Inovação DA IDÉIA AO PRODUTO Henry Petroski
Lançamento 2008 ISBN: 9788521204534 Páginas: 212 Formato: 17x24 cm Peso: 0.380 kg
Conteúdo
1. INTRODUÇÃO
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2. CLIPES DE PAPEL 3. LÁPIS
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4. ZÍPERES E VELCROS
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5. LATAS DE ALUMÍNIO
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6. APARELHOS DE FAX
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7. AERONAVES
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8. ÁGUA E SANEAMENTO 9. PONTES
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10. GRANDES EDIFÍCIOS REFERÊNCIAS
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CRÉDITO DAS ILUSTRAÇÕES ÍNDICE REMISSIVO
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Introdução
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pode nos fornecer importantes ensinamentos de como abordar alguns dos maiores desafios atuais e chegar a uma solução satisfatória. As histórias de como os engenheiros abordam seus problemas e tomam decisões têm muito a nos ensinar sobre a própria engenharia.
ESTUDOS DE CASO Os estudos de caso sobre desenvolvimentos de produtos e processos específicos nos permitem entender a engenharia no contexto mais amplo. Embora os casos estudados apresentem diferentes graus de detalhe e complexidade, existem características comuns de engenharia entre eles. Cada caso apresentado aqui poderia ser expandido, convertendo-se em um livro, analisando as alternativas que poderiam ter sido seguidas ou quais melhorias ainda poderiam ser introduzidas. Isso demonstra que nenhum problema de engenharia é completamente solucionado de maneira satisfatória para todos. Engenharia é a arte do compromisso e sempre cabem melhorias no mundo real. Engenharia é, também, a arte da praticidade. Engenheiros sabem quando devem finalizar seus projetos para começar a fabricar ou construir. O clipe de papel, por exemplo, é, aparentemente, tão simples e insignificante como objeto que podemos usá-lo sem sequer percebê-lo. No Capítulo 2, o clipe de papel é submetido a um exame minucioso do ponto de vista tecnológico para tirar lições a respeito de projeto. Na verdade, o projeto e a fabricação de um clipe de papel é um desafio enorme, como o caso revela. O clipe de papel mais conhecido até hoje, chamado de Gem, está longe de ser um produto perfeito. Desde que o Gem foi introduzido no mercado, no final do século XIX, outros inventores patentearam projetos alternativos. Olhando atentamente para o Gem e algumas das centenas de patentes para sua melhoria, verifica-se que um determinado projeto de engenharia, mesmo não sendo o melhor, pode acabar dominando o mercado. No Capítulo 3, o estudo do lápis ilustra as análises e quantificações que os engenheiros podem fazer dos objetos que funcionam, a fim de aperfeiçoá-los. Todos sabem que a ponta do lápis se quebra se a apertamos com força. Mas qual é a intensidade dessa força? Como usuários de lápis, podemos ser prudentes e apertar bem de leve, de maneira que a ponta nunca se quebre, mas existem circunstâncias em que é necessário apertar mais forte, como quando precisamos preencher formulários de várias vias. Somente após quebrar algumas pontas aprendemos a evitar mais quebras. Podemos usar nossas experiências passadas para saber o limite da pressão que podemos exercer sem quebrar a ponta. Podemos, também, aprender que a ponta tem menos chance de quebrar se usarmos um lápis de melhor qualidade, se usarmos o lápis mais na vertical ou se a ponta estiver menos
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2 Clipes de papel
Um clipe de papel parece ser um dos objetos mais simples. Em sua forma mais comum, consiste em um pedaço de arame de aproximadamente 10 cm, com três dobras, constituindo algo que é, ao mesmo tempo, agradável ao olhar e fácil de usar. Ele vem totalmente montado e não requer o uso de pilhas para funcionar. Ninguém espera encontrar instruções de uso em uma caixa de clipes nem pensa muito em como eles são fabricados ou usados. Consideramos os clipes de papel, assim como muitos produtos de nosso uso pessoal, como objetos comuns, e raramente pensamos neles. Eles parecem ser demasiadamente simples e insignificantes para serem considerados interessantes ou instrutivos. No entanto, às vezes, os objetos mais simples contêm tanto mistério e nos dão tantas lições sobre a natureza da engenharia quanto aqueles mais complexos. Quando o objeto é simples e pequeno o suficiente para ser segurado em nossas mãos e ainda ser manipulado de acordo com nossas vontades, podemos inspecioná-lo até sabermos como ele é feito e como funciona. Se o objeto for bem barato, todos podem ter uma grande quantidade deles para abrir, quebrar, testar ou experimentar de todas as maneiras para entender como é feito e o modo como funciona. Se o princípio de funcionamento do objeto for relativamente simples e claramente visível, então nós mesmos podemos criar uma versão melhorada do original. Finalmente, o objeto pode servir como uma incomparável metáfora da própria engenharia. Pegue uma caixinha de clipes e examine-a. Provavelmente a caixa terá o mínimo de informação impressa nela. O nome da empresa que fabrica (talvez ACCO, que parece ser apenas um acrônimo, ou Noesting, que parece ser uma palavra impronunciável e sem sentido); um nome informando o tipo dos clipes (talvez Gem, Gem Perfeito, Nifty, Peerless, Ideal ou qualquer outra designação com um som positivo); a quantidade na caixa (geralmente um número redondo, como 100); um número UPC (Universal Product Code) em código de barras, para vendas e controle de estoques automatizados; o endereço do fabricante (para que o departamento de compras possa saber onde encomendar ou localizar o fornecedor ou reclamar sobre o produto); e, provavelmente, o desenho ou foto do clipe que o faz vender mais que qualquer outra informação escrita na caixa.
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Clipes de papel
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FIGURA 2.4 Patente obtida por William Middlebrook, em 1899, para a mรกquina de produzir clipes.
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FIGURA 2.6 Patente com variações no desenho do clipe obtido por George McGill em 1903.
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FIGURA 2.10 Patente do clipe de filamento infinito concedida a Charles T. Link em 1991.
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FIGURA 2.13 Patente de um clipe para grandes dimensões, fabricado com aço especial, concedida à Linda e Richard Froehlich em 1994.
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3 Lápis
Quem já não se aborreceu com a grafite da lapiseira que se quebra sempre? Isso parece acontecer principalmente com as lapiseiras que usam grafites finas de 0,5 mm. Até parece que a maior parte destas acaba no cesto do lixo, em vez de serem usadas na escrita. A vantagem de não ter que afiná-las acaba anulada pelas freqüentes quebras. Em vez de ficar reclamando dessa inconveniência da vida diária, vamos examinar melhor o que acontece com as pontas dos lápis, para sabermos por que são tão frágeis. Vamos aproveitar o exemplo para mostrar como os engenheiros analisam a resistência e outras propriedades dos materiais. Se a ponta do lápis for forçada contra uma superfície, ela sofre igual reação dessa superfície. Isso é o que diz a terceira lei de Newton, sobre as forças de ação e reação. Se essa força for maior que a resistência do material, a grafite tenderá a quebrar. Para entender melhor tal fenômeno, podemos examinar a ponta da grafite que se projeta para fora da lapiseira.
VIGAS EM BALANÇO Um lápis pode ser considerado uma estrutura projetada para resistir à carga. Mais especificamente, compara-se a uma viga em balanço, engastada de um lado e solta do outro. O lápis é fixo pelos dedos e sofre as forças de reação na ponta da grafite. Assemelha-se ao funcionamento de outras estruturas como: uma árvore que se curva com o vento; a asa de um avião conectada à fuselagem; e a varanda em balanço de um apartamento. O corpo metálico ou de plástico das lapiseiras é mais compacto e forte que os pequenos filetes de grafite que se projetam para fora. Podemos imaginar a lapiseira como extensão da mão, de onde sai uma pequena viga em balanço. O ponto em que a grafite sai do corpo da lapiseira pode ser considerado o início da viga. Essa estrutura é semelhante aos exemplos da árvore, asa do avião e varanda. Estudando-se esses exemplos, poderemos entender o funcionamento das vigas em balanço.
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Lápis
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FIGURA 3.2 Teste de carga, mostrando a flexibilidade de uma grafite de polímero.
FIGURA 3.3 Uma viga apoiada nas duas extremidades (abaixo) pode ser considerada como imagem especular de uma viga em balanço (acima).
Galileu imaginou a viga em balanço como um braço que girava em torno do ponto B (ver Figura 3.1). O efeito do peso E pendurado no ponto C produzia a tendência de o braço girar em torno de B. Mas esse movimento encontrava oposição de uma força de coesão da seção AB, como se vê na Figura 3.4(a). Galileu chegou à conclusão de que a capacidade da viga em suportar o peso dependia das dimensões da seção da viga (b x h) e do material de que era feito.
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1. Pequena placa de madeira – pequena placa com comprimento um pouco maior que o lápis, com largura de 6 lápis e altura de metade do lápis.
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2. Sulcos – as placas apresentam seis sulcos semicirculares com profundidade de metade da seção da grafite.
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3. Colocação das grafites – as grafites são colocadas nos sulcos semicirculares.
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4. Sanduíche – é feito um sanduíche colando-se duas placas de madeira, com as grafites no meio.
5. Usinagem – as placas são usinadas de um lado para formar os lápis redondos.
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6. Usinagem – as placas são usinadas de um lado para formar os lápis sextavados.
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7. Usinagem – as placas são usinadas do outro lado para completar os lápis redondos.
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8. Usinagem – as placas são usinadas do outro lado para completar os lápis sextavados.
FIGURA 3.7 Processo de fabricação do lápis de madeira.
madeira, devido à falta de aderência entre eles. Quando um desses lápis era derrubado, a grafite quebrava-se em vários pedaços dentro da madeira e isso só era descoberto quando este era apontado. Em outros casos, essa fraca adesão poderia provocar descolamento das duas metades da madeira, perto da ponta, provocado pela pressão da escrita. Assim, os engenheiros da Eagle Pencil ficaram sabendo por que as grafites se quebravam com facilidade. Tendo-se identificado a cera como causa da má cola-
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4 Zíperes e velcros
Uma das tarefas que consumiam muito tempo na vida diária das pessoas no século XIX era a de abotoar e desabotoar roupas e outros artigos, como calçados de cano longo. Com grande número de botões e casas situadas próximas entre si, freqüentemente as pessoas colocavam os botões em casas erradas. Esse erro geralmente só era percebido no final do processo, o que exigia tempo para as aborrecidas correções. Muitas pessoas já haviam percebido esse incômodo, inclusive Elias Howe Jr., o inventor da máquina de costura. Em vez de ficar reclamando do problema, ele inventou um “certo mecanismo para fechar roupas e calçados femininos e outros artigos onde fosse aplicável”. Conseguiu obter a patente em 1851 (Figura 4.1). Essa patente tem duas páginas, uma de desenho e outra de texto. A invenção de Howe, assim como muitas outras, baseia-se em fazer melhor aquilo que já existe. Ele declarava que “a vantagem consiste na rapidez para fechar e abrir roupas, sem perigo de enguiçar”. A forma de funcionamento do novo invento é claramente demonstrada no desenho da patente. Contudo, pode-se imaginar certa dificuldade no seu funcionamento. O modelo de Howe era composto de pequenos grampos de metal fixados ao longo de uma fita de tecido. No entanto, essa fixação não era boa e, com o uso repetido, o tecido poderia desfiar-se, soltando os grampos. Howe, a princípio, não se empenhou muito em industrializar o seu invento. Ele estava mais preocupado em defender os direitos de sua patente com a máquina de costura junto a prósperos fabricantes como Isaac Singer. Além disso, provavelmente considerava insuperáveis os problemas tecnológicos do seu novo invento. Assim, Howe não se interessou em explorar comercialmente o invento do fecho. Como não se transformou em produto de sucesso, ficou só no papel. Alguns historiadores não lhe dão o devido crédito como inventor do zíper, argumentando que não havia dentes conectores que caracterizam o verdadeiro zíper.
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FIGURA 4.3 Patente da mĂĄquina para fabricar fechos, concedida em 1902 a Whitcomb L. Judson.
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FIGURA 4.10 Patente depositada nos EUA por Kakuji Naito, mostrando a fabricação do saco plástico integrado ao fecho.
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5 Latas de alumínio
Uma idéia que permeia todos os projetos de engenharia é a possibilidade de falha. Isso pode ocorrer no caso das invenções, desde o mais simples clipe ao melhor lápis, passando pelo mais flexível zíper. Para que essas invenções sejam bem-sucedidas, os seus criadores devem ser capazes de antecipar as eventuais falhas, prevendo as condições em que os produtos deixariam de funcionar como era previsto. Praticamente todos os cálculos realizados pelos engenheiros no desenvolvimento de computadores, aviões, telescópios ou aparelhos de fax são insuficientes. Ao analisar as vigas em balanço, Galileu começou fazendo suposições sobre como iria quebrar ou falhar (ver Capítulo 3). Hoje, no cálculo de uma ponte em balanço, o engenheiro deve conhecer a carga máxima que cada peça de aço pode suportar com segurança, e qual é a deflexão máxima que pode ser aceita no centro da ponte. Cada tipo de produto, seja uma ponte, um edifício ou uma lata de alumínio, é calculado para resistir a um determinado limite de carga máxima, que não pode ser ultrapassado. Quando o engenheiro calcula as cargas e deformações da estrutura de um projeto, cada resultado do cálculo numérico adquire significado quando forem comparados com os limites experimentais cuidadosamente determinados em laboratórios de ensaios de materiais e componentes. Em outros casos, esses limites são estabelecidos em leis, regulamentos e normas técnicas. Isso ocorre em relação aos mais diversos tipos de variáveis. Embora a maior parte da nossa discussão até aqui tenha se baseado na análise da força e resistência, forma e função, observações semelhantes podem ser feitas em relação a outras variáveis, como transferência de calor e ponto de fusão dos materiais, ou voltagem e valores limites de correntes em condutores elétricos. O que distingue o engenheiro do técnico é, em grande parte, a capacidade de formular e executar os cálculos detalhados das forças e deformações, concentrações e fluxos, tensões e correntes. Isso é feito durante a elaboração de um projeto no papel, determinando se as cargas são compatíveis com os critérios de falha. Os cálculos permitem prever o desempenho de um projeto antes que seja construído e testado. O engenheiro é capaz de testar um projeto na
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FIGURA 5.2 Patente do primeiro lacre com avalanca para abrir latas, obtido por Ermael Fraze em 1963.
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FIGURA 5.3 Desenho da patente da tampa “ecológica” concedida a Daniel F. Cudzik em 1976.
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6 Aparelhos de fax
O desenvolvimento técnico e comercial do zíper exigiu muita engenharia, apoio financeiro e investidores persistentes. Muitos desses investidores passam por dificuldades e incertezas durante o período de gestação, correndo o risco de perder tudo com um eventual fracasso comercial. Muitas vezes, o sucesso ou fracasso pode ser determinado por condições externas ou de infra-estrutura. Assim, a lâmpada elétrica seria inútil se não fossem feitos investimentos paralelos na geração e distribuição da eletricidade. Apesar disso, Thomas Edison trabalhou na pesquisa do filamento que pudesse produzir luz a baixo custo, quando fosse ligado à rede elétrica: “Testem tudo, até queijo”. Ele testou e rejeitou milhares de materiais até chegar a um material adequado para a lâmpada. Uma vez perguntaram se ele não se desanimaria com os fracassos. Edison respondeu que cada fracasso fornecia informações sobre os materiais que não eram apropriados e deveriam ser evitados. O automóvel é um produto bem projetado do ponto de vista técnico e de engenharia e design. Contudo, seria pouco útil se não contasse com a malha de vias urbanas e rodovias que atravessam rios e montanhas. Imagine como seria incômodo sair de automóvel se não houvesse uma rede de abastecimento espalhada pelo país. Imagine também como o aparelho de televisão seria inútil sem a rede de emissoras que geram programas. Esses contextos que se desenvolvem em paralelo aos inventos abrangem sistemas e infra-estruturas que condicionam o uso da tecnologia. Com o tempo, os produtos e a sua infra-estrutura tornam-se tão interdependentes que um não pode existir sem o outro. Assim, os aviões seriam inúteis sem os aeroportos e ninguém pensaria em construir os aeroportos se os aviões não existissem. Naturalmente, existe um momento adequado na evolução dos aviões para que esses aeroportos sejam construídos. Além disso, os aeroportos tornam-se cada vez maiores e mais sofisticados de acordo com a evolução das próprias aeronaves e aumento do fluxo de passageiros. No tempo dos irmãos Wright, as areias da praia de Kitty Hawk funcionavam como um aeroporto satisfatório. O que vem primeiro em matéria de desenvolvimento tecnológico é a mesma história do ovo e da galinha. O moderno transporte aéreo depende
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o papel e entregue ao destinatário final. Havia uma clara vantagem em transmitir as mensagens dessa forma. Contudo, havia uma grande desvantagem em razão da impossibilidade de transmitir diretamente fotos e imagens gráficas. Tal restrição tecnológica funcionou como desafio para novas invenções. A história do desenvolvimento do aparelho de fax é longa e interessante. Em 1843, um relojoeiro escocês chamado Alexander Bain conseguiu obter uma patente inglesa para um método de transmissão de imagens eletricamente. Bain era um inventor prolífero, que tinha aperfeiçoado o relógio elétrico, em 1840, e a fita para máquina de datilografia, em 1841. Conhecendo o funcionamento do telégrafo elétrico e do relógio elétrico sincronizado, ele pensou em combinar as características desses dois instrumentos para criar um aparelho que pudesse transmitir e receber imagens gráficas. Como costuma acontecer na maioria dos casos, o aparelho de fac-símile construído por Bain era muito grande e rústico, se comparado aos padrões atuais. A imagem a ser transmitida precisava ser previamente preparada em relevo sobre um bloco metálico. Um estilete fazia a varredura dessa imagem, abrindo e fechando um circuito elétrico, de acordo com as saliências do bloco que contém a imagem (Figura 6.1). O aparelho receptor tinha um estilete sincronizado que também ia se
Conectores
Regulador magnético
Mecanismo de avanço
Ímãs de sustentação
Pêndulo Bloco metálico contendo a mensagem
Estilete
Fecho magnético
FIGURA 6.1 Máquina de fac-símile construída por Alexander Bain, patenteada em 1843.
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Aparelhos de fax
Cabeça térmica
Papel termosensível
Cilindro de pressão
Cilindro
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Cilindro Documento
Cilindro de pressão
Sensor de imagem
Motor de tração [Recepção]
[Transmissão] (1) Mecanismo anterior
Cabeça térmica
Papel termosensível
Cilindro de pressão
Cilindro de pressão
Documento
Sensor de imagem
Motor de tração (2) Novo mecanismo
FIGURA 6.2 Funções dos motores nos aparelhos de fax, modificados pela Hitachi.
o documento. Contudo, isso facilitava também o acúmulo de sujeira, produzindo manchas na imagem. Tal fato exigiu desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para compensar as manchas no documento a ser transmitido, com trabalho cooperativo entre engenheiros mecânicos e eletricistas. O referido artigo não apresentava certos detalhes construtivos, o que é usual em artigos escritos por pesquisadores de empresas, visto que procuram preservar certos segredos industriais. No entanto, esses segredos não se mantêm por muito tempo. Assim que o novo aparelho da Hitachi foi lançado, seus concorrentes apressaram-se em comprá-lo para desmontá-lo e estudá-lo. Essa é uma prática usual na indústria e se chama engenharia reversa. Ao desmontar o novo aparelho, qualquer engenheiro perceberá imediatamente que houve redução dos números de motores e de cilindros. Já entender como se solucionou o problema da sujeira é um processo um pouco mais demorado.
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7 Aeronaves
Assim como muitas outras invenções, o motor a jato para aeronaves foi desenvolvido mais ou menos simultânea e independentemente por diferentes pessoas em distintos lugares do mundo. Na Inglaterra, um jovem estudante chamado Frank Whittle perseguiu obsessivamente a idéia de empregar propulsão à jato em aeronaves e apresentou projeto de graduação abordando desenvolvimentos futuros do projeto de aeronaves. Em 1930, Whittle requereu sua primeira patente do motor turbojato. Na Alemanha, alguns anos depois, outro jovem pesquisador, Hans von Ohain, foi encorajado por um de seus professores a pesquisar o motor a jato. Whittle e von Ohain inicialmente não tiveram apoio de seus governos e nem das forças armadas. Assim, prosseguiram com esforços próprios para os desenvolvimentos em seus respectivos países até que aeronaves a jato começaram a aparecer nos céus, no final da Segunda Guerra Mundial. Em 1991, por seus denodados esforços que transformaram a natureza da aviação em todo o mundo, Whittle e von Ohain receberam o prestigioso Prêmio Draper, concedido pela Academia Nacional de Engenharia. Esse prêmio havia sido entregue pela primeira vez a Jack S. Kilby e Robert N. Noyce, em 1989, que inventaram o circuito integrado, trabalhando separadamente. Esse foi mais um dos inventos que revolucionou o mundo, inclusive a indústria aeronáutica e as viagens aéreas. A Alemanha do pós-guerra não estava em condições de produzir um avião comercial a jato. Contudo, os britânicos tinham essa capacidade e resolveram explorar esse invento promissor e lucrativo, aplicável em viagens aéreas econômicas e de grande alcance, inclusive para vôos transatlânticos. O primeiro serviço comercial de linhas aéreas a jato foi inaugurado em 2 de maio de 1953, utilizando o avião a jato conhecido como Comet (Cometa), desenvolvido pela Companhia Britânica de Aviação de Havilland. A grande vantagem que esses fabricantes haviam conquistado no mercado das aeronaves durou pouco tempo. Exatamente um ano depois, um Comet explodiu no ar quando decolava em Calcutá. No ano seguinte, dois outros Comets explodiram em pleno vôo, e o projeto da aeronave passou por uma séria investigação. As causas dos acidentes foram inicial-
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mente identificadas como erro do piloto e mal tempo. Mais tarde, o motivo foi atribuído à fadiga do material metálico. Pequenas fissuras começaram a aparecer nos pontos submetidos a grande estresse na fuselagem da aeronave. Elas aumentavam progressivamente a cada ciclo de decolagem e aterrissagem, até que ficavam tão grandes a ponto de provocar as explosões das aeronaves, repentinamente, naqueles vôos fatais (ver Figura 7.1).
A fuselagem rasgou-se na parte superior A parte frontal da fuselagem separou-se das longarinas, caindo A parte traseira da fuselagem separou-se das longarinas traseiras Falha simétrica decorrente da falha na asa direita Falha principal na asa direita entre as travessas 12 e 13
Falha de descascamento Transversal 13A
Transversal 26
Transversal 18 Falha secundária da parte central curvando-se para fora
Frente
Lado esquerdo Lado direito
Parte superior da aeronave
Propagação das principais falhas
Chapas de reforço
Sinais de fadiga neste canto do revestimento
Falhas secundárias
Falha de descascamento O revestimento da janela despendeu-se
Falha de descascamento
FIGURA 7.1 Simulação da falha de um avião Comet a jato, fabricado na Inglaterra pela De Havilland.
A fadiga metálica era um fenômeno novo para a aviação. Antes da introdução dos jatos, os aviões não voavam tão alto e, por isso, suas cabines não precisavam ser pressurizadas para o conforto dos passageiros. Uma das vantagens do novo motor era a economia de combustível. Entretanto, para isso, os jatos precisavam voar mais alto que os aviões a hélices, e, assim, os seus componentes estruturais ficaram submetidos a condições que estavam além da experiência de seus projetistas.
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FIGURA 7.7 Reatores Pratt & Whitney que equipam o Boeing 777.
Algumas empresas aéreas não tinham experiência ou ferramentas para fazer a manutenção dos novos reatores Pratt & Whitney e isso exigiria investimentos adicionais. A fim de tornar o 777 mais atraente, foram oferecidos alguns reatores alternativos. Entre as opções estava um reator General Electric, que é tão grande a ponto de sua nacele (cobertura externa do reator com forma aerodinâmica) ter quase o mesmo diâmetro da fuselagem de um Boeing 757. Outra opção disponível eram reatores Rolls Royce. Os reatores Pratt & Whitney e General Electric também são utilizados nos aviões da Airbus. Em razão da grande autonomia de vôo e da capacidade de voar mesmo com a eventual falha de um dos reatores, o 777 transformou-se em um candidato imediato às viagens transoceânicas. Entretanto, para isso, precisava da certificação para vôo, a qual somente era concedida após longa experiência do avião atuando em rotas comerciais. Em meados da década de 1980, estimou-se que a chance dos dois reatores apresentarem pane simultaneamente era de uma em cada um bilhão de
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8 Água e saneamento
A engenharia civil foi definida no começo do século XIX como “a arte de direcionar as grandes forças da natureza de forma conveniente”. Um século depois, um engenheiro ferroviário definiu a engenharia, genericamente, como “a arte de fazer bem feito por um dólar, aquilo que qualquer curioso faria por dois dólares”. Esses dois conceitos, social e econômico, estão intrinsecamente ligados a tudo que o engenheiro faz, embora nem sempre a proporção entre custos e benefícios sociais fique evidente. Muitos produtos industriais modernos, como os clipes de papel e as latas de alumínio são convenientes, mas o desaparecimento deles não afetaria significativamente a civilização. Contudo, existe uma outra categoria de produtos cujo desaparecimento provocaria grandes impactos. Incluem-se nessa categoria as pontes e aviões. Seria um grande retrocesso para cidades como São Francisco se passasse a depender novamente de balsas e navios para atravessar a baía, exigindo muito mais tempo. Sem os progressos das engenharias, a rede de transportes seria menos desenvolvida e o abastecimento das grandes cidades poderia ficar prejudicado, assim como o comércio internacional. A sociedade poderia continuar funcionando, mas a um ritmo muito mais lento, como no século XIX. O controle e uso econômico dos recursos hídricos também fazem parte daquela categoria das obras de grande impacto. A água é uma matéria essencial e está presente em várias comodidades da vida moderna. Muitos conhecimentos e técnicas de engenharia, desenvolvidos durante séculos, destinam-se a captar, controlar, tratar e abastecer comunidades cada vez maiores. Naturalmente, os nossos ancestrais nômades viviam sem essas comodidades. O desenvolvimento da agricultura, que pode ser descrita como engenharia do campo, foi acompanhado da habilidade de movimentar a água para as terras cultivadas. As obras para o controle da água têm sido um dos grandes avanços da engenharia durante os milênios que se seguiram após o estabelecimento das sociedades agrárias, durante o período neolítico.
ABASTECIMENTO DE ÁGUA As cidades romanas ficaram famosas pelo suprimento de água, tornando possível a construção de fontes e banhos públicos. As famosas pontes
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FIGURA 8.3 Corte mostrando o sistema de esgoto de Londres, projetado por Balzagette no século XIX, correndo em paralelo ao rio Tâmisa e ao metrô.
O CASO DE CHICAGO Cada projeto de suprimento de água e sistema de esgoto é único, pois deve adaptar-se à geografia e topografia da região. Além disso, deve ir se adaptando ao crescimento da cidade. Até a metade do século XIX, a cidade de Chicago era abastecida pelas águas do Lago Michigan e os esgotos, descarregados no rio Chicago, corriam novamente para o Lago. Em 1860, foi escavado um túnel de 150 cm de diâmetro, que avançava 3 km sob o leito do Lago, a fim da captar a água em um ponto onde o esgoto estivesse bem diluído. A água era bombeada para uma torre com 47 m de altura e, daí, distribuída por gravidade. Essa torre existe até hoje perto da Praça Water Tower. Com o crescimento da cidade, as águas do Lago ficaram mais poluídas e se pensou em outra via para descarregar o esgoto. Na última década do século XIX, foi construída uma obra para inverter o fluxo do rio Chicago. Em vez de desembocar no lago Michigan, passou a correr para o rio Des Plaines. Este, por sua vez, corria para o rio Illinois, que desembocava no rio Mississippi. Assim, o esgoto foi desviado do Lago Michigan. Com essa obra, Chicago protegeu a água do Lago, mantendo-a impoluta para o seu abastecimento, mas acabou poluindo três rios. Resta saber se essa poluição será diluída e oxidada na corrente desses rios em nível suficiente, antes de alcançar outra comunidade a jusante que se abasteça com suas águas. O estado de Missouri processou Illinois porque este estava lançando esgoto na água que abastecia St. Louis, cerca de 480 km a jusante, mas o caso ficou esquecido
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Pontes
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tou-se muito explicando o princípio da viga em balanço em audiências públicas durante a construção. A fim de explicar o princípio estrutural da ponte, Baker usava um modelo humano formado por duas pessoas sentadas em cadeiras, sustentando uma terceira pessoa no meio (Figura 9.4). Os braços das pessoas sentadas nas extremidades seguravam duas varetas, que representavam as vigas. O peso da pessoa suspensa no meio era balanceado pelos contrapesos de tijolos colocados nas duas extremidades. Contudo, essa analogia não se parecia com a ponte suspensa proposta por Bouch e nem funcionava da mesma maneira. A distância de uma cadeira a outra foi considerada, incorretamente, como o vão da viga em balanço.
FIGURA 9.4 Simulação da estrutura da ponte sobre o estuário do Forth usando modelo humano imaginado por Benjamin Baker.
A ponte do estuário Forth fez enorme sucesso. Tornou-se famosa no mundo todo e foi muito imitada. No final do século XIX, as pontes com vigas em balanço tornaram-se preferidas pelos projetistas, construtores e financiadores de pontes. Quando se pensou em construir a ponte sobre o rio São Lourenço, em Quebec, ela foi projetada com uma viga com vão ainda maior que o recorde anterior da ponte do Forth, que era de 520 m. A construção do braço sul da ponte de Quebec tinha
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Quando o arquiteto Le Corbusier chamou uma casa de “uma máquina para se viver dentro” atentou para o fato de que construções modernas não são apenas estruturas com fachadas. Elas são feitas de muitas partes que devem se encaixar e funcionar conjuntamente, a fim de proporcionar não só abrigo e status, mas também conforto em um ambiente controlado. Nossas casas possuem sistemas elétricos e de aquecimento e refrigeração para torná-las habitáveis. As grandes edificações, nas quais as pessoas moram e trabalham, possuem sistemas mais elaborados, que podem incluir meios de transporte horizontais e verticais, como elevadores, escadas rolantes e esteiras. Em locais onde se devem preservar segredos governamentais ou industriais podem existir sistemas de segurança bastante sofisticados. Embora construções antigas não tenham os mesmos tipos de sistemas atuais, foram equipados de algum modo com outros tipos de sistemas, pois nenhum projeto de construção complexa pode ser realizado de maneira eficaz sem eles. Nem todos envolvem partes mecânicas, elétricas ou computadores, e alguns dos antigos sistemas mais eficientes eram mais de caráter sociológico do que técnico. As grandes pirâmides do Egito, por exemplo, requeriam enormes sistemas de organização do trabalho, capazes de realizar movimentação de grande quantidade de blocos de pedra maciços para as construções. O projeto das pirâmides também incluía sistemas de passagens e câmaras cuidadosamente feitas para prevenção contra supostos ladrões de tumbas. Durante o império romano, os obeliscos gigantescos do Egito foram removidos para cidades como Roma. A operação precisava ser cuidadosamente planejada, com coordenação de centenas ou até milhares de homens e animais para um funcionamento eficiente do sistema (Figura 10.1). Um obelisco pode ser considerado uma construção primitiva, sem sistemas internos. Mesmo assim, poderá ruir se não for devidamente manobrado, com apoios adequados, por caminhos apropriados. As catedrais góticas tinham sistemas estruturais muito mais elaborados, com tetos
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FIGURA 10.3 Famosa demonstração do dispositivo de segurança em elevadores, realizada por Elisha Otis, na Feira de Nova York, em 1853.
deveriam ter uma espessura muito grande, pelo menos junto ao solo. Com o advento das estruturas de ferro, como aqueles criados por Paxton e Bogardus, juntando-se ao conceito das paredes-cortina, essas limitações foram superadas e novas possibilidades se abriram. Ao final do século XIX, tornou-se cada vez mais comum a utilização do ferro fundido, ferro forjado e, finalmente, aço nas construções. Isso possibilitou a construção de estruturas cada vez mais altas.
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INOVAÇÃO: da idéia ao produto
Em 1996, a altura (sem contar as antenas) da Torre Sears foi ultrapassada pelas Torres Gêmeas Petronas (Figura 10.7), de Kuala Lumpur, Malásia, com 95 andares e 450 m de altura, projetadas pelo arquiteto César Pelli e engenheiros de estruturas Thornton e Tomasetti. Havia uma conexão suspensa entre as duas torres, que permitia passagem de uma torre para outra, sem necessidade de passar pelo andar térreo, além de servir como uma saída alternativa em caso de emergências.
FIGURA 10.7 Torres Gêmeas Petronas, de Kuala Lumpur, Malásia, com 95 andares e 450 m de altura.
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Outro problema dos elevadores é o comprimento dos cabos que os sustentam, adicionando peso significativo ao sistema. Por essa e outras razões, os projetistas de elevadores estão tentando eliminar completamente esses cabos. Uma das propostas é um sistema em que várias cabines são movidas continuamente por ímãs permanentes e motores lineares síncronos, como se vê na Figura 10.8.
Bobinas estacionárias do motor Motores lineares síncronos
Cabine do elevador
Percurso do elevador
Cabine do elevador
Saguão dos elevadores
FIGURA 10.8 Um sistema com vários elevadores correndo no mesmo trilho.
FLEXIBILIDADE DOS ARRANHA-CÉUS Ao mesmo tempo em que os arranha-céus tornaram-se mais altos, ficaram também relativamente mais leves e flexíveis. Esses desenvolvimentos são naturais na engenharia e podem ser encontrados ao longo da história das pontes, aviões e outras estruturas em geral. Essa tendência é ditada principalmente pela economia, mas também por razões estéticas e funcionais. Por exemplo, um arranha-céu moderno pode ter um perfil elegante, com maior área envidraçada e melhor aproveitamento dos espaços, tornando-se mais atrativo aos seus ocupantes. Contudo, se
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