Nome do Projeto
Desenvolvimento de um equipamento para teste de aderência ao cisalhamento de superfícies esportivas equestres
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/08/2022 - 31/12/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Agrárias
Resumo
A análise do comportamento mecânico de superfícies esportivas equestres através da medição da resistência ao cisalhamento (aderência) com equipamentos específicos é necessária para compreensão da dinâmica casco-superfície e seus efeitos sobre o bem-estar de equinos atletas. A aderência da superfície está relacionada aos índices de lesões de ossos, pelo aumento da força de reação do solo e lesões de ligamentos e tendões quando a superfície possui baixa aderência, pelo aumento do deslizamento do casco, gerando hiperextensão desses tecidos. Entretanto, existem poucos dispositivos no mundo que analisem esse efeito biomecânico entre casco e superfície onde são realizados os esportes equestres, que somado ao alto valor agregado, dificultam a acessibilidade dessa tecnologia no Brasil. Entretanto, este estudo terá como objetivo o desenvolvimento de um protótipo funcional para teste in situ da resistência ao cisalhamento em superfícies esportivas equestres com baixo custo de produção. Para isso, será construído um equipamento que simula as forças verticais e horizontais geradas pelo casco dos equinos na superfície, utilizando um sistema de tubos interligados por uma mola a gás de 800 Newton (N) de força a um casco verdadeiro ferrado para exercer a pressão necessária no solo. Na parte superior do equipamento será instalado um torquímetro digital com capacidade de leitura entre 0 e 60 N/m que mede o torque necessário para promover a rotação em 45° do casco na superfície. Para validação dos resultados o equipamento será testado em superfícies de terra, grama e areia, com propósito de determinar a variabilidade do coeficiente de atrito entre cascos torácicos, pélvicos e um suporte metálico com ferradura, através de testes funcionais mecânicos e digitais do equipamento em ambiente controlado e a campo, por medição das forças verticais, horizontais, pressão gerada pelo protótipo e medição da resistência ao cisalhamento. O desenho experimental será inteiramente casualizado com três tratamentos (casco membro torácico, casco membro pélvico e suporte metálico) e quatro repetições entre as distintas superfícies. Os dados serão submetidos à análise de variância e as médias comparadas pelo teste de Tukey (P<0,05) com as superfícies testadas classificados em baixa aderência (menor que 10 N/m), aderentes (11 a 30 N/m) e alta aderência (maior que 30 N/m). Pretende-se com esse estudo, o desenvolvimento de ferramentas com potencial inovador, com capacidade de gerar contribuições científicas e socioeconômicas. Palavras-chave: Superfície, Resistência ao cisalhamento, Cinética, Torque, Equino, Bem-estar animal.

Objetivo Geral

Desenvolvimento de um equipamento acessível para mensuração de resistência ao cisalhamento de superfícies esportivas equestres.

Justificativa

As superfícies esportivas equestres vêm sendo investigadas frequentemente na última década, devido necessidade de compreensão dos efeitos gerados pelo solo sobre a performance, longevidade e saúde do sistema músculo esquelético em equinos atletas (SETTERBO et al., 2009; HOBBS et al., 2014; SYMONS et al., 2015; NORTHROP et al., 2020). A dinâmica casco-superfície durante a movimentação está relacionada ao comportamento mecânico da superfície pela capacidade de absorção, dissipação de impacto e pelas forças de reação geradas (HOBBS; CLAYTON, 2013; SYMONS; GARCIA; STOVER, 2013). Nesse contexto, o conhecimento das características mecânicas das superfícies, pode ser empregado para garantir a eficiência de locomoção, minimizar os índices de lesões musculoesqueléticas, promovendo bem-estar e segurança durante a realização de atividades atléticas, pela adequação da superfície promovendo menor força de reação do solo ao sistema locomotor dos mesmos (BODEN et al., 2007; ORLANDE et al., 2012; SYMONS et al., 2013; BARREY, 2014). O desempenho da superfície pode ser mensurado através da resistência ao cisalhamento (Aderência) medidos in situ, por equipamentos específicos que simulam as forças verticais e horizontais geradas e recebidas pelos equinos durante realização de provas equestres (PETERSON et al., 2012). Assim, é possível identificar as características mecânicas das superfícies e sua influência sobre o movimento dos equinos com confiabilidade (HOBBS et al., 2014; NORTHROP et al., 2020).
A determinação da resistência ao cisalhamento de superfícies esportivas equestres é vital para a garantia do bem-estar animal, levando a maior eficiência de desempenho atlético e redução no risco de lesões (CLAUBEM et al., 2019). Por outro lado, uma condição desfavorável da resistência ao cisalhamento aumenta o risco de lesões nos tendões, ligamento, articulações e a carga no sistema musculoesquelético, sendo verificado tanto com deslizamento excessivo ou rápida frenagem do casco na superfície (PEHAN e SCHRAMEL, 2017).
Uma inspeção regular da superfície através de equipamentos que mensuram a resistência ao cisalhamento, possibilita ajuste dos períodos de manutenção, condições de utilização e podem melhorar significativamente superfícies específicas, como grama, terra e areia, pois as mesmas necessitam de uma avaliação constante com propósito de manutenção (PETERSON et al., 2012; PEHAN e SCHRAMEL, 2017). Dessa maneira, um equipamento de medição in situ da resistência ao cisalhamento possibilita a testagem segura e eficaz das condições de aderência das superfícies, entretanto, o custo para aquisição torna-se um entrave para esta análise. No atual momento, existem poucos exemplares disponíveis no mundo que simulam a real dinâmica entre casco-superfície. Assim é evidente a necessidade de desenvolvimento de uma tecnologia que mensure a resistência ao cisalhamento em superfícies esportivas equestres no Brasil com propósito de garantia da segurança e bem-estar animal. Portanto, esse estudo tem por objetivo o desenvolvimento de um equipamento que simula a real dinâmica casco-superfície para teste da resistência ao cisalhamento.

Metodologia

Local e época
O estudo será realizado na Universidade Federal de Pelotas entre agosto de 2022 e agosto de 2024, sendo dividido em dois ensaios experimentais.
O Ensaio experimental I consistirá no desenvolvimento, construção e testagem do protótipo para resistência ao cisalhamento de superfícies equestres;
Ensaio experimental II será realizado a testagem e validação do protótipo construído.
Ensaio experimental I
O ensaio experimental I irá ocorrer primeiramente com desenvolvimento do protótipo em 3D com software SolidWorks CAD/CAE/CAM/PDM (LIU e REN, 2005), levando em consideração os modelos de aferição da aderência por equipamentos disponíveis atualmente para medição resistência ao cisalhamento, como base teórica (PETERSON et al., 2012; HOBBS et al., 2014; HOLT et al., 2014; PEHAN e SCHRAMEL, 2017; CLAUßEM et al., 2019). Entretanto, todos os materiais, dimensionamento, sistema de operação, modelo construtivo e método de acionamento serão diferentes em princípio de ação e funcionamento. Após será realizado a construção física do equipamento conforme protótipo digital gerado.
Construção do equipamento para teste de resistência ao cisalhamento
A construção do protótipo irá ocorrer junto a uma empresa especializada no desenvolvimento de peças industriais com precisão, seguindo as medidas e princípios de ação projeto digital. O sistema construtivo do protótipo consistirá de dois tubos metálicos (A e B) com diferentes diâmetros interligados por meio de uma mola a gás de 800 N de força dentro do segundo tubo, permitindo o movimento vertical do primeiro tubo incluso ao segundo para compressão da mola a gás. Esses dois tubos serão fixados no interior de um terceiro compartimento (C) com superior diâmetro por meio de dois rolamentos fixados em mancais nas extremidades inferior e superior, permitindo rotação independente dos dois tubos internos sob compressão, sem exercer atrito entre os materiais.
Para determinação da força contra a superfície será instalado um sistema de sapata circular (saiote), conectada ao terceiro tubo por meio de quatro hastes diagonais de ferro separadas homogeneamente sobre a sapata. A altura da sapata em relação ao solo será de 25 cm, para quando acionada até o solo, permita compressão total da mola a gás. Por se tratar de uma mola de gás de nitrogênio com duas câmaras de pressão constante por meio de um orifício, possibilitando passagem do gás nitrogênio entre as câmaras, a curva de ganho de força da mola sofrerá pouca variação, de modo que será necessário romper a força máxima da mola para comprimir a haste interna, onde mesmo que exercida maior força sobre a sapata, a força de ação contra a superfície será o limite máximo de pressão da mola a gás. A compressão da mola a gás será efetuada por força gerada pelo peso de dois operadores adultos sobre a sapata, sendo a rotação de 45º do torquímetro, realizada por apena um dos integrantes.
Na parte superior do equipamento, no primeiro tubo será acoplado um torquímetro digital com encaixe 5 ⁄ 8 para medição do torque (N/m) necessário para rotacionar em 45º sob velocidade constante o casco na superfície e com resolução entre 0 e 60 N/m. Na extremidade inferior do segundo tubo, será instalado um casco verdadeiro de um equino, conectado ao segundo tubo por um suporte metálico preso na região da coroa do casco, com encaixe de parafusos para o segundo tubo, respeitando-se a angulação natural do casco.
Serão preparados dois modelos de cascos em solução de formaldeído 12 % para conservação das estruturas internas do mesmo e um suporte metálico, para testagem da variabilidade do coeficiente de atrito entre cascos torácicos, pélvicos e um suporte metálico com ferradura. Os cascos serão ferrados de acordo com seu dimensionamento e o suporte metálico terá o mesmo modelo de ferradura dos cascos.
Os materiais usados no desenvolvimento deste protótipo de resistência ao cisalhamento serão de baixo custo, porém de alta confiabilidade, pois será prezado a resistência, durabilidade e funcionalidade do equipamento ao layout, construído em material aço. O peso total do equipamento não será superior a 15 kg, para garantir fácil transporte e utilização em diferentes locais, assim como possibilitará ser desmontado, com propósito de fácil transporte pelos operadores. A chave torquímetro a ser utilizada será dependente da resolução exigida. A lista com peças e equipamentos está descrita a seguir:
Peças - Dimensões - Quantidade

- Tubo de aço A - Comprimento 70 cm; Diâmetro: 3,0 cm - 1 unidade;
- Tubo de aço B - Comprimento 40 cm; Diâmetro: 2,5 cm - 1 unidade;
- Tubo de aço/Comprimento 70 cm; Diâmetro: 7,5 cm/ 1 unidade;
- Mola a gás 800 N - Comprimento 39 cm; Diâmetro: 2,2 cm - 1 unidade;
- Barra de aço maciço - Comprimento 50 cm; Diâmetro: 1,2 cm - 4 unidade;
- Barra de aço circular de maciço - Comprimento 100 cm; Diâmetro: 1,2 cm - 1 unidade;
- Rolamento selado triaxial - Diâmetro externo: 7,4; interno: 3,0 cm - 1 unidade;
- Rolamento selado triaxial - Diâmetro externo: 7,4; interno: 2,5 cm - 1 unidade;
- Ferradura Jk Plus nº3 - Comprimento: 14 cm; Largura: 13 cm - 3 unidade;
- Suporte metálico ferrado - Comprimento: 14 cm; Largura: 13 cm - 3 unidades;
- Casco verdadeiro de equinos - Comprimento: 13 cm; Largura: 12 cm - 2 unidades;
- Suporte metálico para casco verdadeiro - Comprimento: 9 cm; Largura: 8 cm - 1 unidades;
- Parafuso Sextavado Flangeado - Comprimento: 1 cm; Diâmetro 0,5 cm - 5 unidades;
- Porca sextavada auto-travante - Diâmetro 0,5 cm - 5 unidades;

Equipamentos:
- Torquímetro digital com resolução de 0-60 N/m - Comprimento 16 cm - 1 unidade;
Ensaio experimental II
Testagem e validação do protótipo

Após o término da fase de construção do protótipo, o mesmo será avaliado em uma superfície com 12 cm de areia, quanto sua estrutura física funcional para identificação de possíveis erros construtivos, sendo verificada a força gerada em ambiente controlado pela mola a gás com auxílio de uma prensa hidráulica de precisão (0 a 200 kg) e uma balança horizontal com capacidade de 100 kg, onde será simulado o acionamento do protótipo sobre a balança. O giro do casco será analisado com o protótipo em suspensão e realizando giro de 360º com o torquímetro digital por 10 vezes, onde a leitura deverá ser nula para que não sejam mensuradas forças de atrito no sistema construtivo. Não sendo constatado nenhuma irregularidade na força vertical gerada e atrito entre o sistema de giro, subsequentemente, o equipamento receberá em sua superfície distal, um casco de um equino formalizado e ferrado oriundo de membro torácico (T1), um de membro pélvico (T2) e o terceiro, sendo apenas um suporte metálico, também composto com ferradura idêntica, aos grupos previamente mencionados (T3) que serão expostos a distintas superfícies de grama (B1), terra (B2) e areia (B2). Os testes serão realizados por duas pessoas (P1 e P2) para verificar o coeficiente de variação do operador e entre operadores sob o equipamento.
Cada tratamento terá 22 repetições por superfície, em uma área de 120 m2, realizando-se a análise da resistência ao cisalhamento em pontos previamente definidos, conforme Northrop et al. (2016), com propósito de reduzir erro experimental e ampliar a precisão de leitura ao cisalhamento das superfícies. Todas as superfícies serão analisadas quanto ao seu grau de dureza com auxílio de um penetrômetro eletrônico (FALKER – Modelo PenetroLOG - PLG1020) (ORLANDE et al., 2012) e um martelo de Clegg (CLEGG, 1976), adicionada da determinação da deformação superficial, umidade (ASTM D2216-RACING SURFACE, 2014), altura e temperatura superficial (NORTHROP et al., 2016), considerando que, estas propriedades funcionais estarão diretamente relacionadas a resistência ao cisalhamento (HOBBS et al., 2014).
Para validação dos resultados será utilizado o Hoof System (TekScanTM) para análise cinética no casco (NOBLE et al., 2010; NAEM et al., 2020). O sistema será composto por sensores de pressão flexíveis e ajustáveis (Modelo #3200E) instalados diretamente na porção inferior do casco, através de uma sapata sobre a ferradura, com capacidade de detecção da força de reação do solo (Newton), pressão (kPa) por área de contato (cm2), pico e centro de pressão (kPa) com sua trajetória, com os dados sendo enviados tempo real para o software que acompanha o sistema, permitindo assim a mensuração das forças cinéticas verticais e horizontais exercidas pelo protótipo em diferentes superfícies.
O Hoof System será utilizado para testagem em todos tratamentos (T1, T2, T3) nas distintas superfícies (B1, B2, B3), realizando-se três testes em cada tratamento e superfície, nos pontos determinados previamente dimensionadas nas pistas. Serão coletados dados desde o momento em que o casco toca a superfície até o término do giro de 45º, dividindo-se a área inferior do casco em três poções iguais (Superior, Medial e Anterior) para análise dos resultados.

Delineamento experimental e análise estatística

O delineamento experimental será inteiramente casualizado, com três tratamentos (T1, T2, T3) e 22 repetições. Inicialmente as variáveis dependentes (resistência ao cisalhamento, força de reação do solo, pressão por área e pico de pressão) serão submetidas a testes de normalidade de Shapiro-wilk. Se for verificada ausência de normalidade na distribuição dos dados, estes serão transformados (log10), a fim de se comparar os tratamentos por meio de testes paramétricos de análise de variância (ANOVA), seguido da comparação múltipla por meio de testes de Tukey. Será considerado um nível mínimo de confiança de 95% em todas as análises estatísticas (P<0,05).
Variância: Yij = m + ti + eij
Onde:
Yij = valor observado da variável Y na unidade experimental que recebeu o tratamento i na repetição j;
m = constante
ti = efeito do tratamento i;
eij = erro experimental;

Indicadores, Metas e Resultados

O desenvolvimento dessa tecnologia constitui uma proposta multidisciplinar e interinstitucional, envolvendo três teses de doutorado do Programa de Pós-Graduação em Zootecnia e parcerias científicas com a Writtle University College – Reino Unido (Dra. Roberta Ferro de Godoy), Lecturer at University of Central Lancashire – Reino Unido (Dra. Sarah Jane Hobbs), Laboratório de Geotécnica UFPel (Dr. Klaus Machado Theisen & Dr. Leandro Sanzi Aquino), Laboratório de Engenharia Mecânica FURG (Msc. Carlos Eduardo Follmam), Laboratório de Bioengenharia UFMG (Dra. Wellingtania Domingos Dias), Empresas: GREEN RIDER (Evandro Guerra - Especialista em avaliação e construção de pistas equestres), LEVERFIX Soluções em reabilitação e neurociências e MODELOMAQ Máquinas industriais.

Pretende-se com esse estudo desenvolver um equipamento com baixo custo de produção e capacidade de medição confiável da resistência ao cisalhamento em superfícies esportivas equestres, através da simulação das forças verticais e horizontais geradas pelos cascos de equinos na superfície. Esse dispositivo poderá ser utilizado em âmbito nacional e internacional para medição do comportamento mecânico de distintas superfícies, assim como, para os diferentes esportes realizados por diversas raças equinas. Para garantia dos direitos será realizado o pedido de patente de Modelo de Utilidade junto ao Instituto Nacional da Propriedade Industrial (IMPI).

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANDRÉA BICCA NOGUEZ MARTINS
CAROLINA BICCA NOGUEZ MARTINS
CHARLES FERREIRA MARTINS4
CLAUDIA LIANE RODRIGUES DE LIMA2
FABIO RAPHAEL PASCOTI BRUHN2
FERNANDO MADRUGA BARBOSA
GINO LUIGI BONILLA LEMOS PIZZI
KARINA HOLZ
Leila Regina Oliveira de Borba
PRISCILA FONSECA RIBEIRO
Éverton Augusto Kowalski

Página gerada em 13/04/2024 07:41:32 (consulta levou 0.197260s)