o esforço se aplica entre a carga e o apoio, como na pinça de gelo e no pedal do amolador.
Roldana - Também chamada polia, a roldana é um disco em cuja borda há um sulco (gorne), por onde passa uma corda ou uma correia de transmissão. A roldana gira em torno de um eixo perpendicular a ela e que passa por seu centro. A vantagem da roldana simples é que ela modifica a direção da força.
As roldanas podem ser fixas - quando têm como única finalidade mudar o sentido da potência, de modo a facilitar a realização do trabalho - ou móveis. Também podem ser combinadas entre si de diversas maneiras e formar aparelhos de força conhecidos como cadernais, com duas, três ou mais roldanas que giram em torno de um eixo comum. Os cadernais e roldanas fixas podem ainda combinar-se entre si e formar conjuntos conhecidos como teques, talhas e estralheiras simples ou dobradas.
Plano inclinado - Utilizado normalmente para elevar cargas, o plano inclinado é um plano rígido que forma um ângulo com o horizonte. É provavelmente a máquina simples mais antiga, e parece ter sido usado pelos egípcios para a construção de seus templos e pirâmides. Pode ser usado também para suavizar a descida de cargas que, de outro modo, teriam de ser atiradas verticalmente, ou demandariam emprego de força física para o mesmo trabalho.
Outras máquinas simples - Outras máquinas simples são, na verdade, casos particulares de modificações - como a cunha - e combinações - como o sarilho e o parafuso - das máquinas simples básicas.
A cunha é um prisma triangular isósceles, de base quadrangular, feito de material resistente. Constitui-se, portanto, de dois planos inclinados montados sobre suas faces maiores e intimamente ligados entre si. Sua utilidade principal é cortar ou dividir certos corpos. Exemplos típicos de cunhas são as bordas cortantes de facas e machados.
Muito usado para retirar água de poços e para levantar cargas, o sarilho é uma combinação particular de dois tipos de máquinas simples: a alavanca e a roldana. Consta basicamente de um cilindro capaz de girar em torno de um eixo que passa por seu centro e dotado de um braço ou manivela móvel em torno do mesmo eixo. A razão entre a força aplicada ao sarilho e a força exercida por ele (vantagem mecânica) depende da razão entre o raio do eixo e a distância da manivela ao centro do eixo.
O parafuso é um plano inclinado enrolado em torno de um cilindro. As hélices de navios e aviões são tipos especiais de parafusos.
Princípios do funcionamento das máquinas - A primeira finalidade da máquina é vencer as forças de resistência mediante a aplicação de forças motrizes. As máquinas compostas têm em comum alguns elementos que podem ser resumidos nos seguintes: receptor, sobre o qual atua a força motriz; operador, que transforma a força em trabalho útil; e meio de transmissão, que comunica a força do primeiro ao segundo. O êmbolo de uma máquina a vapor e as pás de um moinho de vento são exemplos de receptor, enquanto a biela, o rolamento, a engrenagem, os cabos, correntes e correias são meios de transmissão.
Rendimento - No funcionamento de uma máquina interferem as resistências passivas às quais estão submetidos os componentes durante a realização do trabalho. Correias e correntes estão sujeitas a distensões, alargamentos e dilatações decorrentes da temperatura, e as engrenagens sofrem a ação do atrito e de seu próprio peso. As resistências passivas consomem parte da energia gerada pelo trabalho motor, a qual, dissipada na forma de energia térmica, constitui o trabalho perdido, variável que deve ser controlada para o bom rendimento da máquina.
Segundo o princípio de conservação da energia, nenhuma quantidade de energia, qualquer que seja sua forma, pode ser criada ou destruída, mas apenas transformada. Assim, o trabalho motor de uma máquina corresponde à soma do trabalho útil ao perdido. O rendimento, principal variável no que diz respeito à aplicação prática de uma máquina, é a relação entre o trabalho útil e a energia fornecida. Seu valor é expresso em porcentagem, uma vez que é sempre menor que a unidade.
Potência - Outro parâmetro fundamental para a avaliação do funcionamento de uma máquina é a potência, quantidade de energia cedida ou absorvida numa determinada unidade de tempo. Trata-se de um fator muito importante na ordenação dos diferentes tipos em que se classificam as máquinas.
Tipos de máquinas
As máquinas podem ser agrupadas quanto a seus mecanismos, funcionalidade, tipo de controle empregado, grau de automação, tipo de energia consumida ou transformada e movimento descrito por suas peças. Também se diferenciam várias categorias de máquinas segundo o tipo de força motriz que utilizam - máquinas a vapor, hidráulicas e elétricas. Outra forma de classificá-las é segundo a função a que se destinam: agrícolas, de construção civil etc.
Máquina automática - Entende-se por máquina automática aquela capaz de realizar um ou mais ciclos de trabalho sem necessidade de controle manual depois de ligada pelo operador. São máquinas automáticas tanto os eletrodomésticos, como máquina de lavar roupas, toca-discos e secretária eletrônica; quanto as máquinas industriais de grande complexidade, como máquinas-ferramentas e robôs programados para entrar em funcionamento, alterar ciclos de operações e parar sem necessidade de manipulação ou vigilância.
Motores e geradores - Máquinas que convertem algum tipo de energia -- como a elétrica ou a térmica de certos combustíveis -- em movimento, e vice-versa, são chamadas transformadoras. Como a transformação pode realizar-se em ambos os sentidos, dá-se o nome de motor à que produz energia cinética (movimento), e de gerador ao mecanismo capaz de transformar esse movimento em energia. Geradores elétricos são máquinas que aproveitam o movimento de quedas d'água, vapor etc. e o transformam em energia elétrica.
Máquinas-ferramentas - Empregadas na fabricação de peças, sobretudo as de metal, as máquinas-ferramentas, ou máquinas operatrizes, eliminam com precisão o material excedente de uma peça. Devem ser capazes de fazê-lo sem produzir aquecimento que possa deteriorar a peça pela alteração da granulometria (disposição dos átomos) do material de que é feita.
Entre as principais máquinas-ferramentas incluem-se o torno, especialmente útil para obter superfícies cilíndricas; as lixadeiras e plainas, para superfícies planas; as perfuratrizes; a fresa, engrenagem motora usada para desbastar ou cortar peças metálicas; as retificadoras, empregadas para eliminar, por meio de um abrasivo (esmeril, por exemplo), o excesso de material na peça; as talhadeiras de engrenagens e os laminadores de chapas, entre outras de uso mais restrito. Como as peças em geral são feitas de materiais de grande dureza e resistência mecânica, as máquinas-ferramentas precisam ter potência considerável, normalmente fornecida por motores elétricos.
Atualmente, nas grandes linhas de produção, existem robôs capazes de produzir peças simples por um processo conhecido como CAD-CAM (computer-aided design and manufacturing), ou seja, desenho e fabricação de peças com o auxílio de computadores.
Máquina a Vapor - Poucas invenções foram tão importantes para a história da humanidade como a máquina a vapor. Primeiro dispositivo capaz de transformar o calor em energia mecânica com eficiência suficiente para substituir a tração animal, pode ser considerada uma das grandes responsáveis pela revolução industrial no século XIX.
A máquina a vapor utiliza material combustível, como o carvão, para obter vapor d'água, que é mantido sob pressão e tem sua força utilizada para pôr em movimento um êmbolo ou pistão. Em quase todas as máquinas a vapor, o movimento retilíneo alternado do êmbolo se transforma em circular contínuo do eixo motor mediante um mecanismo biela-manivela, muito visível e característico nas antigas locomotivas por estar articulado diretamente sobre as rodas.
O primeiro aparelho a sugerir a possibilidade da máquina a vapor está descrito na Pneumatica (Sobre o ar), do filósofo Heron de Alexandria (c.130 a.C.). Sua eolípila, embora rudimentar, aplicava os mesmos princípios da máquina a vapor atual. Apesar dessas referências remotas, a construção de uma máquina capaz de funcionar por si mesma durante um período de tempo considerável só ocorreu no século XVII. Em 1698, na Inglaterra, o capitão Thomas Savery apresentou um dos primeiros modelos bem-sucedidos de máquina a vapor para extrair água das minas. Em 1705, deu-se um passo adiante com a máquina de Thomas Newcomen -- primeira a utilizar cilindro e êmbolo --, aperfeiçoada por Henry Beighton e John Smeaton.
Em 1763, James Watt, ao consertar um modelo da máquina de Newcomen, na Universidade de Glasgow, acabou por inventar seu próprio tipo, patenteado em 1769 e 1781, correspondente à máquina a vapor moderna. Em 1782, Watt patenteou novo modelo, uma máquina rotativa de ação dupla, que pela primeira vez permitiu o aproveitamento do vapor para impulsionar toda espécie de mecanismo. Criou-se assim o sistema das fábricas e acelerou-se a revolução industrial.
As máquinas a vapor experimentaram transformações radicais. Inventaram-se os mais variados tipos de disposição e quantidade de cilindros, incluindo pistões fixos com cilindros oscilantes ou rotativos. Durante anos foram insubstituíveis nas grandes indústrias, assim como no transporte marítimo e ferroviário. Alguns automóveis a vapor chegaram a ser construídos, mas essas máquinas têm o inconveniente do excesso de peso e exigem abundante produção de vapor numa caldeira em que é difícil manter a combustão. Posteriormente, os motores de combustão interna, como os diesel, passaram a ser os mais aplicados industrialmente. O vapor passou a ser usado em poucos casos, como nas turbinas de alta velocidade das centrais termelétricas.
Máquinas Elétricas - No grande grupo das máquinas elétricas se incluem todos os dispositivos destinados à transformação de energia -- em qualquer de suas formas -- em eletricidade, ou vice-versa. Embora sejam muito diversificadas no que diz respeito a suas funções ou características estruturais, todas obedecem ao princípio físico segundo o qual a aplicação de uma variação de fluxo magnético num circuito fechado permite obter uma força eletromotriz. Esse é o enunciado da lei de Lenz, ou da indução magnética.
Quanto à forma de aplicação da indução, se estabelece uma distinção entre as máquinas de indução, nas quais a força eletromotriz é gerada pelo deslocamento de um condutor no interior de um campo magnético, e as eletrostáticas, nas quais um condutor recebe determinada quantidade de eletricidade que é transferida para outro de maior potencial. As primeiras se compõem basicamente de um estator e um rotor, entre os quais se processa a conversão de energia, que são teoricamente reversíveis. Na prática, porém, somente máquinas especialmente projetadas são capazes de alternar ciclos de funcionamento como gerador e motor. Isto ocorre, por exemplo, nas usinas hidrelétricas reversíveis, em que a água que movimenta os geradores é armazenada para posterior rebombeamento, pelas mesmas máquinas, em horários favoráveis, isto é, de baixa demanda de energia.
Dentre as máquinas eletrostáticas cabe citar, por sua importância histórica, a construída por Otto von Guericke, que produzia eletricidade por fricção. Outra das mais interessantes é o gerador idealizado por Robert Jemison Van de Graaff, que funciona por indução e permite obter tensões elétricas de grande magnitude. Constitui-se de duas bandas contínuas de material isolante sobre as quais incidem cargas procedentes de geradores auxiliares. Conforme sua função, as máquinas desse tipo podem ser geradores, alternadores, transformadores, pilhas, acumuladores, conversores etc.
Máquinas domésticas - Ferros de passar roupa aquecidos a carvão, geladeiras a gás e numerosos aparelhos manuais, como moedores de café e máquinas de costura, fizeram parte da vida doméstica antes que a energia elétrica se tornasse acessível em grande escala. A partir da década de 1930, o uso da eletricidade, antes restrito à iluminação, começou a ser intensamente difundido como o principal substituto da força humana no acionamento de um número cada vez maior de instrumentos domésticos. Depois dos fogareiros, fogões e ferros elétricos, surgiram os refrigeradores, enceradeiras, aspiradores de pó e todos os modernos aparelhos eletrodomésticos, entre eles os de uso mais geral, como máquinas de lavar, liquidificadores e aparelhos de ar-condicionado, e os de função mais especializada, como máquinas de costura e tricô e computadores pessoais.
Maquinaria de construção civil e obras públicas - As principais operações a que se destinam as máquinas na construção são reconhecimento do solo, terraplenagem, transporte de materiais, consolidação e cimentação do terreno, elevação de materiais, concretagem, além de acabamento e polimento de superfícies. Algumas realizam trabalho especializado, enquanto outras são polivalentes.
