Artilharia com garrafas

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Objetivo
Explorar a combustão explosiva do álcool (etanol - C₂H₅OH); a transformação da energia potencial química em energia mecânica; analisar o princípio do motor à álcool e estimular a produção de material para fins didáticos.

Apenas um canhãozinho ...
Vamos começar construindo apenas um pequeno canhão cujo elemento detonante será o álcool etílico (95%) e o projétil será uma rolha de cortiça ou borracha. Uma pequena quantidade de álcool (etanol) é colocado numa garrafa plástica e a seguir é provocada sua explosão mediante uma faísca elétrica; o elevado incremento da pressão interna é aproveitado para expulsar a rolha à distância considerável.

Material

1 garrafa PET de 250 ml,
2 pregos finos de 4 cm de comprimento ou 2 pedaços de fio de cobre #16 rígido,
1 rolha de cortiça ou borracha, pequena quantidade de etanol > 95% e
1 gerador de alta tensão para produzir a faísca (veja comentários).

Montagem

Fure a garrafa em pontos diametralmente opostos e espete os pregos (ou os fios de cobre rígido). Faça duas orelhas de fio de cobre (lixe esse fio antes de enrolar!) e coloque nas extremidades externas de cada prego (se usar o fio de cobre rígido, essa orelha pode ser feita com o próprio fio --- essa foi a minha escolha). Essas orelhas servirão para as conexões ao gerador de alta tensão. Fixe esses pregos (ou fios rígidos) na garrafa usando cola (superbonder, araldite, cola quente, silicone etc.).

Procedimento
Coloque dois a três mililitros (1/2 colherinha de café) de etanol, >95%, dentro da garrafa PET de 250 ml que já apresenta os 2 pregos ou fios espetados (e colados) diametralmente opostos, como mostrado acima. Coloque a rolha de cortiça ou borracha fechando hermeticamente a garrafa.

Agite a garrafa algumas vezes para assegurar um rápido equilíbrio entre o etanol líquido e seu vapor. Verifique se as pontas dos pregos ou fios de cobre rígido se defrontam e se encontram separados cerca de 2 ou 3 mm (essa distância vai depender da alta tensão disponível).

Através das orelhas de cobre, conecte os pregos ou fios rígidos aos terminais da fonte de alta tensão (> 1000 volts) e baixa corrente. Ligue momentaneamente a fonte (um interruptor, tipo botão de campainha, instalado no cordão de força que alimenta a fonte de alta tensão viria bem a calhar). A faísca resultante inflama a mistura explosiva ar + vapor de etanol e expulsa ruidosamente a rolha da garrafa (deixe a garrafa num ângulo adequado para não 'acertar' ninguém ou objeto delicado).

Comentário: A fonte de alta tensão pode ser uma bobina de Tesla ou um gerador à base de oscilador e flyback ou bobina de ignição automotiva (há vários modelos nas Salas 03 e 15). Pode-se usar também uma 'usina' (nome comercial) usada como acendedor elétrico de fogões a gás. Pode-se até usar do efeito piezelétrico disponível em vários isqueiros à gás (basta desmontar o isqueiro e aproveitar a parte da cápsula de cerâmica que provoca a faísca).
Se a fonte de alta tensão for realmente boa, com uma bobina Tesla ou um bom oscilador com flyback, basta ligar apenas um dos pregos no terminal de alta tensão e o outro prego numa janela ou mesmo alguma peça de ferro de grande área (para aumentar a capacitância do prego).

Agora a artilharia ...
Várias garrafas pré-preparadas podem ser colocadas eletricamente em série (para que as detonações ocorram ao mesmo tempo) ou em paralelo (para obter detonações sucessivas -- rajadas). Nas ligações em série (primeira ilustração abaixo), verifique se a fonte de alta tensão é suficiente para fazer saltar faísca na 'soma' dos espaços entre as pontas dos pregos (com artilharia de 5 garrafas, cujas pontas estão afastadas 1mm o total de espaçamento será de 5 mm). Nas ligações em paralelo isso não constitui problema; as garrafas poderão ser detonadas simultaneamente (segunda ilustração abaixo) ou cada garrafa detonada separadamente (terceira ilustração abaixo). Eis algumas sugestões:

Podem ser utilizadas garrafas de maior capacidade (500 ml, 1000 ml, 1500 ml e 2000 ml) para explosões mais impressionantes.

Que aconteceu lá dentro ...
Uma parte do álcool líquido (etanol) introduzido evapora e mistura com o ar na garrafa, formando a mistura explosiva. Com o estímulo da faísca (energia de ativação) ocorre a seguinte reação:

C₂H₅OH + 3O₂ ==> 2CO₂ + 3H₂O + 'calor'

Assim temos um duplo aumento, quer no número de moles de gás (4 a 5) quer na temperatura do sistema, como resultado da energia liberada na reação exotérmica. A pressão interna aumenta e as forças dela nascidas expulsam a rolha da garrafa.
A demonstração não pode ser repetida de imediato (apenas acrescentando mais um pouco de etanol) pois a explosão consome todo o oxigênio da garrafa. Uma enxaguada, sopro, jato de ar etc. deve ser providenciado a cada demonstração.

Cuidado! - A rolha é expelida com força considerável e assim todo cuidado deve ser tomado para evitar danos, propagar fogo a combustível próximo, atingir alguém etc. Faça a demonstração mantendo a área sobre a garrafa livre de obstruções, de preferência em local amplo (como a quadra de ginástica, basquete etc.)

Leve todo esse aprendizado para ilustrar o uso do etanol como combustível automotivo e mostre que a reação nos cilindros é a mesma usada nessas experimentações. Por que não constrói uma 'artilharia a 4 tempos'?