Ar comprimido: a energia que se guarda em um tanque, corre por um tubo, e empurra um êmbolo

O que é pneumática, e onde ela trabalha

A palavra vem do grego para sopro. A técnica consiste em fazer o ar trabalhar.

Definição. Pneumática é o uso do ar comprimido como meio de transmitir energia e sinais, para produzir movimento, força e comando. Um compressor retira ar da atmosfera, e o comprime. O ar comprimido é tratado, distribuído por tubos, e, na máquina, dirigido por válvulas a atuadores, que o transformam em trabalho mecânico. Depois de usado, o ar é devolvido à atmosfera.

Duas funções. O ar comprimido serve para mover, nos atuadores, e para comandar, nas válvulas e nos sensores que decidem quando e em que ordem os movimentos acontecem. Um circuito pneumático pode fazer as duas coisas só com ar, sem um condutor elétrico. Ou pode ter a parte de comando elétrica ou eletrônica, com as válvulas acionadas por solenoides: é a eletropneumática, dominante nas máquinas atuais.

O que a pneumática faz bem.

• Movimentos lineares rápidos, de curso definido, entre duas posições: avançar e recuar.
• Fixar, prender, empurrar, levantar, expulsar, posicionar, com forças de alguns newtons a algumas dezenas de quilonewtons.
• Movimentos repetidos milhões de vezes, em ambientes sujos, úmidos, quentes, ou com risco de explosão.
• Ferramentas manuais: parafusadeiras, lixadeiras, rebitadeiras, pistolas de pintura.
• Sopro, sucção e transporte: limpar, resfriar, mover peças com ventosas, transportar grãos e pós.

Case real · Alpes, de 1857 a 1871

O túnel teria quase treze quilômetros, sob uma montanha de três mil metros, e seria perfurado à mão, com marreta e ponteiro, dos dois lados. Os engenheiros calcularam o avanço: dois palmos por dia. A obra levaria perto de quarenta anos. Quatro anos depois de começada, um dos engenheiros pôs para funcionar uma máquina que furava a rocha sozinha, movida por ar trazido de fora por um tubo. O túnel ficou pronto em catorze anos

O túnel ferroviário do Fréjus, também chamado de Mont Cenis, ligaria a Sabóia ao Piemonte, sob os Alpes. A obra começou em 1857, pelo método da época: operários abriam furos na rocha a golpes de marreta, enchiam com pólvora, detonavam, e retiravam o entulho. O avanço era de cerca de 20 a 25 centímetros por dia em cada frente.

Havia dois problemas sem solução aparente. A velocidade. E o ar: a frente de trabalho, a quilômetros da boca, cheia de fumaça de pólvora e de lamparinas, não tinha ventilação possível, porque a altura da montanha impedia abrir poços.

As máquinas a vapor, que moviam tudo naquele tempo, não serviam. Uma caldeira dentro do túnel consumiria o oxigênio e encheria a galeria de fumaça. E o vapor não podia ser levado de fora por quilômetros de tubo: condensaria no caminho.

O engenheiro Germain Sommeiller, com dois colegas, propôs usar ar comprimido. Do lado de fora, onde havia torrentes de montanha, a força da água acionava compressores. O ar, a cerca de 6 atmosferas, seguia por tubos de ferro até a frente de trabalho. Ali, movia perfuratrizes de percussão, montadas em um carro sobre trilhos: várias brocas golpeando a rocha ao mesmo tempo, centenas de vezes por minuto.

As primeiras máquinas entraram em serviço em 1861. O avanço diário triplicou, e depois quadruplicou. E o ar que saía das perfuratrizes, depois de trabalhar, resolvia o segundo problema: era ar fresco, lançado exatamente onde os homens estavam.

As duas frentes se encontraram no dia de Natal de 1870, com desvio de centímetros. O túnel foi aberto ao tráfego em 1871, catorze anos depois do início, em vez dos quarenta previstos.

A obra foi acompanhada por engenheiros do mundo inteiro, e teve consequências muito além dos Alpes. Mostrou que a energia podia ser gerada em um lugar e usada em outro, a quilômetros, por um tubo: antes da eletricidade, foi a primeira transmissão de potência à distância em grande escala. Os túneis seguintes, a mineração e, em poucas décadas, a indústria adotaram o método.

A lição: o caso mostra, na origem, as razões pelas quais o ar comprimido é escolhido até hoje. Podia ser usado onde o fogo era proibido. Podia ser transportado a longa distância sem perder a utilidade. O escape não contaminava: ao contrário, ventilava. E a máquina na ponta era simples e resistia ao pior ambiente imaginável. O técnico encontra as mesmas razões em uma cabine de pintura, em uma mina, em uma fábrica de alimentos. E o caso antecipa o custo, de que esta aula também trata: a energia para comprimir o ar vinha de quedas-d'água, de graça. Com compressores elétricos, a conta muda.

Fontes: Britannica, Mount Cenis Tunnel (perfuratriz de ar comprimido de Sommeiller); Wikipedia (inglês), Fréjus Rail Tunnel: obras de agosto de 1857, abertura em 17/09/1871; Grace's Guide to British Industrial History, G. Sommeillier

Bar, pascal e psi, e a diferença entre absoluta e manométrica

Toda a pneumática se resume a uma pressão agindo sobre uma área. Vale saber exatamente o que cada palavra quer dizer.

O pascal. A unidade do sistema internacional: um newton por metro quadrado. É uma pressão minúscula, a de uma folha de papel sobre a mesa. Por isso, usam-se múltiplos.

O bar. Vale 100 000 pascals, ou 100 quilopascals. É quase exatamente a pressão da atmosfera ao nível do mar, e é a unidade prática da pneumática: manômetros, catálogos e normas a utilizam.

O megapascal. Um milhão de pascals: 10 bar. Aparece em catálogos de origem asiática e em normas.

A libra por polegada quadrada. Unidade inglesa, escrita psi. Aparece em manômetros e em equipamentos americanos. Um bar vale 14,5 psi.

Pressão atmosférica. Vivemos no fundo de um oceano de ar, que pesa sobre tudo. Ao nível do mar, esse peso produz cerca de 1,013 bar. A 1 000 metros de altitude, cerca de 0,90 bar. Não a sentimos porque age igualmente por todos os lados, por dentro e por fora.

Pressão manométrica. É a pressão acima da atmosférica. É a que o manômetro mostra: aberto ao ar, ele marca zero, embora haja 1 bar de pressão em volta. Quando um catálogo diz que um cilindro trabalha a 6 bar, é manométrica. Quando se calcula a força de um cilindro, usa-se a manométrica, porque a atmosfera empurra o êmbolo também pelo outro lado.

Pressão absoluta. É a pressão total, medida a partir do vácuo perfeito. É a manométrica mais a atmosférica. Usa-se a absoluta nas leis dos gases, da próxima aula, e nos cálculos de consumo de ar.

Vácuo. Pressão abaixo da atmosférica. Um manômetro de vácuo, ou vacuômetro, marca valores negativos: −0,8 bar manométricos são 0,2 bar absolutos. Não existe pressão absoluta negativa. Ventosas trabalham com vácuo, e são assunto da aula 9.

As faixas da pneumática.

• Rede industrial: 6 a 8 bar, no compressor. Os equipamentos são projetados para 6 bar de trabalho.
• Baixa pressão: 1 a 3 bar, para sopro, pintura e instrumentos.
• Alta pressão: 15 a 40 bar, para sopro de garrafas plásticas e partida de motores.
• Limite usual dos componentes: 10 bar. Acima disso, a força cresce pouco em relação ao custo, e a hidráulica assume.

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Do compressor ao atuador: o caminho do ar

Sete etapas, em dois lugares: a sala de compressores, e a máquina.

Circuito aberto. Na hidráulica, o óleo volta ao tanque, e circula sempre o mesmo. Na pneumática, o ar é usado uma vez, e vai embora pelo escape. Não há tubulação de retorno. Isso simplifica a instalação, e é uma das razões do custo de energia: todo o trabalho de compressão do ar que escapa é perdido.

Uma rede, muitas máquinas. Um único compressor, ou um conjunto deles, alimenta a fábrica inteira. Cada máquina se liga à rede por um ponto de tomada, como a uma tomada elétrica. Acrescentar um posto de trabalho exige um engate e uma mangueira.

Energia armazenada. O reservatório e a própria rede guardam ar sob pressão, e continuam guardando depois que o compressor desliga. Isso permite atender picos, e manter movimentos de segurança na falta de energia elétrica. E é um perigo, de que a disciplina trata várias vezes: uma máquina desligada da eletricidade pode continuar com ar, e se mover.

Os componentes de um circuito. Em qualquer máquina pneumática, do mais simples dispositivo à linha automática, encontram-se os mesmos quatro grupos, de baixo para cima no diagrama.

• Alimentação: a unidade de conservação, que recebe o ar da rede.
• Entrada de sinais: botões, pedais, fins de curso, sensores. Informam o que o operador quer, e onde a máquina está.
• Processamento de sinais: válvulas lógicas e temporizadores, ou um controlador eletrônico. Decidem.
• Comando e atuação: as válvulas principais, que dirigem o ar, e os atuadores, que executam.

Vantagens, limites, alternativas e custo

Nenhuma tecnologia de acionamento é a melhor para tudo. A escolha é técnica, e tem critérios.

Por que o ar é compressível, e o que isso causa. Um êmbolo empurrado por ar se comporta como se estivesse apoiado em uma mola. Se a carga varia, a velocidade varia. Parar no meio do curso, com precisão, é difícil: o êmbolo oscila. É a principal limitação da pneumática, e a razão pela qual ela é usada, sobretudo, para movimentos de ponta a ponta, entre dois batentes. É também uma qualidade: o ar absorve choques, e um cilindro que encontra um obstáculo simplesmente para, sem quebrar nada.

Por que a força é limitada. Com 6 bar, um cilindro de 100 mm de diâmetro faz cerca de 4 700 N. Para 100 000 N, seria preciso um cilindro de quase meio metro de diâmetro. A hidráulica, a 200 bar, faz o mesmo com 80 mm.

A escolha, em resumo. Pneumática: movimentos rápidos, repetitivos, de força moderada, entre posições fixas, em qualquer ambiente, com baixo investimento. Hidráulica: forças grandes, com movimento controlado. Elétrica: posicionamento preciso, velocidade controlada, e baixo custo de energia. Nas máquinas atuais, as três convivem, e o acionamento elétrico avança sobre aplicações em que o custo da energia pesa.

O custo do ar. A eletricidade aciona o motor do compressor. A compressão aquece o ar, e esse calor, que é a maior parte da energia, é jogado fora no resfriador. Parte do ar se perde em vazamentos. Parte da pressão se perde na rede. No atuador, o ar se expande, trabalha, e escapa ainda com pressão. No fim, de cada 100 unidades de energia elétrica, 10 a 15 viram trabalho mecânico útil.

Unidades de pressão, força sobre um êmbolo, custo do ar, custo de um vazamento, qual tecnologia, qual a escolha, e treino

O primeiro modo converte unidades. O segundo calcula a força de uma pressão. O terceiro e o quarto fazem as contas do custo. O quinto classifica aplicações. O sexto apresenta decisões. O sétimo sorteia contas.

Quatro erros de quem começa na pneumática

Dois são de conta, e dois, de atitude diante do ar comprimido.

Os fundamentos do ar comprimido no seu trabalho

Antes de qualquer válvula ou cilindro, o técnico em mecânica precisa de três coisas: saber ler uma pressão, saber quanto o ar custa, e respeitar a energia que ele guarda. Clique em um cartão.

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