MÁQUINA (DISPOSITIVO MECÂNICO MOTORIZADO)

Uma máquina especializada na produção de pellets de ração para gado. Foto de RICHI Manufacture tirada em 23 de junho de 2022.

Uma máquina é um sistema termodinâmico que utiliza energia para aplicar forças e controlar o movimento a fim de realizar uma ação. O termo é comumente aplicado a dispositivos artificiais, como aqueles que empregam motores, mas também a macromoléculas biológicas naturais, como máquinas moleculares. As máquinas podem ser movidas por animais e força humana, por forças naturais como o vento e a água, e por energia química, térmica ou elétrica, e incluem um sistema de mecanismos que moldam a entrada do atuador para alcançar uma aplicação específica de forças e movimento de saída. Elas também podem incluir computadores e sensores que monitoram o desempenho e planejam o movimento, frequentemente chamados de sistemas mecânicos.

Os filósofos naturais do Renascimento identificaram seis máquinas simples que eram os dispositivos elementares que colocavam uma carga em movimento e calcularam a relação entre a força de saída e a força de entrada, conhecida hoje como vantagem mecânica.

As máquinas modernas são sistemas complexos que consistem em elementos estruturais, mecanismos e componentes de controle, e incluem interfaces para facilitar o uso. Exemplos incluem: uma ampla gama de veículos, como trens, automóveis, barcos e aviões; eletrodomésticos e equipamentos para uso doméstico e comercial, incluindo computadores, sistemas de climatização e de tratamento de água; além de máquinas agrícolas, máquinas-ferramenta, sistemas de automação industrial e robôs.

FONTES DE ENERGIA

Modelo didático de um motor de combustão interna. Foto tirada por Luc Viatour em 2006.

O esforço humano e animal foram as fontes de energia originais para as primeiras máquinas.

Roda d'água: As rodas d'água surgiram em todo o mundo por volta de 300 a.C., utilizando a água corrente para gerar movimento rotativo, que era aplicado na moagem de grãos e no acionamento de operações madeireiras, de usinagem e têxteis. As turbinas hidráulicas modernas utilizam a água que flui através de uma barragem para acionar um gerador elétrico.

Moinho de vento: Os primeiros moinhos de vento captavam a energia eólica para gerar movimento rotativo para as operações de moagem. As turbinas eólicas modernas também acionam um gerador. Essa eletricidade, por sua vez, é usada para acionar motores que formam os atuadores de sistemas mecânicos.

Motor: A palavra motor deriva de "engenhosidade" e originalmente se referia a dispositivos que podem ou não ser aparelhos físicos. Um motor a vapor usa calor para ferver água contida em um recipiente pressurizado; o vapor em expansão aciona um pistão ou uma turbina. Esse princípio pode ser visto na eolípila de Herão de Alexandria. Isso é chamado de motor de combustão externa.

Um motor de automóvel é chamado de motor de combustão interna porque queima combustível (uma reação química exotérmica) dentro de um cilindro e usa os gases em expansão para acionar um pistão. Um motor a jato usa uma turbina para comprimir o ar que é queimado com combustível para que se expanda através de um bocal para fornecer impulso a uma aeronave, e, portanto, também é um "motor de combustão interna".

Usina termoelétrica: O calor da combustão de carvão e gás natural em uma caldeira gera vapor que aciona uma turbina a vapor, que por sua vez gira um gerador elétrico. Uma usina nuclear utiliza o calor de um reator nuclear para gerar vapor e energia elétrica. Essa energia é distribuída por meio de uma rede de linhas de transmissão para uso industrial e individual.

Motores: Os motores elétricos utilizam corrente elétrica CA ou CC para gerar movimento rotacional. Os servomotores elétricos são os atuadores de sistemas mecânicos que vão desde sistemas robóticos até aeronaves modernas.

Sistemas hidráulicos e pneumáticos utilizam bombas acionadas eletricamente para impulsionar água ou ar, respectivamente, para dentro de cilindros, a fim de gerar movimento linear.

Eletroquímica: Produtos químicos e materiais também podem ser fontes de energia. Eles podem se esgotar quimicamente ou precisar de recarga, como é o caso das baterias, ou podem produzir energia sem mudar seu estado, como é o caso das células solares e dos geradores termoelétricos. Todos esses, no entanto, ainda requerem que sua energia venha de outro lugar. Nas baterias, é a energia potencial química já existente em seu interior. Nas células solares e nos dispositivos termoelétricos, a fonte de energia é a luz e o calor, respectivamente.

MECANISMOS

Fragmento principal do mecanismo de Anticítera (fragmento A). O mecanismo consiste em um sistema complexo de 30 engrenagens e placas com inscrições referentes aos signos do zodíaco, meses, eclipses e jogos pan-helênicos. O estudo dos fragmentos sugere que se tratava de uma espécie de astrolábio. A interpretação atualmente aceita remonta aos estudos do professor Derek de Solla Price, que foi o primeiro a sugerir que o mecanismo é uma máquina para calcular os calendários solar e lunar — isto é, uma máquina engenhosa para determinar o tempo com base nos movimentos do Sol e da Lua, na relação entre eles (eclipses) e nos movimentos de outras estrelas e planetas conhecidos na época. Pesquisas posteriores, realizadas pelo Projeto de Pesquisa do Mecanismo de Anticítera e pelo pesquisador Michael Wright, complementaram e aprimoraram o trabalho de Price.
O mecanismo foi provavelmente construído por um engenheiro mecânico da escola de Posidônio, em Rodes. Cícero, que visitou a ilha em 79/78 a.C., relatou que tais dispositivos foram, de fato, projetados pelo filósofo estoico Posidônio de Apameia. O projeto do mecanismo de Anticítera parece seguir a tradição do planetário de Arquimedes e pode estar relacionado a relógios de sol. Seu funcionamento baseia-se no uso de engrenagens. A máquina é datada de cerca de 89 a.C. e provém do naufrágio encontrado ao largo da ilha de Anticítera. Museu Arqueológico Nacional, Atenas, nº 15987.

O mecanismo de um sistema mecânico é montado a partir de componentes chamados elementos de máquina. Esses elementos fornecem estrutura ao sistema e controlam seu movimento.

Os componentes estruturais são, geralmente, os membros da estrutura, rolamentos, estrias, molas, vedações, fixadores e tampas. O formato, a textura e a cor das tampas proporcionam uma interface estilística e operacional entre o sistema mecânico e seus usuários.

Os conjuntos que controlam o movimento também são chamados de "mecanismos". Os mecanismos são geralmente classificados como engrenagens e trens de engrenagens, que incluem transmissões por correia e transmissões por corrente, mecanismos de came e seguidor e ligações, embora existam outros mecanismos especiais, como ligações de fixação, mecanismos de indexação, escapes e dispositivos de fricção, como freios e embreagens.

O número de graus de liberdade de um mecanismo, ou sua mobilidade, depende do número de elos e juntas e dos tipos de juntas utilizadas na construção do mecanismo. A mobilidade geral de um mecanismo é a diferença entre a liberdade irrestrita dos elos e o número de restrições impostas pelas juntas. Ela é descrita pelo critério de Chebyshev-Grübler-Kutzbach.

Engrenagens e trens de engrenagens: A transmissão de rotação entre rodas dentadas em contato remonta ao mecanismo de Anticítera, na Grécia, e à carruagem apontada para o sul, na China. Ilustrações do cientista renascentista Georgius Agricola mostram trens de engrenagens com dentes cilíndricos. A implementação do dente involuto resultou em um projeto de engrenagem padrão que proporciona uma relação de velocidade constante. Algumas características importantes de engrenagens e trens de engrenagens são:

1. A relação entre os círculos primitivos das engrenagens acopladas define a relação de velocidade e a vantagem mecânica do conjunto de engrenagens.
2. Um trem de engrenagens planetárias proporciona alta redução de engrenagem em um formato compacto.
3. É possível projetar dentes de engrenagem que não sejam circulares, mas que ainda assim transmitam torque suavemente.
4. As relações de velocidade das transmissões por corrente e correia são calculadas da mesma forma que as relações de engrenagem. Veja engrenagens de bicicleta.

Mecanismos de came e seguidor: Um mecanismo de came e seguidor é formado pelo contato direto de duas hastes com formato específico. A haste motriz é chamada de came e a haste que é acionada pelo contato direto entre suas superfícies é chamada de seguidor. O formato das superfícies de contato da came e do seguidor determina o movimento do mecanismo.

Conexões: Uma articulação é um conjunto de elos conectados por juntas. Geralmente, os elos são os elementos estruturais e as juntas permitem o movimento. Talvez o exemplo mais útil seja a articulação plana de quatro barras. No entanto, existem muitas outras articulações especiais:

1. A articulação de Watt é uma articulação de quatro barras que gera uma linha aproximadamente reta. Ela foi fundamental para o funcionamento de seu projeto de máquina a vapor. Essa articulação também aparece em suspensões de veículos para evitar o movimento lateral da carroceria em relação às rodas. Veja também o artigo Movimento paralelo.
2. O sucesso do mecanismo de Watt levou ao desenvolvimento de mecanismos semelhantes, aproximadamente em linha reta, como o mecanismo de Hoeken e o mecanismo de Chebyshev.
3. O mecanismo de Peaucellier gera uma saída em linha reta a partir de uma entrada rotativa.
4. O mecanismo de Sarrus é um mecanismo espacial que gera movimento em linha reta a partir de uma entrada rotativa.
5. O mecanismo de Klann e o mecanismo de Jansen são invenções recentes que proporcionam movimentos de caminhada interessantes. Tratam-se, respectivamente, de um mecanismo de seis barras e de um mecanismo de oito barras.

Trem de pouso de uma aeronave; vista esquemática do mecanismo de retração. Os círculos preenchidos representam pontos fixos em relação à estrutura da aeronave. Os arcos coloridos indicam o lugar geométrico dos pontos.
1 - Atuador hidráulico;
2 - Mecanismo de articulação;
3 - Montante;
4 - Cubo da roda;
5 - Roda;
6 - Fuselagem/Asa.

Mecanismo planar: Um mecanismo planar é um sistema mecânico que é restringido de forma que as trajetórias dos pontos em todos os corpos do sistema fiquem em planos paralelos a um plano de base. Os eixos de rotação das juntas articuladas que conectam os corpos do sistema são perpendiculares a esse plano de base.

Mecanismo esférico: Um mecanismo esférico é um sistema mecânico no qual os corpos se movem de forma que as trajetórias dos pontos no sistema se situem em esferas concêntricas. Os eixos de rotação das juntas articuladas que conectam os corpos no sistema passam pelo centro dessas esferas.

Mecanismo espacial: Um mecanismo espacial é um sistema mecânico que possui pelo menos um corpo que se move de forma que suas trajetórias pontuais sejam curvas espaciais gerais. Os eixos de rotação das juntas articuladas que conectam os corpos no sistema formam linhas no espaço que não se intersectam e possuem normais comuns distintas.

Mecanismos de flexão: Um mecanismo de flexão consiste em uma série de corpos rígidos conectados por elementos flexíveis (também conhecidos como juntas de flexão) projetados para produzir um movimento geometricamente bem definido mediante a aplicação de uma força.

ELEMENTOS DE MÁQUINAS

Elemento de máquina ou HARDWARE refere-se a um componente elementar de uma máquina. Esses elementos consistem em três tipos básicos:

1. componentes estruturais como membros da estrutura, rolamentos, eixos, estrias, fixadores, vedações e lubrificantes;
2. mecanismos que controlam o movimento de várias maneiras, como trens de engrenagens, transmissões por correia ou, articulações, sistemas de came e seguidor, incluindo freios e embreagens;
3. componentes de controle, como botões, interruptores, indicadores, sensores, atuadores e controladores de computador.

Embora geralmente não sejam considerados elementos da máquina, o formato, a textura e a cor das capas são uma parte importante de uma máquina, pois proporcionam uma interface estilística e operacional entre os componentes mecânicos da máquina e seus usuários.

Os elementos de máquinas são peças e características mecânicas básicas usadas como blocos de construção da maioria das máquinas. A maioria é padronizada em tamanhos comuns, mas também são comuns os personalizados para aplicações especializadas.

Os elementos de máquinas podem ser características de uma peça (como roscas ou mancais de deslizamento integrais) ou podem ser peças discretas em si mesmas, como rodas, eixos, polias, rolamentos ou engrenagens. Todas as máquinas simples podem ser descritas como elementos de máquinas, e muitos elementos de máquinas incorporam conceitos de uma ou mais máquinas simples. Por exemplo, um fuso de esferas incorpora uma rosca , que é um plano inclinado enrolado em torno de um cilindro.

A cinemática moderna suplantou a teoria das máquinas simples ao longo do século XIX com a criação da teoria da cadeia cinemática, que modela matematicamente os elementos da máquina como partes de um sistema de elos e juntas com movimento relativo restrito.

Muitas tarefas de projeto mecânico, invenção e engenharia envolvem o conhecimento de vários elementos de máquinas e a combinação inteligente e criativa desses elementos em um componente ou conjunto que atenda a uma aplicação específica.

Elementos estruturais:

1. Vigas;
2. Amortecedores;
3. Rolamentos;
4. Fixadores;
5. Chaves;
6. Estrias;
7. Pino de chaveta;
8. Vedações;
9. proteções de máquinas.

Elementos mecânicos:

1. Motor;
2. Motor elétrico;
3. Atuador;
4. Eixos;
5. Acoplamentos;
6. Cinto;
7. Corrente;
8. Acionamentos por cabo;
9. Trem de engrenagens;
10. Embreagem;
11. Freio;
12. Volante;
13. Cam;
14. sistemas seguidores;
15. Ligação;
16. Máquina simples.

Tipos:

1. Eixos
2. Acoplamento
1. Chaveta
2. Estriado
3. Mancal
1. Rolamento de rolos
2. Mancal de deslizamento
3. Mancal de escora (axial)
4. Rolamento de esferas
5. Rolamento linear
6. Bloco de mancal (pillow block)
4. Engrenagens
1. Engrenagem de dentes retos
2. Engrenagem helicoidal
3. Rosca sem-fim
4. Engrenagem de dentes em V (espinha de peixe)
5. Elemento de fixação
1. Parafuso
1. Rosca
2. Porca
6. Garfo de fixação (clevis)
7. Anel de retenção
8. Anel elástico (tipo Seeger)
9. Anel tipo E
10. Contrapino
11. Pino de travamento (linchpin)
12. Presilha tipo R
13. Rebite
14. Pino cônico
15. Anel O-ring
16. Correia
1. Polias
17. Embreagem
18. Freio
19. Corrente
1. Roda dentada
20. Cabo de aço
21. Parafuso de potência

CONTROLADORES

Controladores combinam sensores , lógica e atuadores para manter o desempenho dos componentes de uma máquina. Talvez o mais conhecido seja o regulador de velocidade de um motor a vapor. Exemplos desses dispositivos variam de um termostato que, à medida que a temperatura aumenta, abre uma válvula para resfriar a água, a controladores de velocidade, como o sistema de controle de cruzeiro em um automóvel. O controlador lógico programável (CLP) substituiu relés e mecanismos de controle especializados por um computador programável. Servomotores que posicionam um eixo com precisão em resposta a um comando elétrico são os atuadores que tornam os sistemas robóticos possíveis.

MÁQUINAS DE COMPUTAÇÃO

Exposição no Tekniska museet, em Estocolmo, Suécia. Esta obra é antiga o suficiente para estar em domínio público. A fotografia era permitida no museu sem restrições.

Em 1837, Charles Babbage projetou máquinas para tabular logaritmos e outras funções. Sua Máquina Diferencial pode ser considerada uma calculadora mecânica avançada e sua Máquina Analítica, uma precursora do computador moderno, embora nenhum dos projetos maiores tenha sido concluído durante a vida de Babbage.

O aritmômetro e o comptômetro são computadores mecânicos que foram precursores dos computadores digitais modernos. Os modelos usados para estudar os computadores modernos são chamados de máquina de estados e máquina de Turing.

MÁQUINAS MOLECULARES

A molécula biológica miosina reage ao ATP e ao ADP para se ligar alternadamente a um filamento de actina e alterar sua forma, exercendo uma força, e depois se desligar para restaurar sua forma, ou conformação. Isso atua como o impulso molecular que causa a contração muscular. De forma semelhante, a molécula biológica cinesina possui duas seções que se ligam e desligam alternadamente dos microtúbulos, fazendo com que a molécula se mova ao longo do microtúbulo e transporte vesículas dentro da célula, e a dineína, que transporta cargas dentro das células em direção ao núcleo e produz o batimento axonêmico de cílios e flagelos móveis. "Na verdade, o cílio móvel é uma nanomáquina composta por talvez mais de 600 proteínas em complexos moleculares, muitas das quais também funcionam independentemente como nanomáquinas. Conectores flexíveis permitem que os domínios proteicos móveis conectados por eles recrutem seus parceiros de ligação e induzam alosteria de longo alcance por meio da dinâmica do domínio proteico." Outras máquinas biológicas são responsáveis pela produção de energia, por exemplo, a ATP sintase, que aproveita a energia dos gradientes de prótons através das membranas para impulsionar um movimento semelhante ao de uma turbina, usado para sintetizar ATP, a moeda energética de uma célula. Outras máquinas ainda são responsáveis pela expressão gênica, incluindo DNA polimerases para replicar o DNA, RNA polimerases para produzir mRNA, o spliceossomo para remover íntrons e o ribossomo para sintetizar proteínas. Essas máquinas e sua dinâmica em nanoescala são muito mais complexas do que quaisquer máquinas moleculares que já foram construídas artificialmente. Essas moléculas são cada vez mais consideradas nanomáquinas.

Os pesquisadores usaram DNA para construir ligações de quatro barras em nanoescala.

MECÂNICA

Usher relata que o tratado de Mecânica de Herão de Alexandria focava no estudo do levantamento de pesos pesados. Hoje, a mecânica refere-se à análise matemática das forças e do movimento de um sistema mecânico e consiste no estudo da cinemática e da dinâmica desses sistemas.

Dinâmica das máquinas: A análise dinâmica de máquinas começa com um modelo de corpo rígido para determinar as reações nos mancais, ponto em que os efeitos da elasticidade são incluídos. A dinâmica de corpos rígidos estuda o movimento de sistemas de corpos interconectados sob a ação de forças externas. A suposição de que os corpos são rígidos, o que significa que não se deformam sob a ação de forças aplicadas, simplifica a análise, reduzindo os parâmetros que descrevem a configuração do sistema à translação e rotação de sistemas de referência associados a cada corpo.

A dinâmica de um sistema de corpos rígidos é definida por suas equações de movimento, que são derivadas utilizando as leis de Newton ou a mecânica lagrangiana. A solução dessas equações de movimento define como a configuração do sistema de corpos rígidos se altera em função do tempo. A formulação e a solução da dinâmica de corpos rígidos são ferramentas importantes na simulação computacional de sistemas mecânicos.

Cinemática das máquinas: A análise dinâmica de uma máquina requer a determinação do movimento, ou cinemática, de seus componentes, conhecida como análise cinemática. A suposição de que o sistema é um conjunto de componentes rígidos permite que os movimentos de rotação e translação sejam modelados matematicamente como transformações euclidianas, ou rígidas. Isso possibilita determinar a posição, a velocidade e a aceleração de todos os pontos de um componente a partir dessas propriedades em relação a um ponto de referência, bem como a posição angular, a velocidade angular e a aceleração angular do componente.

PROJETO DE MÁQUINA

O projeto de máquinas refere-se aos procedimentos e técnicas utilizados para abordar as três fases do ciclo de vida de uma máquina:

1. Invenção, que envolve a identificação de uma necessidade, o desenvolvimento de requisitos, a geração de conceitos, o desenvolvimento de protótipos, a fabricação e os testes de verificação;
2. A engenharia de desempenho envolve o aprimoramento da eficiência de fabricação, a redução das demandas de serviço e manutenção, a adição de recursos e a melhoria da eficácia, além de testes de validação;
3. A reciclagem é a fase de desativação e descarte, e inclui a recuperação e reutilização de materiais e componentes.

IMPACTO

*De re metallica* de Georg Agricola, Livro XII páginas 158, no qual são descritos cargos, instrumentos, máquinas e tudo [...] relativo à metalurgia [...], com o acréscimo de denominações latinas e germânicas [...]; bem como o livro *De animantibus subterraneis*, revisado pelo autor [...].

Mecanização e automação: Mecanização (ou mechanisation em inglês britânico) é o ato de fornecer aos operadores humanos máquinas que os auxiliam nas exigências musculares do trabalho ou que substituem o trabalho muscular. Em alguns campos, a mecanização inclui o uso de ferramentas manuais. No uso moderno, como em engenharia ou economia, a mecanização implica máquinas mais complexas do que ferramentas manuais e não incluiria dispositivos simples como um moinho de cavalo ou burro sem engrenagens. Dispositivos que causam mudanças de velocidade ou mudanças de movimento alternativo para rotativo, usando meios como engrenagens, polias ou roldanas e correias, eixos, cames e manivelas, geralmente são considerados máquinas. Após a eletrificação, quando a maioria das pequenas máquinas deixou de ser movida manualmente, a mecanização tornou-se sinônimo de máquinas motorizadas.

A automação consiste na utilização de sistemas de controle e tecnologias da informação para reduzir a necessidade de trabalho humano na produção de bens e serviços. No âmbito da industrialização, a automação representa um passo além da mecanização. Enquanto a mecanização fornece aos operadores humanos máquinas que os auxiliam nas demandas físicas do trabalho, a automação diminui consideravelmente a necessidade de esforço sensorial e mental. A automação desempenha um papel cada vez mais importante na economia mundial e no nosso dia a dia.

Autômatos: Um autômato (plural: autômatos) é uma máquina autônoma. A palavra às vezes é usada para descrever um robô, mais especificamente um robô autônomo. Um Autômato de Brinquedo foi patenteado em 1863.

ETIMOLOGIA

A palavra inglesa machine vem do francês médio, do latim machina, que por sua vez deriva do grego (dórico μαχανά makhana, jônico μηχανή mekhane 'engenho, máquina, motor', uma derivação de μῆχος mekhos 'meio, expediente, remédio'). A palavra mechanical (grego: μηχανικός) vem das mesmas raízes gregas. Um significado mais amplo de 'tecido, estrutura' é encontrado no latim clássico, mas não no uso grego. Esse significado é encontrado no francês medieval tardio e é adotado do francês para o inglês em meados do século XVI.

No século XVII, a palavra "machine" também podia significar um esquema ou trama, significado hoje expresso pelo termo derivado "machination" (maquinação). O significado moderno se desenvolve a partir da aplicação especializada do termo a máquinas de palco usadas no teatro e a máquinas de cerco militares, tanto no final do século XVI quanto no início do século XVII. O Dicionário Oxford de Inglês (OED) rastreia o significado formal e moderno até o Lexicon Technicum de John Harris (1704), que apresenta:

“Em mecânica, máquina, ou motor, é qualquer coisa que possua força suficiente para iniciar ou interromper o movimento de um corpo. Geralmente, considera-se que as máquinas simples são seis: a balança, a alavanca, a polia, a roda, a cunha e o parafuso. Já as máquinas compostas, ou motores, são inúmeras.”

A palavra "engine", usada como um sinônimo (quase) tanto por Harris quanto em linguagens posteriores, deriva, em última análise (via francês antigo), do latim "ingenium", que significa "engenhosidade, invenção".

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Post № 940