Tipos de motores e como eles funcionam

Outros critérios para diferenciar os motores IC são o tipo de combustível utilizado, o número de cilindros, deslocamento total (volume interno de cilindros), distribuição dos cilindros (em linha, radial, motores em V, etc.), bem como a potência e a potência em relação ao peso.

Motores de combustão externa

Motores de combustão externa (motores EC) mantêm o combustível e os produtos de escape separadamente – queimam o combustível numa câmara e aquecem o fluido de trabalho dentro do motor através de um permutador de calor ou da parede do motor. O grande papai-o da Revolução Industrial, o motor a vapor, se enquadra nesta categoria.

Em alguns aspectos, os motores EC funcionam de forma semelhante aos seus homólogos IC – ambos requerem calor que é obtido através da queima de material. Existem, no entanto, várias diferenças também.

Os motores EC utilizam fluidos que sofrem uma dilatação-contracção térmica ou uma mudança de fase, mas cuja composição química permanece inalterada. O fluido utilizado pode ser gasoso (como no motor Stirling), líquido (o motor do ciclo Organic Rankine), ou sofrer uma mudança de fase (como no motor a vapor) – para os motores IC, o fluido é quase universalmente uma mistura de combustível líquido e ar que entra em combustão (altera a sua composição química). Por fim, os motores podem esgotar o fluido após a utilização, tal como os motores IC (motores de ciclo aberto) ou utilizar continuamente o mesmo fluido (motores de ciclo fechado).

Surprprendentemente, os primeiros motores a vapor a ver o uso industrial gerar trabalho ao criar um vácuo em vez de pressão. Chamados de “motores atmosféricos”, estes eram máquinas pesadas e altamente ineficientes em termos de combustível. Com o tempo, os motores a vapor assumiram a forma e as características que esperamos ver nos motores de hoje em dia e tornaram-se mais eficientes – com motores a vapor alternativos introduzindo o sistema de pistão (ainda hoje em uso pelos motores IC) ou sistemas de motores compostos que reutilizavam o fluido em cilindros a pressões decrescentes para gerar ‘oomph’ extra.

Hoje em dia, os motores a vapor caíram de uso generalizado: são coisas pesadas e volumosas, têm uma eficiência de combustível e uma relação potência/peso muito mais baixa do que os motores IC, e não podem mudar a saída tão rapidamente. Mas se você não for incomodado pelo seu peso, tamanho e precisa de um fornecimento constante de trabalho, eles são incríveis. Como tal, o EC é atualmente empregado com grande sucesso como motores de turbina a vapor para operações navais e usinas elétricas.

As aplicações de energia nuclear têm a distinção de serem chamadas de motores não-combustivos ou térmicos externos, uma vez que operam com os mesmos princípios dos motores EC, mas não derivam sua potência da combustão.

Motores de reação

Motores de reação, coloquialmente conhecidos como motores a jato, geram impulso ao expulsar massa reacionária. O princípio básico por trás de um motor reacionário é a Terceira Lei de Newton – basicamente, se você soprar algo com força suficiente através da extremidade traseira do motor, ele empurrará a extremidade dianteira para frente. E os motores a jacto são realmente bons a fazer isso.

As coisas a que normalmente nos referimos como um motor “a jacto”, os que estão presos a um avião de passageiros Boeing, são estritamente falando motores a jacto com respiração de ar e enquadram-se na classe de motores movidos a turbina. Os motores Ramjet, que normalmente são considerados mais simples e mais confiáveis, pois contêm menos (até nenhum) componente móvel, também são motores a jato de ar, mas se enquadram na classe dos motores a jato de ar comprimido. A diferença entre os dois é que os jactos ram dependem da velocidade pura para alimentar o ar no motor, enquanto que os turborreactores utilizam turbinas para aspirar e comprimir o ar na câmara de combustão. Além disso, eles funcionam basicamente da mesma forma.

Em turborreactores, o ar é aspirado para dentro da câmara do motor e comprimido por uma turbina rotativa. Ramjets puxam e comprimem o ar, indo muito rápido. Dentro do motor, ele é misturado com combustível de alta potência e inflamado. Quando você concentra ar (e, portanto, oxigênio), mistura-o com muito combustível e detona-o (gerando assim o escape e expandindo termicamente todo o gás), você obtém um produto reacionário que tem um volume enorme em comparação com o ar aspirado. O único lugar por onde toda essa massa de gases pode passar é na parte de trás do motor, o que faz com extrema força. No caminho para lá, ele alimenta a turbina, aspirando mais ar e sustentando a reação. E só para acrescentar insulto a ferimentos, na parte traseira do motor há um bocal propulsor.

Esta peça de hardware força todo o gás a passar por um espaço ainda menor do que o inicialmente entrado – acelerando-o assim ainda mais para ‘um jacto’ de matéria. O escape sai do motor a velocidades incríveis, até três vezes a velocidade do som, empurrando o avião para a frente.

Motores a jacto que não respiram ar, ou motores de foguetão, funcionam como motores a jacto sem a parte dianteira – porque não precisam de material externo para sustentar a combustão. Podemos usá-los no espaço porque eles têm todo o oxidante que precisam, embalado no combustível. Eles são um dos poucos tipos de motores que usam consistentemente combustíveis sólidos.

Os motores de aquecimento podem ser ridiculamente grandes, ou adoravelmente pequenos. Mas e se tudo o que você tem é uma tomada e precisa alimentar suas coisas? Bem, nesse caso, você precisa:

Motores elétricos

Ah sim, a gangue limpa. Existem três tipos de motores eléctricos clássicos: magnéticos, piezoeléctricos e electrostáticos.

O magnético, tal como a bateria ali existente, é o mais usado dos três. Baseia-se na interacção entre um campo magnético e um fluxo eléctrico para gerar trabalho. Funciona sobre o mesmo princípio que um dínamo usa para gerar eletricidade, mas ao contrário. Na verdade, você pode gerar um pouco de energia elétrica se você manivela manualmente um motor eletromagnético.

Para criar um motor magnético você precisa de alguns ímãs e um condutor de ferida. Quando uma corrente eléctrica é aplicada ao enrolamento, induz um campo magnético que interage com o íman para criar rotação. É importante manter estes dois elementos separados, para que os motores elétricos tenham dois componentes principais: o estator, que é a parte externa do motor e permanece imóvel, um rotor que gira dentro dele. Os dois são separados por uma caixa de ar. Normalmente, os ímãs são embutidos no estator e o condutor é enrolado ao redor do rotor, mas os dois são intercambiáveis. Os motores magnéticos também são equipados com um comutador para mudar o fluxo elétrico e modular o campo magnético induzido enquanto o rotor está girando para manter a rotação.

Acionamentos Piezoelétricos são tipos de motores que aproveitam a propriedade de alguns materiais de gerar vibrações ultra-sônicas quando submetidos a um fluxo de eletricidade, a fim de criar trabalho. Os motores electrostáticos utilizam cargas semelhantes para se repelirem uns aos outros e gerarem rotação no rotor. Como o primeiro utiliza materiais caros e o segundo requer tensões comparativamente altas para funcionar, não são tão comuns como os motores magnéticos.

Os motores eléctricos clássicos têm uma das maiores eficiências energéticas de todos os motores que existem, convertendo até 90% da energia em trabalho.

Acionamentos de iões

Acionamentos de iões são uma espécie de mistura entre um motor a jacto e um motor electrostático. Esta classe de acionamentos acelera íons (plasma) usando uma carga elétrica para gerar a propulsão. Eles não funcionam se já houver íons ao redor da embarcação, então eles são inúteis fora do vácuo do espaço.

Têm também uma potência de saída muito limitada. No entanto, como utilizam apenas electricidade e partículas individuais de gás como combustível, têm sido estudadas extensivamente para utilização em naves espaciais. A Deep Space 1 e a Dawn têm usado com sucesso acionamentos iônicos. Ainda assim, a tecnologia parece mais adequada para pequenas embarcações e satélites, uma vez que o rasto de electrões deixado por estas unidades tem um impacto negativo no seu desempenho geral.

Unidades EM/Cannae

Unidades EM/Cannae utilizam radiação electromagnética contida numa cavidade de microondas para gerar confiança. É provavelmente o mais peculiar entre todos os tipos de motores. É até referido como a unidade “impossível” uma vez que é uma unidade não reaccionária – o que significa que não produz qualquer descarga para gerar impulso, aparentemente contornando a Terceira Lei.

“Em vez de combustível, ele usa microondas que saltam de um conjunto cuidadosamente afinado de refletores para alcançar pequenas quantidades de força e, portanto, alcançar propulsão sem hélice”, relatou Andrei no drive.

Há muito debate sobre se este tipo de motor realmente funciona ou não, mas os testes da NASA confirmaram que ele é funcionalmente sólido. Está mesmo a receber uma actualização no futuro. Como ele usa apenas energia elétrica para gerar impulso, embora em pequenas quantidades, parece ser o motor mais adequado para a exploração espacial.

Mas isso é no futuro. Vamos dar uma olhada em como tudo começou. Vamos dar uma olhada em:

Motores físicos

Estes motores dependem da energia mecânica armazenada para funcionar. Os motores de relógio, pneumáticos e hidráulicos são todos motores físicos.

Não são terrivelmente eficientes. Normalmente também não podem recorrer a grandes reservas de energia. Os motores de relógio, por exemplo, armazenam energia elástica em molas, e precisam de ser enrolados todos os dias. Os tipos de motores pneumáticos e hidráulicos têm de transportar tubos robustos de fluidos comprimidos, que geralmente não duram muito tempo. Por exemplo, o Plongeur, o primeiro submarino mecânico do mundo construído na França entre 1860 e 1863, transportava um motor de ar alternativo alimentado por 23 tanques a 12,5 bar. Eles ocuparam uma enorme quantidade de espaço (153 m cúbicos / 5.403 pés cúbicos) e foram apenas suficientes para alimentar a embarcação por 5 milhas náuticas (9 km / 5,6 mi) a 4 nós.

Still, os acionamentos físicos foram provavelmente os primeiros a serem utilizados. Catapultas, trebuchets, ou battering rams, todos dependem deste tipo de motores. Assim como as gruas movidas por homens ou animais – todas elas foram utilizadas muito antes de qualquer outro tipo de motor.

Esta não é de forma alguma uma lista completa de todos os motores que o homem fez. Sem mencionar que a biologia também produziu drives – e eles estão entre os mais eficientes que já vimos. Mas se você ler tudo isso, tenho quase certeza que os seus estão ficando sem combustível até este ponto. Então descanse, relaxe, e da próxima vez que você encontrar um motor, ponha as mãos e o nariz todo lubrificado explorando através dele – nós já lhe dissemos o básico.