FOGUETE DE GARRAFA PET
http://jornada.cba.ifmt.edu.br/jornada/index.php/jornada2013/jornada2013/paper/viewFile/66/37#:~:text=O%20foguete%20funciona%2C%20pois%20o,rolha%20%C3%A9%20for%C3%A7ada%20a%20sair.
RESUMO
O foguete de garrafa PET proporciona uma atividade de montagem simples e atrativa para
os alunos que estejam cursando o Ensino Médio, uma vez que utiliza conceitos de Física e
alguns de Química. Neste trabalho de pesquisa, descreve-se a construção deste foguete
utilizando-se garrafas descartáveis de refrigerante (PET) de dois litros e a montagem de um
sistema de propulsão que funciona com vinagre e bicarbonato de sódio. Mostra-se também
alguns fatores que podem interferir na estabilidade do foguete durante seu lançamento e o
vôo propriamente dito, como por exemplo, uma ótima relação entre centro de massa e
centro de pressão. Apresenta-se ainda a teoria envolvida durante o lançamento mostrando a
aplicabilidade de assuntos comuns estudados no Ensino Médio. Na Mecânica dos Sólidos,
utiliza-se as leis de Newton, Momento Linear, Centro de Massa, Centro de Gravidade, etc.
Na Mecânica dos Fluídos, utiliza-se as propriedades dos fluídos, a equação da continuidade
e a equação de Bernoulli. Com uma montagem relativamente simples, porém cuidadosa,
pode-se ter uma boa propulsão de lançamento e atingir alturas interessantes, entre 100 a
250 metros.
1 – Introdução
Segundo a terceira lei de Newton, quando dois corpos interagem aparece um par de
forças como resultado dessa interação, ou seja, a ação que um corpo exerce sobre outro.
Estas forças são comumente chamadas de par ação-reação. Este é o principal princípio utilizado no lançamento de foguetes.
O termo foguete aplica-se a um motor que impulsiona um veículo expelindo gases
de combustão por queimadores situados em sua parte traseira. Difere de um motor a jato
por transportar seu próprio oxidante, o que lhe permite operar na ausência de um
suprimento de ar. Os motores de foguetes vêm sendo utilizados amplamente em voos
espaciais, nos quais sua grande potência e capacidade de operar no vácuo são essenciais,
mas também podem ser empregados para movimentar mísseis, aeroplanos e automóveis.
Nesta concepção, a construção de um foguete de garrafa PET tem como objetivo a
demonstração de alguns conceitos físicos e químicos estudados principalmente na
disciplina de Física como: Impulso, quantidade de movimento, leis de Newton, aceleração
dos corpos, etc., e da Química, principalmente a parte referente a reações químicas.
Os resultados práticos (lançamento e vôo) são bastante interessantes, o que mostra
na prática a teoria estudada.
2 – Fundamentos Teóricos
O foguete de garrafa PET aborda uma grande quantidade de fenômenos físicos, e
assim, permitindo a interação entre diversas áreas da Física e da Química.
O princípio de funcionamento do motor de foguete baseia-se na terceira lei de Newton, a lei da ação e reação, que diz que “a toda ação corresponde uma reação, com a mesma
intensidade, mesma direção e sentido contrário”.
Imaginemos uma câmara fechada onde exista um gás em combustão. A queima do
gás irá produzir pressão em todas as direções. A câmara não se moverá em nenhuma direção pois as forças nas paredes opostas da câmara irão se anular.
Se introduzirmos um bocal na câmara, onde os gases possam escapar, haverá um
desequilíbrio. A pressão exercida nas paredes laterais opostas continuará não produzindo
força, pois a pressão de um lado anulará a do outro. Já a pressão exercida na parte superior
da câmara produzirá empuxo, pois não há pressão no lado de baixo (onde está o bocal).
Assim, o foguete se deslocará para cima por reação à pressão exercida pelos gases
em combustão na câmara de combustão do motor. Por isto este tipo de motor é chamado
de propulsão por reação.
Como no espaço exterior não há oxigênio para queimar com o combustível, o foguete deve levar armazenado em tanques não só o propelente (combustível), mas também
o oxidante (comburente).
A magnitude do empuxo produzido (expressão que designa a força produzida pelo
motor de foguete) depende da massa e da velocidade dos gases expelidos pelo bocal. Logo,
quanto maior a pressão dos gases expelidos, maior o empuxo. Assim, surge o problema de
proteger a câmara do bocal e o bocal das altas temperaturas produzidas pela combustão.
Uma maneira engenhosa de fazer isto é usar um fino jato do próprio propelente
usado pelo foguete nas paredes do motor, para formar um isolante térmico e refrigerar o
motor.
A equação abaixo representa a reação que ocorre no interior do foguete antes do
lançamento.
2 H3C – COOH(aq) + Na2CO3(s) → 2H3C – COONa(aq) + H2O(l) + CO2(g)
Segundo a reação, a solução aquosa de ácido etanóico(vinagre) reage com
bicarbonato de sódio sólido para formar etanoato de sódio aquoso, água liquida e dióxido
de carbono gasoso.
O dióxido de carbono é o responsável pela elevação da pressão no interior do aparelho e, ao ser liberada da trava de segurança do lançador o impulsiona no sentido contrário
ao seu sentido de escape, conforme previsto pela lei da ação-reação de Newton.
Como a lei da ação e reação age no experimento?
Tudo se inicia com a reação química que ocorre entre o vinagre (ácido acético) e o
bicarbonato de sódio. Tal reação libera CO2 (gás carbônico) com um progressivo aumento
da pressão no interior da garrafa. A pressão aumenta a ponto de a rolha escapar. Quando
isso acontece, a água e o ar são violentamente expulsos (ação) e empurrando (reação) a
garrafa na mesma direção e sentido oposto.
Por outro lado, a razão entre a força (F) exercida por um corpo perpendicularmente
sobre uma superfície e a área (A) de contato deste corpo com a superfície denomina-se
pressão [P].
O foguete funciona, pois o vinagre e o bicarbonato de sódio (que este embrulhado
na trouxinha de papel) reagem entre si formando CO2. Quanto mais gás é liberado, maior a
pressão no interior da garrafa. A pressão chega a um ponto tal, que a rolha é forçada a sair.
Quando isso ocorre, o vinagre é empurrado para fora em alta velocidade, fazendo com que
a garrafa seja empurrada para cima.
3 – Materiais e métodos
O projeto foi desenvolvido através da construção de protótipos, onde se evidenciou
a possibilidade de lançamento de um foguete construído com garrafas PET de dois litros
pela propulsão produzida pela reação química bicarbonato de sódio e vinagre.
Utilizou-se basicamente, garrafas PET, materiais e equipamentos de baixo custo,
tais como madeira compensada, canos de PVC, vinagre e bicarbonato de sódio.
As duas garrafas PET são os principais componentes do foguete, pois serão
utilizadas para a construção da sua fuselagem, que é composta pela câmara de combustão
(que chamaremos de câmara de compressão) e pelo nariz, região frontal do foguete.
Para a câmara de compressão utilizou-se uma garrafa inteira sem alterações. Esta é
a parte do foguete em que estará contido o seu combustível. Para o nariz, utilizou-se
apenas a parte de cima da garrafa, cônica, como mostra a figura 1. Essa peça tem a função
de minimizar o atrito do ar durante o vôo do foguete, fornecendo ao mesmo um formato
mais aerodinâmico.
Figura 1Foguete de PET
Fonte: Construção do autor
Em seguida, é fixada a parte cônica no fundo da outra garrafa inteira com fita
adesiva, conforme mostrada ainda na figura 1. É importante que se tenha um bom
alinhamento entre estas partes para que não haja maiores complicações durante o vôo.
O próximo passo é a construção das aletas do foguete. Elas são fundamentais para
sua estabilidade durante o voo. Recorta-se as bandejas de isopor de alta densidade no
formato de trapézios, de modo que eles se encaixem na parte cônica da garrafa inteira. O
formato das aletas é arbitrário, mas utilizou-se trapézios por conter somente retas e ser
mais fácil de manipular durante o corte.
Assim, o “foguete” está pronto.
A utilização destes materiais se deveu ao fato da concepção de que se pode mostrar
o princípio de funcionamento de equipamentos e máquinas sofisticadas como um foguete,
utilizando materiais de baixo custo.
Para encontrar o melhor ângulo em que a plataforma deveria estar para que o
foguete alcance a maior distância, vários testes foram realizados com ângulos de
lançamento diferentes. Para este trabalho, utilizou-se os ângulos de 30, 45 e 60 graus,
sendo que com o ângulo de 30 graus o foguete chegou a alcançar uma altura de 127
5metros.
Portanto, com base nas distâncias obtidas pode-se observar que a maior distância
alcançada foi com o ângulo de 30°, podendo-se concluir que o melhor ângulo para se ajustar a plataforma é o de 30°.
As técnicas de construção utilizadas foram a construção de um modelo de foguete
com garrafas PET e utilizando a reação química entre o vinagre e bicarbonato de sódio
para produzir a força propulsora de lançamento.
Deve-se observar também alguns cuidados na montagem para garantir que o
foguete tenha uma boa velocidade e aceleração na partida, o que poderá leva-lo a grandes
alturas.
5 – Considerações finais
Neste trabalho descreveu-se a construção de um foguete utilizando garrafas
descartáveis de refrigerante (PET) de 2 litros e a montagem de um sistema de propulsão
que funciona com vinagre e bicarbonato de sódio.
Mostrou-se também vários fatores que influenciam na estabilidade do foguete
durante o voo, como a obtenção e relação entre centro de massa e centro de pressão.
Apresentou-se ainda a teoria envolvida durante o lançamento por meio de algumas
aproximações, mostrando a aplicabilidade de assuntos comuns no Ensino Médio como as
leis de Newton, conceito de momento linear, velocidade relativa e movimento de um fluido
utilizando-se o conceito de pressão, a equação de Bernoulli e a equação de continuidade.
Desta forma, pode-se concluir que a pesquisa alcançou os resultados esperados,
mostrando assim que os conteúdos de várias disciplinas podem estar interligados e trabalhados de forma interdisciplinar, com alternativas de metodologias práticas e simples motivadoras para os estudantes propiciando que eles entendam melhor os fenômenos que os cercam.
