Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com...
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Joana Matos Viana
Desenvolvimento de materiais paraisolamento térmico com base em biomimética
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
julho de 2015
Dissertação de MestradoMestrado Internacional emSustentabilidade do Ambiente Construído
Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor Raul Manuel Esteves de SousaFangueiro
Joana Matos Viana
Desenvolvimento de materiais paraisolamento térmico com base em biomimética
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
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“(…) a vida é pequena demais para perdermos tempo a gastar energias em algo
que não envolva amor”
In ‘Prometo falhar’, de Pedro Chagas Freitas
Em memória da pessoa que sempre me transmitia força,
confiança e autoestima, o meu querido avó Francisco Matos
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Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
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AGRADECIMENTOS
Após a conclusão da presente dissertação, pretendo manifestar os meus agradecimentos a todos
aqueles cuja contribuição foi indispensável para a sua realização.
Ao Professor Doutor Raul Fangueiro, agradeço reconhecidamente, pelo seu aconselhamento,
orientação, disponibilidade e acompanhamento durante a realização deste trabalho.
Ao Doutor Raul Machado, investigador no Departamento de Biologia na Universidade do Minho
em Campos de Gualtar, pela sua disponibilidade e auxílio em pesquisas acerca de técnicas de
sobrevivência naturais.
Aos técnicos do Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil
da Universidade do Minho, mais especificamente ao Engenheiro Carlos Jesus, por todo auxílio
dispensado, assim como, aconselhamento e acampamento ao longo de todos os ensaios . Aos
técnicos do Laboratório de Estruturas e do Laboratório de Vias de Comunicação, pela
disponibilização de materiais, assim como, pelo excelente acolhimento, simpatia e confiança
depositada. Agradeço ainda, aos engenheiros pertencentes ao grupo FIBRENAMICS,
nomeadamente à Mara Fernandes pelo design das estruturas e por toda a força e ânimo
transmitida; ao José Sampaio e à Raquel Carvalho pela sua distinta prontidão em ajudar e ao
Carlos Mota, pelos equipamentos e materiais disponibilizados.
Ao meu namorado Nelson, obrigada por toda a ajuda, dedicação, carinho, ânimo, força, coragem,
paciência, presença e principalmente pela compreensão, numa fase mais complicada. Aos meus
pais, obrigado por toda a dedicação, amor e incentivo, ao longo de todo o meu percurso
académico. Aos primos e avós, por todo o carinho e orgulho demonstrado. Aos meus amigos
Elisabete, Gustavo, Ilda, Luís São João, Patrícia Pinheiro, Patrícia Pereira e Marcelo, por toda a
atenção, auxilio, companheirismo, compreensão e amizade, com quem travei momentos
inesquecíveis. Agradeço também, às minhas amigas de longa data, Célia, Diana e Liliana, pelo
apoio e compreensão nesta fase.
Pretendo ainda agradecer à minha entidade patronal, ao Engenheiro Pedro Bogas, pela compreensão
e flexibilidade e ainda às minhas colegas e amigas Raquel, Vera, Carla e Natália por todo o apoio.
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RESUMO
As mudanças climáticas são a principal ameaça ambiental do século XXI, com consequências
ambientais, sociais e económicas de elevada dimensão. Esta preocupação em diminuir as emissões
de gases responsáveis pelo visível aquecimento global, a somar à recente crise em que alguns países
se encontram, em relação ao sector da construção, apresenta a reabilitação de edifícios como uma
alternativa viável para o sector. Esta área surge como uma notável solução em melhorar o
comportamento térmico dos edifícios, assim como uma excelente forma para que sejam atingidos
valores ótimos de eficiência energética e sustentabilidade nos mesmos. No âmbito da reabilitação
térmica de edifícios, torna-se fundamental o recurso a ideias e técnicas naturais passivas, que
conduzam a uma maior sustentabilidade. Para tal, a biomimética parece ser uma boa aproximação
para a resolução destes problemas, uma vez que possui um vasto leque de soluções de design
sintetizadas por seleção natural com aplicação técnica posterior em projetos otimizados.
Neste contexto, o objetivo principal da presente dissertação, passa pelo desenvolvimento de uma
solução com base num sistema fibroso com função de isolamento térmico, a aplicar na reabilitação
de edifícios, baseado em soluções biomiméticas. Posto isto, analisaram-se diversas soluções aplicadas
pela natureza para alcançar estas funcionalidades e mimetizar materiais e estruturas no sentido de
garantir uma performance semelhante. De entre os vários casos analisados, selecionou-se o cato do
deserto, pela sua capacidade em se proteger da elevada radiação solar, através das suas pregas e
nervuras que lhe conferem a habilidade de refletir calor e lhe promovem a possibilidade de gerar áreas
de sombra, à custa da sua superfície reduzida. Com base nesta ideia natural, desenvolvendo-se um
modelo físico para ensaio baseado numa estrutura em lâminas, considerando-se diversas variáveis
incluindo (tipo de material, ângulos de orientação de lâminas e direção de incidência de radiação). O
comportamento de cada sistema foi analisado a partir dos resultados registados por termopares e por
máquina termográfica.
Os resultados obtidos revelaram-se positivos, por parte do revestimento em fibra de juta com estrutura
em lâminas de 15 de abertura. Este facto permite concluir que, a estrutura biomimética considerada
é uma boa solução construtiva, baseando-se em técnicas naturais, usando preferencialmente materiais
sustentáveis e ainda contribuindo para a redução do consumo energético, assim como, para o aumento
do conforto térmico em edifícios.
Palavras-Chave: Biomimética; Reabilitação; Fibras; Desempenho térmico
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ABSTRACT
The climate changes are the main environmental threat of the 21st century, with environmental, social
and economic consequences of high dimension. This concern for reducing gas emissions responsible
for visible global warming, in addition to the recent crisis in which some countries are, in relation to
the construction sector, presents the rehabilitation of buildings as a viable alternative to the sector.
This area appears as a remarkable solution to improve the thermal performance of buildings, as well
as an excellent way to achieve optimal values of energy efficiency and sustainability in the same. In
the context of thermal rehabilitation of buildings, it is important to use the ideas and natural passive
techniques, which lead to greater sustainability. Therefore, biomimetic seems to be a good approach
for the resolution of these problems, since it has a wide range of design solutions synthesized by
natural selection with technical implementation later in optimized projects.
In this context, the main goal of this thesis is the development of a solution based on a fibrous system
with thermal insulation function, to apply in buildings rehabilitation as biomimetic based-solutions.
Having said that, we analyzed various solutions applied by nature to achieve these features and mimic
materials and structures to ensure a similar performance. From among the various cases examined, it
as been selected the cactus of the wilderness, by its ability to protect itself against the high solar
radiation, through its folds and ribs that give the ability to reflect heat and to promote the possibility
to generate shadow areas, at the expense of its reduced surface area. On the basis of this idea,
developing a physical model for the test based on a structure in blades, considering several variables
including (material types, blades angles orientation and radiation direction of incidence). The
behavior of each system was analyzed from the results recorded by thermocouples and by the
thermography machine.
The results proved to be positive, on the part of the jute fiber covering structure with 15 opening
blades. This fact allows us to conclude that, the biomimetic structure is considered a good constructive
solution, based on natural techniques, using preferably sustainable materials and also contributing to
the reduction of energy consumption, as well as to the increase of thermal comfort in buildings.
Key Words: Biomimicry; Rehabilitation; Fibers; Thermal Performance
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ÍNDICE
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÂO ......................................................................................................... 1
1.1 Enquadramento ........................................................................................................................... 1
1.2 Objetivos .................................................................................................................................... 2
1.3 Metodologia adotada .................................................................................................................. 2
1.4 Estrutura do trabalho .................................................................................................................. 4
CAPÍTULO 2 – ESTADO DE ARTE ................................................................................................. 6
2.1 Biomimética ............................................................................................................................... 6
2.1.1 Origem do Conceito ................................................................................................................ 6
2.1.2 Conceito e objetivos ................................................................................................................ 7
2.1.3 Caraterísticas e Vantagens ....................................................................................................... 9
2.1.4 Princípios e Metodologias de aplicação ................................................................................ 11
2.1.5 Limitações presentes na biomimética.................................................................................... 13
2.2 Engenharia dos Materiais ......................................................................................................... 15
2.3 Arquitetura................................................................................................................................ 19
2.4 Engenharia Civil e Energias Renováveis ................................................................................. 20
2.5 Padrões de conforto da sociedade ............................................................................................ 23
2.5.1. Conforto térmico e acústico ................................................................................................. 25
2.6 Adaptação/Aclimatização ......................................................................................................... 27
2.7 Comportamento Térmico ......................................................................................................... 28
2.7.1 Convecção ............................................................................................................................. 29
2.7.2 Radiação ................................................................................................................................ 29
2.7.3 Condução ............................................................................................................................... 31
2.7.3.1 Condutividade térmica (K) ................................................................................................. 31
2.7.3.2 Difusividade térmica () .................................................................................................... 32
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2.7.3.3 Capacidade calorífica (C) ................................................................................................... 33
2.8 Materiais compósitos ................................................................................................................ 34
2.8.1 Definição e composição ........................................................................................................ 34
2.8.2 Classificação de um compósito ............................................................................................. 35
2.8.3 Compósitos poliméricos ........................................................................................................ 36
2.8.4 Interface fibra/matriz ............................................................................................................. 38
2.8.5 Fibras naturais e suas aplicações ........................................................................................... 39
CAPÍTULO 3 – IDENTIFICAÇÃO DE MODELOS NATURAIS COM SISTEMAS DE
ISOLAMENTO (CONDIÇÕES EXTREMAS)................................................................................. 43
3.1 Adaptações dos seres vivos (modelos naturais) ....................................................................... 43
3.2 Modelos naturais de estudo ...................................................................................................... 67
3.2.1 Catos versus ambientes desérticos ........................................................................................ 67
3.2.1.1 Classificação científica ....................................................................................................... 70
3.2.1.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente ....................................................... 70
3.2.1.2 Estudos/dados empíricos .................................................................................................... 74
3.2.2 Pinguins versus sobrevivência na Antártida .......................................................................... 77
3.2.2.1 Classificação científica ....................................................................................................... 78
3.2.2.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente ....................................................... 79
3.2.2.3 Estudos/dados empíricos .................................................................................................... 85
3.2.3 Caracol do deserto ................................................................................................................. 88
3.2.3.1 Classificação científica ....................................................................................................... 91
3.2.3.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente ....................................................... 92
3.2.3.3 Simetria helicoidal .............................................................................................................. 95
3.2.3.4 Estudos/dados empíricos .................................................................................................... 98
CAPÍTULO 4 – DSENVOLVIMENTO DE ESTRUTURAS BIOMIMÉTICAS COM BASE EM
MATERIAIS FIBROSOS ................................................................................................................ 101
4.1 Seleção do caso de estudo ...................................................................................................... 101
4.1.1 Breve justificação do caso de estudo selecionado ............................................................... 101
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4.1.2 Descrição geral do estudo proposto..................................................................................... 101
4.2 Modelo físico laboratorial ...................................................................................................... 103
4.2.1 Seleção e execução da parede padrão e definição da fonte de calor ................................... 103
4.2.2 Elaboração das placas utilizadas na montagem do sistema ................................................. 106
4.2.2.1 Placas em Chapa Zincada ................................................................................................. 106
4.2.2.2 Placas em material compósito com fibra de juta .............................................................. 108
4.2.3 Aplicação e fixação dos revestimentos ............................................................................... 112
4.2.4 Seleção dos métodos experimentais .................................................................................... 112
4.2.4.1 Termopares ....................................................................................................................... 112
4.2.4.2 Câmara termográfica ........................................................................................................ 116
CAPÍTULO 5 – AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DA SOLUÇÃO BIOMIMÉTICA………..118
5.1 Análise e Discussão dos Resultados ....................................................................................... 118
5.1.1 Termopares .......................................................................................................................... 119
5.1.1.1 Resultados Obtidos ........................................................................................................... 119
5.1.1.2 Análise de resultados ........................................................................................................ 132
5.1.2 Câmara termográfica ........................................................................................................... 140
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES ..................................................................................................... 151
6.1 Conclusão geral ...................................................................................................................... 151
6.2 Previsão de estudos futuros .................................................................................................... 153
REFERÊNCIAS ............................................................................................................................... 155
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Bio - inspiração ................................................................................................................... 6
Figura 2 - Biónica ................................................................................................................................ 8
Figura 3 – Adaptação do modelo espiral do design ........................................................................... 11
Figura 4 - Princípios da biomimética ................................................................................................. 13
Figura 5 - Fibras de vidro ................................................................................................................... 15
Figura 6 - Fibras de colagénio ............................................................................................................ 16
Figura 7 - Concha de abalone ............................................................................................................ 16
Figura 8 - Mexilhões "colados" em rochas ........................................................................................ 17
Figura 9 - Filamentos de teia da aranha ............................................................................................. 17
Figura 10 - Efeito lótus ...................................................................................................................... 18
Figura 11 - Plástico auto-regenerador ................................................................................................ 19
Figura 12 - Edifício de Eastgate Center em Harare no Zimbabué ..................................................... 19
Figura 13 - Barbatanas da baleia jubarte/Turbinas eólicas ................................................................ 21
Figura 14 - Pulmões humanos versos sequestro de CO2 .................................................................... 21
Figura 15 - Sistema de camadas extremas do urso polar ................................................................... 22
Figura 16 - Pavilhão do urso polar ..................................................................................................... 23
Figura 17 - Isolamento em parede dupla ............................................................................................ 24
Figura 18 - Conforto térmico ............................................................................................................. 26
Figura 19 – Aclimatização ................................................................................................................. 28
Figura 20- Mecanismos de transferências de calor ............................................................................ 29
Figura 21 – Representação das faixas do espectro eletromagnético .................................................. 30
Figura 22 – Radiação registada pelo sensor de imagem térmica (Emissão, Reflexão e Transmissão)
............................................................................................................................................................ 31
Figura 23 - Isolamento de paredes ..................................................................................................... 34
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Figura 24 – Ilustração de um material compósito .............................................................................. 35
Figura 25 – Classificação de compósitos ........................................................................................... 35
Figura 26 - Origem dos materiais compósitos ................................................................................... 36
Figura 27 - Classificação dos compósitos .......................................................................................... 36
Figura 28 - Tipos de materiais compósitos ........................................................................................ 40
Figura 29 – a) Planta de juta, b) Extração da planta de juta e c) Juta já extraída da planta ............... 41
Figura 30 - Quadro-resumo acerca das fibras naturais ...................................................................... 42
Figura 31 – Faisão-australiano (Leipoa ocellata) .............................................................................. 44
Figura 32 - Ninho de aves .................................................................................................................. 45
Figura 33 - Numbat (Myrmecobius fasciatus) ................................................................................... 45
Figura 34 – Golfinhos ........................................................................................................................ 46
Figura 35 – Planta com termostato interno ........................................................................................ 47
Figura 36 - Besouro-hércules ............................................................................................................. 47
Figura 37 – Renas polares .................................................................................................................. 48
Figura 38 – Carneiro merino .............................................................................................................. 49
Figura 39 - Famílias de pinguins ....................................................................................................... 49
Figura 40 - Pinguim imperador .......................................................................................................... 50
Figura 41 - Pinguim-de-adélia ........................................................................................................... 51
Figura 42 - Formiga de madeira do sul .............................................................................................. 52
Figura 43 – Inclinação dos ninhos ..................................................................................................... 52
Figura 44 – Vasos sanguíneos das orelhas dos coelhos ..................................................................... 53
Figura 45 - Raposa-do-deserto ou feneco .......................................................................................... 53
Figura 46 - Raposa-do-ártico ............................................................................................................. 54
Figura 47 - Catos globulares no desfiladeiro do rio Virgin no noroeste de Arizona ......................... 55
Figura 48 - Incidência solar nos catos ................................................................................................ 55
Figura 49 - Análise térmica: a) estrutura sem proteção; b) estruturas com nervuras; c) estrutura com
espinhos .............................................................................................................................................. 56
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Figura 50 – Euphorbia ....................................................................................................................... 57
Figura 51 - Árvore do quiver ............................................................................................................. 57
Figura 52 - Árvore do quiver ............................................................................................................. 58
Figura 53 - Gazela-de-thomson ......................................................................................................... 58
Figura 54 – Vidoeiro .......................................................................................................................... 59
Figura 55 – Caracol do deserto .......................................................................................................... 60
Figura 56 – Cactáceas ........................................................................................................................ 68
Figura 57 - Saguaro (Carnegiea gigantea) ........................................................................................ 70
Figura 58 – Aréolas, espinhos e pelos/ramificações .......................................................................... 71
Figura 59 – Córtex ............................................................................................................................. 72
Figura 60 – Córtex ............................................................................................................................. 72
Figura 61 - Raízes superficiais dos catos saguaro .............................................................................. 73
Figura 62 - Cristas desenvolvidas em catos saguaro.......................................................................... 73
Figura 63 – Localização dos dois parques estudados ........................................................................ 75
Figura 64 - Incidência solar ............................................................................................................... 76
Figura 65 – Ficha-resumo das características do pinguim imperador ............................................... 81
Figura 66 – Estrutura das penas do pinguim imperador .................................................................... 82
Figura 67 – Distribuição das penas do pinguim imperador ............................................................... 83
Figura 68 - Adaptação da plumagem saudável de um pinguim ......................................................... 83
Figura 69 - Adaptação das falhas de plumagem de um pinguim ....................................................... 84
Figura 70 – Amontoamento de pinguins ............................................................................................ 85
Figura 71 – Adaptação das imagens térmicas dos pinguins imperadores .......................................... 86
Figura 72 – Diversidade de moluscos ................................................................................................ 89
Figura 73 – Adaptação de uma concha retorcida no sentido horário ................................................. 90
Figura 74 – Corpo do caracol ............................................................................................................. 91
Figura 75 – Sphincterochila prophetarum ......................................................................................... 93
Figura 76 - Sphincterochila boissieri ................................................................................................. 93
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Figura 77 - Exemplo de um epiphragm (Helix pomatia) ................................................................... 94
Figura 78 – Principio biológico do caracol no deserto ...................................................................... 95
Figura 79 - Exemplos de conchas univalves ...................................................................................... 95
Figura 80 – Modelo matemático da espiral do caracol ...................................................................... 96
Figura 81 - Modelo matemático da espiral do caracol ....................................................................... 97
Figura 82 – Representação geométrica da proporção áurea .............................................................. 97
Figura 83 – Protótipo baseado na forma do caramujo ..................................................................... 100
Figura 84 – Esquema da solução implementada .............................................................................. 100
Figura 85 – Ilustração de um exemplo de cato ................................................................................ 102
Figura 86 – Ilustração das nervuras dos catos.................................................................................. 102
Figura 87 – Ilustração de um sistema com estrutura de lâminas ..................................................... 103
Figura 88 - Representação esquemática da parede modelo referida ................................................ 104
Figura 89 - Composição da argamassa utilizada .............................................................................. 104
Figura 90 - Representação dos lados exterior e interior da parede em questão ............................... 104
Figura 91 – Execução/montagem da parede padrão ........................................................................ 105
Figura 92 – Componente de auto expansão: Soudafoam 1K B3 ..................................................... 105
Figura 93 – Fonte de calor ............................................................................................................... 106
Figura 94 - Fita adesiva Silver Tape ................................................................................................ 107
Figura 95 - Sika® Aktivator-205 ..................................................................................................... 107
Figura 96 – União entre placas através de fita adesiva .................................................................... 108
Figura 97 – Sistema com estrutura de lâminas de aço com possibilidade de variar o ângulo entre si
.......................................................................................................................................................... 108
Figura 98 – Resina SUPER SAP CLR/CLF-CLS ............................................................................ 109
Figura 99 – Tecido de “Juta 12 onças” ............................................................................................ 110
Figura 100 – Desmoldante Hi-Low Paste Wax: 1000P ................................................................... 110
Figura 101 – Impregnação de fibras ................................................................................................ 111
Figura 102 - Cura do compósito ...................................................................................................... 111
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Figura 103 – Material compósito com estrutura de lâminas ............................................................ 112
Figura 104 - NI cDAQ-9174 conectado com o computador ............................................................ 113
Figura 105 - LabVIEW System Design Software 2012 .................................................................... 113
Figura 106 – Termopar tipo K ......................................................................................................... 114
Figura 107 - NI cDAQ-9174 ............................................................................................................ 114
Figura 108 - Betume à base de resina de poliéster e catalisador ...................................................... 115
Figura 109 - Fixação dos sensores referentes à temperatura ambiente e à fonte de calor ............... 115
Figura 110 – Fixação dos sensores na parede interior e exterior ..................................................... 115
Figura 111 - Fixação dos sensores no revestimento em chapa zincada e em material compósito de
fibras de juta ..................................................................................................................................... 116
Figura 112 - Fixação dos sensores no revestimento em chapa zincada e em material compósito de
fibras de juta ..................................................................................................................................... 116
Figura 113 – Máquina termográfica: Testo 876 ............................................................................... 117
Figura 114 – Resultados do ensaio relativo à parede padrão com incidência de calor a 0 (A0) ... 120
Figura 115 – Resultados do ensaio relativo ao revestimento em chapa zincada lisa (0) com fonte de
calor a 0 (B0).................................................................................................................................. 120
Figura 116 – Resultados dos ensaios referentes ao revestimento em chapa zincada a 15 com fonte de
calor a 0 (C0).................................................................................................................................. 121
Figura 117 - Resultados referentes revestimento em chapa zincada a 45 com fonte de calor a 0 (D0)
.......................................................................................................................................................... 122
Figura 118 - Resultados referentes ao revestimento em fibra lisa (0) com fonte de calor a 0 (E0)
.......................................................................................................................................................... 123
Figura 119 - Resultados correspondente ao revestimento em fibra a 15 com fonte de calor a 0 (F0)
.......................................................................................................................................................... 124
Figura 120 - Resultados referentes ao revestimento em fibra a 45 com fonte de calor a 0 (G0) . 125
Figura 121 - Resultados referentes à parede padrão com fonte de calor a 45 (A45) ...................... 126
Figura 122 - Resultados referente ao revestimento em chapa zincada lisa (0) com fonte de calor a
45 (B45) .......................................................................................................................................... 127
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Figura 123 - Resultados referentes ao revestimento em chapa zincada a 15 com fonte de calor a 45
(C45) ................................................................................................................................................. 128
Figura 124 – Resultados referentes ao revestimento em chapa zincada a 45 com fonte de calor a 45
(D45) ................................................................................................................................................ 129
Figura 125 – Resultados referentes ao Revestimento em fibra lisa (0) com fonte de calor a 45 (E45)
.......................................................................................................................................................... 130
Figura 126 – Resultados referentes ao revestimento em fibra a 15 com fonte de calor a 45 (F45)
.......................................................................................................................................................... 131
Figura 127 – Resultados referentes ao revestimento em fibra a 45 com fonte de calor a 45 (G45)
.......................................................................................................................................................... 132
Figura 128 - Tempo de estabilização em horas c/ fonte de calor frontal ......................................... 133
Figura 129 - Percentagem de dissipação de calor c/ fonte de calor frontal ..................................... 134
Figura 130 - Aumento de temperatura na face interior da parede c/ fonte de calor frontal ............. 135
Figura 131 - Tempo de estabilização em horas c/ fonte de calor inclinada ..................................... 136
Figura 132 - Percentagem de dissipação de calor c/ fonte de calor inclinada ................................. 137
Figura 133 - Aumento de temperatura na face interior da parede c/ fonte de calor inclinada ......... 138
Figura 134 - Termograma da parede padrão na face exterior e interior .......................................... 140
Figura 135 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada lisa e da face interior da parede
correspondente ................................................................................................................................. 141
Figura 136 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 15° e da face
interior da parede correspondente .................................................................................................... 142
Figura 137 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 45° e da face
interior da parede correspondente .................................................................................................... 142
Figura 138 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso e da face interior da
parede correspondente ...................................................................................................................... 143
Figura 139 - Termograma do revestimento exterior em material compósito com estrutura de 15° e da
face interior da parede correspondente ............................................................................................ 144
Figura 140 - Termograma do revestimento exterior em material compósito com estrutura de 45° e da
face interior da parede correspondente ............................................................................................ 144
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Figura 141 - Termograma da parede padrão na face exterior e interior .......................................... 145
Figura 142 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada lisa e da face interior da parede
correspondente ................................................................................................................................. 146
Figura 143 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 15° e da face
interior da parede correspondente .................................................................................................... 146
Figura 144 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 45° e da face
interior da parede correspondente .................................................................................................... 147
Figura 145 - Termograma do revestimento exterior material compósito liso e da face interior da
parede correspondente ...................................................................................................................... 148
Figura 146 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso com estrutura de 15°
e da face interior da parede correspondente ..................................................................................... 148
Figura 147 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso com estrutura de 45°
e da face interior da parede correspondente ..................................................................................... 149
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
xx
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
xxi
ÍNDICE DE QUADRO
Quadro 1 - Identificação de isolamentos térmicos ............................................................................. 32
Quadro 2 - Polímeros termoplásticos versus termoendurecíveis ....................................................... 37
Quadro 3 - Características dos seres-vivos apresentados ................................................................... 60
Quadro 4 - Classificação científica dos catos saguaro ....................................................................... 70
Quadro 5 - Classificação científica do pinguim imperador ............................................................... 79
Quadro 6 - Classificação científica da espécie Sphincterochila prophetarum .................................. 92
Quadro 7 - Classificação científica da espécie Sphincterochila boissieri ......................................... 92
Quadro 8 – Características da chapa zincada ................................................................................... 106
Quadro 9 - Propriedades de compósito de juta ................................................................................ 111
Quadro 10 - Ensaios realizados ........................................................................................................ 118
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
xxii
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
1
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÂO
1.1 Enquadramento
As alterações climáticas e o aquecimento global são cada vez mais uma ameaça atual, sendo o
setor da construção um dos principais responsáveis por esta problemática global. A mesma,
reflete-se assim, em impactos económicos, sociais e ambientais, em que, as tendências atuais
comprovam potenciais pontos de rutura, na capacidade dos ecossistemas prestarem os seus
serviços essenciais.
Estas constantes alterações do ambiente devem-se ao progressivo consumo de energia, aliado à
utilização crescente de tecnologias de climatização.
Face a esta problemática, diversos países estão a aplicar medidas a fim de reduzirem os
principais focos responsáveis pelas emissões poluentes, nomeadamente, regulamentação das
normas na eficiência energética e de emissão de gases, programas de promoção ao investimento
na sustentabilidade, assim como, impostos sobre o carbono ou energia (CM-Matosinhos, 2012).
Esta preocupante situação não se trata apenas de uma questão ambiental, mas sim também de
uma questão social, em que se verifica uma crescente necessidade de conforto térmico, por
parte dos utilizadores de edifícios. Isto significa que, a primeira medida atrás referida, decorre
principalmente do baixo nível de conforto oferecido pela maioria dos edifícios, do aumento das
exigências de conforto por parte dos utilizadores das habitações e do aumento da sua capacidade
económica.
Neste contexto, pode referir-se que as normas de conforto da sociedade têm evoluído
simultaneamente com a crescente necessidade de eficiência energética e redução de consumo
de energia. No decorrer desta preocupação, várias estratégias têm sido implementadas no setor
de construção até aos dias de hoje, destacando-se como essencial a reabilitação de edifícios
existentes com aplicação de técnicas construtivas eficientes e amigas do ambiente. Assim, de
modo a atingir-se o conforto desejado sem comprometer o ambiente natural envolvente, pode,
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
2
por exemplo, reabilitar-se termicamente envidraçados (isolamento térmico e redução de
infiltrações de ar não controlado) e acusticamente (caixilharia metálica com vidro duplo e
colocação de material absorvente sonoro na caixa de ar) e aplicar materiais de isolamento
térmico (em fachadas, pavimentos e coberturas) e acústico (em pavimentos e coberturas).
No âmbito da reabilitação térmica de edifícios, torna-se fundamental recorrer-se a ideias e
técnicas naturais passivas, que conduzam a uma maior sustentabilidade.
Face à anunciada carência de sustentabilidade atual, o Homem tem necessidade de olhar para a
natureza, perceber como esta trabalha e imitá-la no desenvolvimento de novas tecnologias e
soluções sustentáveis mimetizadas pela natureza. Esta necessidade explica-se pelo simples fato
de que a natureza aprendeu, ao longo da sua existência, a produzir estruturas multifuncionais e
eficientes, o que a torna certamente o melhor engenheiro de produção, funcionando como um
ótimo instrutor para engenheiros e cientistas (Malshe et al., 2013).
1.2 Objetivos
Apesar do Homem usufruir de numerosos conhecimentos acerca de técnicas naturais, este ainda
não tem um domínio total sobre a natureza, pelo que a mesma se apresenta superior ao
conhecimento tecnológico, no que se refere à quantia abundante de estruturas com parâmetros
otimizados. Neste sentido, o Ser Humano ainda tem um longo caminho a percorrer, até igualar
as suas tecnologias científicas às chamadas técnicas naturais que a Natureza possui. Este estudo
pretende ser um contributo nesse sentido.
Seguindo esta linha introdutória, pode justificar-se o presente trabalho, apontando como
objetivo principal o desenvolvimento de uma solução para reabilitação de edifícios com base
em materiais fibrosos a partir de conceitos biomiméticos. Assim, pretende-se estudar a forma
como diversos seres vivos respondem à variação térmica do seu habitat a partir da sua estrutura
física, tentando mimetizar essa mesma numa outra fibrosa com bom desempenho térmico.
1.3 Metodologia adotada
Como referido anteriormente, com o presente trabalho pretende-se desenvolver uma solução
com bom desempenho térmico, a partir de materiais fibrosos com base em conceitos
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
3
biomiméticos. Para tal, a metodologia a levada a cabo no âmbito deste trabalho seguiu os
princípios da metodologia da biomimética incluindo:
i. Delimitação do âmbito – Numa primeira fase, efetuou-se a revisão bibliográfica do
estado da arte no domínio da biomimética. Esta análise bibliográfica incluiu a origem,
definição, princípios, vantagens e limitações do conceito, assim como, a sua
aplicabilidade no desenvolvimento de soluções de engenharia (construções, materiais e
energias) e ainda a abordagem de conceitos relacionados.
ii. Descoberta de modelos naturais - Com base em estudos decorrentes da análise e
observação da natureza e das suas capacidades é apresentada, nesta fase, uma análise
extensiva dos vários recursos adotados pela mesma, assim como, são sugeridos
possíveis aplicações dos mesmos em diversas áreas. É ainda apresentada uma seleção e
respetiva justificação, de três seres naturais que recorrem apenas a soluções sustentáveis
para sobrevivência. Para uma maior facilidade na identificação de tais sistemas contou-
se, nesta fase, com a colaboração do Departamento de Biologia da Universidade do
Minho.
iii. Criação novas soluções – Nesta terceira fase foram definidas estratégicas para a
obtenção de uma solução com bom desempenho térmico, a partir de materiais fibrosos
com base em ideias naturais. Para tal, foi selecionado o caso de estudo (catos do
deserto), assim como, foi definido o planeamento experimental, com determinação dos
materiais (compósito em fibra de juta combinada com matriz epóxida e chapa zincada)
e equipamentos necessários (termopares e máquina termográfica). Foram também
previstos os ensaios a realizar, por intermédio dos equipamentos selecionados. Ainda
nesta fase, é apresentada a criação da estrutura de lâminas com diferentes inclinações e
materiais.
iv. Avaliação da eficiência das soluções criadas – Na presente fase, analisou-se o
desempenho térmico da solução criada, tendo por base o comportamento do sistema
biológico mimetizado. Por fim, foi efetuada uma análise crítica do estudo realizado,
bem como, são apresentadas sugestões de possíveis trabalhos futuros, por forma a
complementar outros já existentes.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
4
1.4 Estrutura do trabalho
De forma a alcançar os objetivos estipulados e para uma melhor organização do trabalho,
adotou-se a metodologia referida no ponto anterior, a qual resultou na disposição de 6 capítulos
que constituem o presente documento.
No capítulo 1 apresenta-se o enquadramento com a identificação do problema, seguindo-se os
objetivos estipulados e ainda a metodologia e a estrutura do trabalho.
No capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica de trabalhos de investigação no âmbito,
da ciência biomimética, assim como, são abordados todos os conceitos teóricos associados à
realização deste trabalho, incluindo a origem da biomimética, os seus princípios e
características, as suas vantagens e limitações e ainda a suas aplicações. São também referidos,
os padrões de conforto da sociedade (conforto térmico e acústico), os mecanismos de
transferências de calor e ainda a distinção entre conceito de adaptação e aclimatização. Por fim,
é ainda abordado o tema referente aos materiais compósitos.
No capítulo 3 é apresentada uma análise extensiva dos vários recursos adotados pela natureza,
assim como, são sugeridos possíveis aplicações dos mesmos em soluções de materiais nas
diversas áreas. É ainda apresentada uma seleção e respetiva justificação, de três seres naturais
que recorrem apenas a soluções sustentáveis para sobrevivência.
No capítulo 4 é efetuada uma descrição detalhada da metodologia experimental proposta, onde
é exposto todo o desenvolvimento dos materiais sugeridos. Apresenta-se assim, a descrição
detalhada dos materiais, métodos e equipamentos utilizados, assim como, do desenvolvimento
do material compósito reforçado com fibra natural e da solução biomimética considerada
(sistema com estrutura de lâminas).
No capítulo 5 é realizada a avaliação do desempenho da solução e materiais propostos, por
intermédio da análise e interpretação dos resultados obtidos em cada ensaio. São ainda descritos
os ensaios realizados, assim como, apresentados os resultados obtidos pelos mesmos e as
possíveis justificações.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
5
Finalmente, no capítulo 6, abordam-se as principais conclusões retiradas pelo trabalho
desenvolvido e ainda são sugeridos alguns trabalhos futuros, de forma a complementar
trabalhos já existentes.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
6
CAPÍTULO 2 – ESTADO DE ARTE
2.1 Biomimética
Quando observamos o que é verdadeiramente sustentável, verificamos que o mundo natural é
o único modelo real que realmente trabalhou durante longos períodos de tempo (Benyus, 2009).
2.1.1 Origem do Conceito
“Depois de 3.8 Biliões de anos de investigação e desenvolvimento, as falhas são fósseis e o que
nos rodeia é o segredo para sobreviver” (Agenda Sustentável, 2009).
“Os seres humanos sempre olharam à sua volta e aprenderam com as criaturas em torno
deles” (Bessi, 2013). Assim, biomimetismo é um conceito com raízes profundas no
conhecimento humano, pelo que este tem acompanhado, desde cedo, a evolução humana. As
formas encontradas na natureza, ao longo dos anos, oferecem uma fonte rica em ideias a ser
aplicadas em diversas áreas de estudo (Figura 1).
Figura 1 - Bio - inspiração (Nova Escola, 2012)
Considerar a natureza como fonte de inspiração justifica-se facilmente pela capacidade da
natureza em sobreviver ao longo de milhares de anos através da sua constante adaptação às
condições do seu meio, recorrendo a recursos naturais de forma tão eficaz e eficiente. Posto
isto, vários estudos têm sido realizados com o intuito de compreender melhor este fenómeno,
de forma a encontrar a metodologia mais adequada a gozar ao máximo das suas caraterísticas
potenciais.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
7
Sendo considerado um dos pioneiros e das mais importantes contribuições para a criação deste
mesmo conceito, Thompson (1945) afirma que grande parte dos desenvolvimentos científicos
devem-se principalmente à observação da Natureza e aos seus contributos (Salgado, 2013).
Em 1957, Otto Schmitt, um engenheiro biomédico na Universidade de Minnesota e inventor
norte-americano, trabalhou em dispositivos cuja inspiração parte da natureza e é desenvolvido
no campo da biofísica (Salgado, 2013). Em 1961, a biologia é considerada, no trabalho
“Synectics” de Gordon, como uma fantástica fonte para imitação por parte do ser humano em
conseguir satisfazer as suas necessidades. Em 1969, num dos seus trabalhos de investigação
apresentados em congressos acerca da Biofísica, Schmitt, usa pela primeira vez o termo
"biomimética", descrevendo-a como a transferência de ideias da biologia para a tecnologia. Em
1958, Jack E. Steele, pesquisador americano ligado a indústria aeronáutica, cunhou um termo
similar chamado "biónica", definindo-o como a ciência que conjuga a biologia e a eletrónica.
Contudo, só em 1997, aquando do lançamento do livro “ Biomimicry – Innovation Inspired On
Nature” da escritora norte-americana, Janine Benyus, o biomimetismo é promovido como um
forte potencial de imitação no desenvolvimento de diversas áreas de estudo (Benyus, 1997).
Neste contexto, Janine Benyus chega mesmo a referir que: “Biomimética não é um estilo de
construção, nem um produto de design identificável. É, antes, um processo que permite
encontrar soluções de design através de um organismo local de um ecossistema que é o
campeão nessa função” (Benyus, 1997).
2.1.2 Conceito e objetivos
Os seres vivos conseguiram, desde cedo, transformar os recursos disponibilizados pela
Natureza em habitats sustentáveis, com estabilidade térmica e sem impactos negativos no ciclo
de vida do seu meio. Neste sentido, os seres vivos têm criado condições agradáveis para a sua
sobrevivência sem recorrer a combustíveis fósseis não comprometendo, desta forma, o seu
futuro (Benyus, 1997).
“Durante os seus 3.8 biliões de anos de existência, a Natureza conseguiu desenvolver-se,
adaptar-se, evoluir, sobrevivendo assim ao longo dos tempos. Esta possui um conjunto
diversificado de formas, estruturas, sistemas, padrões e até cores, que funcionam e coexistem
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
8
em harmonia, que podem servir de orientação para resolução de problemas. A esta inovação
dá-se o nome de biomimética, uma disciplina que pretende utilizar a vida (“bios”) como fonte
de imitação (“mimesis”) para desenvolver/reformular de forma sustentável os produtos e
objetos em todo o seu ciclo de vida atuais” (Fernandes, 2013). Em 2006, Waht afirma que
biónica e biomimetismo apresentam abordagens distintas referentes ao “design e natureza”
(Santos, 2009).
Apesar da ideia central ser naturalmente a Natureza, é de salientar a importância da distinção
entre biomimética e biónica (Barbos, 2008). Num passado próximo, ambas as terminologias
significaram a mesma coisa (derivada da palavra biotécnica), contudo, hoje em dia são
disciplinas bastante diferentes, cujo fundamento remete para a mesma base. Enquanto a
biomimética tenta imitar da melhor forma a Natureza, a biónica recria-se através da eletrónica,
como é o caso da recriação de membros artificiais (Figura 2) para os seres humanos e animais
(Fernandes, 2013). Pode assim apontar-se, o design, a arquitetura, a química, as engenharias e
a computação como algumas das áreas que atualmente detêm interesse no estudo desta última
(Barbos, 2008).
Figura 2 - Biónica (Júnior, 2012)
Agora sejamos claros. São Inúmeros os objetos biomiméticos que fazem parte do quotidiano
sem que nos apercebamos e não há forma de separar o Homem da cultura material, nem essa
poderá ser a solução para o problema. No entanto, existe uma forma de tornar essa cultura
material mais sustentável, pensando no presente e no futuro do meio ambiente. Para tal é
fundamental recorrer à biomimética, com intuído de satisfazer as necessidades diárias do ser
humano, sem comprometer o futuro do meio envolvente (Fernandes, 2013).
Assim, é ainda de salientar que o biomimetismo se apresenta como a “Terceira Grande
Revolução Humana”. Esta mesma afirmação surge no decorrer da conferência de imprensa pelo
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
9
espanhol Jorge Wagensberg, a investigadora norte-americana Janine Benyus, impulsionadora
do Biomimetismo, e o empresário belga Gunter Pauli, fundador da empresa Zero Emissions
Research and Initiatives, com sede no Japão. Wagensberg chega mesmo a referir que, estas
investigações são apenas possíveis graças à nanotecnologia, que proporciona imagens precisas
e vitais para os cientistas. Assim, e de acordo com a sua opinião, esta nova forma inspiradora
baseada na natureza e na sua adaptação, pode mesmo significar o início da uma terceira
revolução humana (Wagensberg et al., 2008).
Deste modo, pode então considerar-se biomimetismo, como um potencial da Natureza,
facilmente ao alcance do Homem e da sua criatividade, que permite aproximar as ciências
criadas pelo Homem à Natureza, utilizando-a como uma importante fonte de inovação. A
mesma, trata-se de identificar as aplicações que a natureza desenvolveu ao longo de milhões de
anos e que podem ser agora utilizados pelo Homem, de modo a tornar o planeta mais sustentável
e saudável.
2.1.3 Caraterísticas e Vantagens
A Natureza sempre foi vista como uma fonte de inspiração para o Homem, no entanto, face à
sua diversidade e abundância de mecanismos e capacidades exclusivas, a mesma nem sempre
tem sido totalmente compreendia e aproveitada. Com evolução da humanidade, esta tem vindo
cada vez mais a aproximar-se da Natureza, nunca descartando a importância da mesma para a
vida na terra. Assim, são várias as vantagens em usufruir da ciência biomimética, graças às
características presentes no mundo natural.
Deste modo, são várias a investigações realizadas neste sentido, pelo que se destacam, em
seguida, algumas das caraterísticas vantajosas na observação de ideais da Natureza:
Os organismos biológicos são eficientes na utilização dos recursos naturais, dado que
usam o mínimo para a sua sobrevivência (Salgado, 2013).
O biomimetismo e todos os conceitos associados ao mesmo, são considerados grandes
fontes de criatividade e inovação para o Homem (Salgado, 2013).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
10
Os sistemas biológicos têm a capacidade de se adaptar a processos, como a evolução e
a autorregulação, funcionando com ciclos de feedback (Salgado, 2013).
Os princípios de design, por parte dos seres vivos, estão relacionados com as
propriedades dos materiais, princípios físicos e eficiência energética, ao contrário do
Homem, cujos seus projetos estão voltados maioritariamente para a estética (Salgado,
2013).
Capacidade de automontagem e grande precisão nos processos de produção biológicos,
sendo bem mais eficientes que os processos de produção criados pelo Homem, apesar
de exigirem níveis de energia e materiais mínimos (Salgado, 2013).
Os seres vivos respeitam o ecossistema em que habitam, compreendendo deste modo a
importância da manutenção desse habitat para a continuidade das suas espécies
(Benyus, 1997).
Os sistemas naturais apresentam elevada tolerância, sendo capazes de funcionar num
intervalo vasto de condições, quando comparados com os sistemas criados pelo Homem
(Salgado, 2013).
Sistemas naturais tem a capacidade de produzir os seus materiais à temperatura
ambiente e à pressão atmosférica, estando as suas estruturas aptas a realizarem vastas
tarefas (Salgado, 2013).
Os sistemas naturais são caracterizados por uma rede de interações que permitem alcançar um
equilíbrio entre todos os intervenientes e desta forma satisfazer as necessidades de cada um sem
afetar o funcionamento do sistema, permitindo assim a sua continuidade. Trata-se de uma
característica essencial que permite o seguimento e progresso dos mesmos sistemas, através de
uma abordagem direcionada para o seu equilíbrio.
Neste sentido, é correto afirmar que a Natureza é produto de milénios de evolução e
aperfeiçoamento que permitem a existência de um número ilimitado de soluções inovadoras e
eficientes.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
11
2.1.4 Princípios e Metodologias de aplicação
Biomimética é uma ciência que apesar de recente, se destaca pelo seu elevado potencial em ser
guia na evolução, contudo o seu crescente sucesso está intrinsecamente relacionado e
dependente de metodologias/processos de aplicação desenvolvidos.
Atualmente existem diversos métodos abordados, no sentido de auxiliar e guiar, em direção de
uma gradual inovação. De entre as várias abordagens referidas por célebres investigadores,
destaca-se o processo de inovação nesta área, designado por espiral do design (Figura 3),
desenvolvido por Janine Benyus e Dayna Baumeister (Biomimicry 3.8, n.d.b).
Figura 3 – Adaptação do modelo espiral do design (Biomimicry 3.8, n.d.b)
Este processo de inovação tem por base quatro princípios fundamentais, nomeadamente:
delimitação do âmbito, descoberta, criação e avaliação.
Neste sentido, considera-se a delimitação do âmbito a primeira etapa a desenvolver, tratando-
se a mesma da definição de um contexto, em que são identificados as necessidades ou
problemas a ser solucionados, tendo por base a integração dos princípios da vida. Assim, são
agrupadas todas as especificações referentes ao problema, desde intervenientes até onde será
aplicada a solução.
A descoberta de modelos naturais, recorrendo à observação da natureza e das suas capacidades,
permite a definição de estratégias baseadas em ideias naturais. Trata-se de analisar a natureza e
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
12
encontrar resposta a uma importante questão “Como a Natureza soluciona ou não este
problema?” (Fangueiro, 2009).
Após a compreensão da Natureza e dos fenómenos a si associados, pode-se dar asas à
criatividade, com a criação de ideias geniais a serem implementadas como princípios de design.
Assim sendo, a chamada criação passa por determinar soluções estratégias ou princípios que
permitam a resolução dos problemas em questão.
De modo a testar a viabilidade dos princípios determinados, é aplicado numa última etapa, os
conhecimentos adquiridos, sendo posteriormente avaliados, de forma a comparar a solução com
o modelo da Natureza, identificando novos campos de exploração para futuras questões a
resolver.
Seguindo estas etapas, é possível prever um conjunto de técnicas inovadoras baseadas em
conceitos naturais, tornando possível a conceção de novos produtos ligados a áreas da
engenharia, arquitetura e materiais.
Após décadas de estudos desenvolvidos na área, as ecologias tem compreendido as semelhanças
entre os vários sistemas interligados e como diz Janine Benyus, “existem duas formas de fazer
biomimética. Uma passa por partir de um desafio de design e explorar um modelo biológico
capaz de realizar a função desejada e a outra trata-se de observar um fenômeno interessante
do mundo natural e analisar aplicações para ele” (John, 2014).
Ao longo seu livro sobre biomimetismo, a investigadora norte-americana aborda a importância
de estratégias e princípios da Natureza, destacando uma cânone de leis naturais (Figura 4) das
quais o Homem pode tirar partido.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
13
Figura 4 - Princípios da biomimética (Biomimicry 3.8, n.d.c)
“Os Princípios da vida são lições de design na Natureza” (Biomimicry 3.8, n.d.c).
Tendo por base a ideia fundamental de que a vida na Terra está interligada e interdependente e
submetida a um mesmo conjunto de condições para o correto funcionamento, a vida evoluiu
num integrado de estratégias que sustentaram mais de 3.8 Bilhões de anos. Assim, estes
princípios representam esses mesmos padrões encontrados entre as espécies, de forma a
sobreviver e prosperar na Terra. A vida tem a importante função de integrar e otimizar as
estratégias, criando condições propícias à vida na Terra e ao aprender com estas lições de
design, podemos modelar estratégias inovadoras orientadas pelo génio da Natureza, usando os
princípios da vida como ideais fundamentais (Biomimicry 3.8, n.d.c).
2.1.5 Limitações presentes na biomimética
Com o passar dos anos o Homem tem aprendido muito com a natureza e suas características,
pelo que foi criando estratégias para as poder implantar em produtos artificiais. Ainda assim,
apesar das estratégias de design disponíveis no momento, este conceito de design ainda é um
grande desafio a ser explorado.
Sendo, os processos de projeto de engenharia, arquitetura, materiais e ciências naturais,
distintos pela sua complexidade e de maneira a evitar uma relação superficial entre os mesmos,
é crucial ressaltar algumas das limitações presentes nestas abordagens.
Adaptação às alterações de
condições
Estar em harminia e sintonia com o
espaço
Uso favorável da quimica
Ser eficiente no uso de recursos
(Materiais e Energia)
Integrar o desenvolvimento
e crescimento
Evoluir para sobreviver
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
14
Uma das limitações passa pela seleção de uma metodologia de projeto sistemática, capaz de
identificar estratégias e mecanismos relevantes. Assim, definição de um método de estudo único
funcionará como uma ferramenta fundamental para a concretização de estratégias abordadas.
Neste sentido, a determinação de uma metodologia auxilia na observação da Natureza,
permitindo a identificação de analogias da biologia, que possuem um peso significativo para os
designers interessados em aplicá-las. Para tal, é fundamental uma linguagem próxima do
ambiente natural, permitindo ao Homem compreender melhor a natureza, de modo a produzir
uma imitação mais eficiente e eficaz.
Apesar da evidente evolução de tecnologias, ainda hoje se verifica uma lacuna no que se refere
à informação disponível, tecnologias e pessoal especializado na área, capaz de desempenhar
um papel tão eficiente como a Natureza.
Neste contexto, destaca-se o estudo de Nagel e Stone (2009), que apontam para a grande
distância entre a engenharia e a biologia, designada por “desfiladeiro” (Salgado, 2013). Esta
distância levanta obstáculos no seguimento do biomimetismo, pelo que exige ao investigador
um maior esforço e tempo disponibilizado, no sentido de compreender melhor este fenómeno
e de definir a forma mais eficaz de os aplicar. Para além da distância, um dos grandes dilemas
passa pela restrição de materiais e tecnologias disponíveis, quando comparadas com a gama
empregada pela Natureza.
Deste modo, “Aprender como um organismo se mantém quente ou como ele reticula os
resíduos é muitas das vezes a parte mais fácil, uma vez que isto tem sido feito pelo biólogo, no
entanto, torna-se difícil de implementar integralmente estas estratégias quando se está restrito
às capacidades tecnológicas contemporâneas” (Rankouhi, 2012).
Assim, pode mesmo afirmar-se que “um tal panorama mostra até que ponto o exponencial
crescimento tecnológico da civilização humana, está longe de conseguir replicar a perfeição
dos sistemas naturais, sendo que nunca como agora estivemos tão perto de perceber as
vantagens intrínsecas dos mesmos” (Torgal & Jalali, 2011).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
15
Atualmente, existe um grande interesse na conceção de novos materiais que imitam as
propriedades e características particulares da Natureza, pelo que a teoria do biomimetismo e o
design bio-inspirado, geram conceitos de sistema naturais e apresentam um forte potencial na
criação de novos tipos de materiais sustentáveis.
Neste sentido, evidenciam-se seguidamente, alguns exemplos mais relevantes, pertencentes a
áreas importantes no estudo pretendido no âmbito deste trabalho.
2.2 Engenharia dos Materiais
Grande parte dos materiais existentes na natureza baseiam-se em compostos que resultam da
combinação de duas ou mais substâncias para formar uma nova, esta com propriedades
superiores aos componentes originários.
Introduzido como uma nova tecnologia no Séc.XX, os materiais compósitos vulgarmente
confundidos por fibra de vidro (Figura 5), são frequentemente usado em cascos de barcos e
materiais de desporto, assim como, em arcos e flechas. Este composto possui características
interessantes no campo da aplicação em materiais, tais como leveza, resistência e flexibilidade.
Figura 5 - Fibras de vidro (Fibrenamics, n.d.c)
Recentemente cientistas questionaram o motivo pela qual a pele do crocodilo é tão resistente à
perfuração por flechas, facas e, por vezes, balas. Num estudo de investigação, revelou-se que a
propriedade responsável por tal fenómeno é o colagénio, presente nos tecidos do crocodilo que
confere uma maior resistência aos mesmos. Harun Yahya refere mesmo que, a presença desta
substância nos humanos e animais desenvolve a resistência da sua pele, intestinos, cartilagens,
tendões e ossos (Yahya, 2006).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
16
Este é também o caso das baleias e golfinhos, cujo seu revestimento de gordura é constituído
por uma mistura complexa de fibras de colagénio (Figura 6).
Figura 6 - Fibras de colagénio (Funcional Fisico & Estética, 2011)
Outro exemplo interessante referido por este mesmo investigador, são os tendões (compostos
naturais), que ligam os músculos aos ossos, possuindo uma estrutura rija e firme graças às fibras
de colagénio que os geram.
Pode então verificar-se que, nos dias de hoje, a tecnologia usada nos cabos de aço de pontes
suspensas tem por inspiração base as estruturas naturais dos tendões presentes no corpo humano
(Yahya, 2006).
O caso como o da concha de abalone (Figura 7), permite ao Homem produzir um compósito
com resistência superior à dos cristais de carbonato de cálcio simples, presentes nas diversas
camadas da concha. Esta inovação permite assim, o desenvolvimento de materiais compósitos
mais amigos do ambiente (Torgal & Jalali, 2011).
Figura 7 - Concha de abalone (Torgal & Jalali, 2011)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
17
Um outro caso, trata-se de certos mexilhões (Figura 8) que conseguem produzir uma cola
natural, com elevada aderência as rochas submersas e cuja eficácia é superior as sintéticas. Esta
superioridade deve-se ao facto, das colas sintéticas apresentarem elevadas taxas de matérias
tóxicas, pelo que trabalhadores em contato com estes produtos exibem elevados sintomas de
desenvolvimento de alergias e cancro (Torgal & Jalali, 2011).
Figura 8 - Mexilhões "colados" em rochas (Américo, 2011)
Já o caso dos filamentos de teia da aranha (Figura 9) é algo surpreendente, pois até ao momento,
é um dos materiais mais resistentes que se conhece. Assim, pode referir-se que este filamento
é cinco vezes mais resistente que um aço para a mesma espessura, apresentando ainda as
vantagens de ser surpreendentemente leve, resistente, elástico e impermeável à água. Estas
mesmas características são verificadas individualmente em outros materiais, no entanto, estão
simultaneamente presentes nos filamentos da teia de aranha (Martins, 2012).
Figura 9 - Filamentos de teia da aranha (John, 2010)
Para além da aranha, existem igualmente os bichos-da-seda que em muito contribuíram para a
criação de fibras extrudidas (não-naturais) que, embora decorrentes de um processo diferente,
a teoria por detrás da tecnologia é semelhante à das fibras de carbono (Pellegrino, 2001).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
18
Este material serve então como base na criação de importantes materiais para a sociedade
(Martins, 2012).
A capacidade de autolimpeza é outra das muitas características encontradas nos sistemas
naturais, para a qual contribui em grande medida a sua microestrutura. Este é o caso da folha
da flor de lótus (Figura 10) que tem inspirado o Homem no desenvolvimento de materiais com
capacidade de autolimpeza, tais como tintas que repelem água e não se sujam. Assim, esta flor
tem dado lições importantes acerca da implementação do efeito de lótus. Neste sentido, Cassar
e Pepe, em 1997, patentearam um bloco para o pavimento com este efeito, porém o mesmo só
veio a ser aplicado anos mais tarde na igreja “Dives in Misericórdia”, em Roma (Torgal &
Jalali, 2011).
Figura 10 - Efeito lótus (Menzel, 2012)
Como último exemplo, realça-se a auto-reparação de plástico que poderá eventualmente reduzir
a quantidade de lixo.
Kunihiko Takeda, um investigador japonês, desenvolveu um plástico que tem a capacidade de
se auto-regenerar, passando a ideia de ser um “plástico com vida própria”. Assim, Takeda
chama a sua criação de “auto-reparador” e refere ainda que, quando alguém cria algo a ideia
base passa pela intenção de que este não se venha a quebrar. Isto é, tal como os seres vivos que
são capazes de se curar quando feridos, graças a mecanismos de proteção naturais, a sua ideia
foi desenvolver um material não vivo que poderia reparar-se como um ser vivo. Deste modo, o
plástico (Figura 11) tem uma duração de vida média de cinco anos, enquanto que o plástico
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
19
criado não se degradará por 20 ou 30 anos. Com isto, Takeda espera que a sua criação, em
muito, contribua para a redução de plásticos desperdiçados (Nipponia, 2002).
Figura 11 - Plástico auto-regenerador (Nipponia, 2002)
2.3 Arquitetura
S. Arslan e A. G. Sorguc referem que “as estruturas naturais são uma grande fonte de
inspiração para muitos arquitetos e engenheiros pois, para além de eficientes, leves e rígidas,
possuem grande capacidade de suporte de forças internas e externas de uma forma otimizada”
(Arslan & Sorguc, 2004). Neste sentido, segue-se um caso que evidencia claramente a
proximidade existente entre a biologia e a arquitetura.
Projetado por Mick Pearce, em pareceria com engenheiros da Arup Associates, o edifício de
Eastgate Center, em Harare, no Zimbabué (Figura 12), é considerado atualmente um dos
principais edifícios sustentáveis (Fangueiro, 2009).
Figura 12 - Edifício de Eastgate Center em Harare no Zimbabué (Biomimicry 3.8, n.d.a)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
20
Este edifício no Zimbabué apresenta uma estrutura de ventilação semelhante a uma espécie
designada por cupins (macrotermes). Apesar de não possuir um sistema de climatização, graças
a esta particularidade de construção, o edifício consegue manter a temperatura interna adequada
as necessidades dos utilizadores. Assim como as térmitas conseguem manter a temperatura dos
seus ninhos, independentemente da temperatura externa, com a incorporação deste sistema
pretende-se manter a temperatura em níveis confortáveis, sem recorrer a sistemas ativos de
climatização. Com base neste conhecimento foi possível criar um sistema, cujo calor gerado,
ao longo do dia, por equipamentos e pessoas é absorvido e mais tarde dissipado através de
canais incorporados na estrutura do edifício. Trata-se assim, de um processo contínuo até que
as temperaturas ideais para o dia seguinte sejam atingidas (Fangueiro, 2009).
Para além de um sistema de ventilação sustentável, Eastgate Center utiliza 90 por cento menos
de energia, quando comparado com um edifício convencional equivalente, pelo que a sua
implementação proporcionou uma economia de 3,5 milhões de dólares em custos com sistemas
ativos de climatização (Fangueiro, 2009).
2.4 Engenharia Civil e Energias Renováveis
A inspiração que a natureza providenciava no passado, era simplesmente utilizada no design
decorativo da arquitetura, diferindo da atualidade, cuja inspiração é utilizada em novos sistemas
estruturais. Hoje em dia, já é possível aproximar as estruturas de engenharia às estruturas
biológicas, pelo que serão apresentados neste estudo, alguns casos que comprovam isso mesmo.
Com intuito de aumentar a eficiência de turbinas eólicas, uma empresa chamada WhalePower,
baseia-se nas caraterísticas das barbatanas da baleia jubarte (Figura 13), que lhe conferem uma
elevada destreza nos seus movimentos, mesmo a velocidades e ângulos apertados. Assim, ao
contrário do esperado, está nas barbatanas das baleias, a resposta fundamental para a criação de
turbinas eólicas mais eficientes e menos barulhentas. É ainda de salientar, a título de exemplo,
que esta tecnologia em muito tem contribuído para o aumento da segurança de transportes
aéreos, como é o caso dos aviões (Biomimicry 3.8, n.d.a).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
21
Figura 13 - Barbatanas da baleia jubarte/Turbinas eólicas (Biomimicry 3.8, n.d.a)
O mecanismo de funcionamento dos pulmões humanos (Figura 14) tem sido alvo de estudo, de
modo a ser implantado no desenvolvimento de uma tecnologia que sequestra CO2 e reduz a
principal causa do aquecimento global do planeta. Neste sentido, a companhia Carbozyme Inc.
desenvolveu um filtro com as mesmas propriedades da membrana dos pulmões, conseguindo
remover até 90% do CO2 que circula na área industrial. É de evidenciar que, existe ainda uma
outra tecnologia baseada numa enzima carbónica presente nos músculos, que transforma o gás
carbônico em pedra calcária, sendo esta muito requerida na área da construção (Biomimicry
3.8, n.d.a).
Figura 14 - Pulmões humanos versos sequestro de CO2 (Biomimicry 3.8, n.d.a)
Ao reproduzir o padrão dos movimentos de peixes, como o atum e o tubarão, a companhia
BioStream aumentou significativamente a eficácia no aproveitamento da energia das marés.
Apesar de se localizar no fundo dos oceanos, os equipamentos giram de acordo com o
movimento natural das marés, produzindo assim a eletricidade. Para além disso, é importante
referir que o seu formato aerodinâmico, inspirado igualmente em peixes, permite um maior
controlo das condições a que está sujeito.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
22
Desde há algum tempo que se vem a verificar o aumento da escassez dos recursos fósseis, pelo
que o desenvolvimento de novos sistemas recorrendo a fontes de energia naturais, como os
raios solares, é considerado essencial no seguimento do princípio de sustentabilidade. No
decorrer desta necessidade, Thomas Stegmaier, investigador do ITV Denkendorf (Alemanha),
tem vindo a desenvolver diversos estudos que se apoiam em ideais naturais, entre os quais se
destaca a construção de um pavilhão no ITV Denkendorf, baseado no caso do urso polar, cuja
constituição lhe confere a capacidade em distribuir a luz solar de forma eficaz, agindo como
um excelente isolante térmico. Isto porque, na sua constituição (Figura 15), o urso polar possui
uma camada de pelo esbranquiçado e denso que o protege do frio ártico e transfere a luz
proveniente dos raios solares, sobre a sua pele. Por baixo do denso pêlo existe uma camada de
pele negra que lhe confere a capacidade de absorção do calor do sol. Uma vez adaptado a
absorver calor, o urso polar também é capaz de não deixar o frio entrar no seu organismo. Por
debaixo desta pele, o urso polar possui uma camada adiposa. O tecido adiposo é especializado
no armazenamento de gordura, protegendo os mamíferos contra choques mecânicos, contra o
frio e ainda servindo como uma boa reserva de energia. Assim, esta camada de gordura age
como ótimo isolante térmico, mantendo a temperatura do corpo em níveis confortáveis para o
bom desempenho metabólico diário (Stegmaier et al., 2009).
Figura 15 - Sistema de camadas extremas do urso polar (Mangile, 2013)
Baseado nesta magnífica estrutura, Thomas Stegmaier e a sua equipa de investigadores
desenvolveram então, o Pavilhão do Urso Polar (Figura 16), como sendo um protótipo de uma
estrutura de membrana fibrosa, que permite ao sistema conservar grande parte da energia
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
23
captada, aquecendo o edifício de forma sustentável, diminuindo consequentemente o consumo
de energia em habitações (Stegmaier et al., 2009).
Figura 16 - Pavilhão do urso polar (Stegmaier et al., 2014)
Em suma, os diversos exemplos referenciados demonstram que o biomimetismo oferece um
amplo reportório de inovações a aplicar pelo Homem. Com aplicação do mesmo pode construir-
se edifícios mais confortáveis, baseado nos ninhos das térmitas, que regulam a temperatura,
fluxo de ar e humidade; edifícios mais sustentáveis com a implementação de luzes eficientes,
sustentados em mecanismos de produção de luz fria com perda energética quase nula, por parte
de insetos com bioluminescência; e até mesmo edifícios mais seguros, com a produção de
detetores de incêndios fundamentados na capacidade do escaravelho em detetar a radiação
ultravioleta produzida pelo incêndio; entre muitos outros (Santos, 2009).
2.5 Padrões de conforto da sociedade
Atualmente, verifica-se que os padrões de conforto da sociedade têm evoluído simultaneamente
com a crescente necessidade de eficiência energética e redução do consumo de energia. Para
tal, várias estratégias têm sido implementadas no setor de construção até aos dias de hoje,
destacando-se como fundamental a reabilitação de edifícios existentes com aplicação de
técnicas construtivas eficientes e amigas do ambiente. Nesta linha de pensamento, o alcance do
conforto sustentável desejado a nível térmico, poderá passar pela introdução de tecnologias
solares passivas com equipamentos de climatização eficientes e equipamentos de aquecimento
provenientes de fontes renováveis (coletores solares térmicos), reabilitação térmica de vãos
envidraçados (isolamento térmico e redução de infiltrações de ar não controlado), reabilitação
energética das instalações (melhoria da eficiência dos sistemas e equipamentos energéticos) e
ainda pela aplicação de materiais de isolamento na sua envolvente (fachadas, pavimentos e
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
24
coberturas). A título de exemplo, encontra-se representado na Figura 17, várias camadas
constituintes de uma parede dupla.
Figura 17 - Isolamento em parede dupla (Oliveira, 2011)
Do ponto de vista térmico, a combinação destas medidas permite obter maior eficácia na
intervenção, com uma significativa melhoria da qualidade aos edifícios, possibilitando também
a redução de necessidades energéticas e o aumento do conforto interior.
Atualmente existe no mercado uma grande variedade de isolantes térmicos com diferentes
formas de aplicação e podendo ser classificados quanto ao modo de produção, estrutura,
apresentação ou natureza das matérias-primas. Estes são identificados por diferentes siglas,
como apresentado no ITE 50 (Santos & Matias, 2006):
EPS – Poliestireno expandido moldado;
XPS – Poliestireno expandido extrudido;
PUR – Espuma rígida de poliuretano;
MW – Lã mineral (lã de rocha ou lã de vidro);
ICB – Aglomerado de cortiça expandida;
PEF – Espuma de polietileno expandido extrudido (grânulos leves ou fibras soltas);
FEF – Espuma elastomérica flexível;
É ainda de referir que, a posição de aplicação de isolamentos entre as várias camadas dos
elementos construtivos depende de diversas condicionantes associadas.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
25
No que refere ao isolamento acústico, o objetivo principal passa pela atenuação de sons aéreos
e de sons de percussão. O ruído é considerado um som indesejável, cuja fonte poderá ser externa
(tráfego automóvel, ferroviário e aéreo e as atividades laborais e/ou lúdicas) ou interna
(equipamentos mecânicos e a vizinhança como outras habitações, cafés, restaurantes, discotecas
ou estacionamentos) (Araújo, 2008).
Relativamente à transmissão de sons aéreos, estratégias consideradas pelo seu ramo como mais
eficazes para aumentar o isolamento aos mesmos, passam pela duplicação dos elementos de
separação (duplicar os panos de parede), o aumento da massa, e aplicação de técnicas de
isolamento em vãos (caixilharia metálica com vidro duplo e colocação de material absorvente
sonoro na caixa de ar) (Araújo, 2008).
As instâncias normativas atuais acerca do conforto acústico, apenas serão satisfeitas recorrendo
a sistemas de atenuação da transmissão de sons de percussão. Assim, os seus principais sistemas
atenuadores passam pelos revestimentos de piso resilientes (alcatifa) e os revestimentos de piso
flutuante sobre apoios resilientes, separado dos elementos verticais da envolvente (Araújo,
2008).
Todas estas estratégias, cuja intenção passa pelo alcance do conforto térmico e acústico, não
esquecendo a proteção e preservação ambiental, dá-nos a compreender que “ A nossa maior
riqueza é o sol, vento e a água” (Pimenta, 2013), pelo que a Natureza nos oferece diariamente
recursos implantados em técnicas sustentáveis, servindo esta como exemplo do mesmo.
2.5.1. Conforto térmico e acústico
Reconhecido como um conceito não exato, por conforto térmico entende-se uma “condição
que expressa a satisfação do indivíduo com o ambiente térmico envolvente”(Nogueira et al.,
2012). Deste modo, conforto térmico é uma característica apresentada pelo meio ambiente e
pelas edificações, que indica a satisfação do ser humano com o ambiente térmico em que o
mesmo se encontra.
Conforto térmico é assim uma característica que afeta diretamente o desempenho das atividades
físicas diárias de cada indivíduo, influenciando, de uma forma ou de outra, a saúde humana.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
26
Neste sentido, pode afirmar-se “condições climáticas urbanas inadequadas significam perda
da qualidade de vida para parte da população, enquanto que, conduzem ao aporte de energia
para o condicionamento térmico das edificações” (Nogueira et al., 2012).
O conforto térmico (Figura 18) e sua resposta ao “stress térmico” depende de diversos fatores,
desde a temperatura e velocidade do ar, humidade, ao estado metal do ser humano, hábitos
diários, atividade física, roupa vestida e aclimatação. Desta forma, o tipo de conforto eleito por
cada pessoa varia consoante o clima particular de um ambiente local (Silva, 2006).
Figura 18 - Conforto térmico (Watanabe, 2000)
Nas últimas décadas, inúmeros trabalhos foram desenvolvidos com o intuito de avaliar o
conforto dos ambientes e de obter um ambiente interior dos edifícios termicamente confortável
para os seus ocupantes. Para tal, é fundamental a implementação de normas e índices de
conforto térmico, estabelecidos no sentido de definir condições confortáveis:
EN ISO 7726:2001, define as grandezas e os instrumentos a utilizar nas medições;
EN ISO 7730:2005, estabelece um critério objetivo de avaliação de conforto térmico;
EN ISO 7243:1989, define nível de desconforto do ambiente (aplica-se quando não é
possível aplicar a ISO 7730);
EN 15251:2007, Indoor environmental input parameters for design and assessment of
energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment,
lighting and acoustics;
ASHRAE 55:2010, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy;
DL118/2013 de 20 de Agosto – Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios
de Habitação (REH)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
27
Contudo, atualmente as normas não existem apenas para definir condições de conforto, mas
sim para otimizar os consumos energéticos ao máximo. Este fato deve-se aos evidentes
problemas ambientais, gerados principalmente pelo preocupante excesso de utilização de
equipamentos climatização. Os mesmos são irredutivelmente responsáveis pelo desmedido
aumento do consumo energético, contribuindo para o excesso das emissões de CO2 e o
consequente aquecimento global. “A solução passa por um bom design climático, utilizando
dados realísticos de conforto térmico” (Silva, 2006).
A reabilitação de edifícios é um excelente contributo na melhoria do seu comportamento
acústico, pelo que, tal como o térmico, também o conforto acústico é considerado subjetivo.
Porém, a qualidade mínima estabelecida, referentemente a elementos construtivos por índices
de isolamento sonoro – sons de sons de condução aérea e a sons de percussão (D2m, nT, W,
DnT, W e L’nT, W) e por níveis de ruído em espaços interiores de edifícios, encontram-se
definidos através do nível de avaliação (LAR), no Regulamento dos Requisitos Acústicos dos
Edifícios (RRAE) e no Regulamento Geral do Ruído (RGR) (Silva, 2009). Para que sejam
evidentes as condições mínimas de conforto acústico, é imposto o cumprimento destas mesmas
exigências (Silva, 2009).
2.6 Adaptação/Aclimatização
“Os animais portam-se como um sistema termodinâmico, que continuamente trocam energia
com o ambiente. Neste processo, os fatores externos do ambiente tendem a produzir variações
internas no animal, influindo na quantidade de energia trocada entre ambos, havendo então a
necessidade de ajustes fisiológicos para a ocorrência do balanço de calor” (Bridi, n.d.).
Desta forma, o ser vivo tem necessidade de se adaptar ao clima envolvente, sem o destabilizar,
isto é, face às condições adversas do seu habitat, os animais tendem acomodar-se através de um
conjunto mudanças estruturais, funcionais ou até comportamentais, com o intuito de sobreviver.
A este conceito dá-se o nome de adaptação.
Do mesmo modo que, os animais se tendem a manter em harmonia com o seu habitat, também
o Homem sente necessidade de se adaptar ao clima envolvente. A esta adaptação por parte do
Ser humano, dá-se o nome de aclimatização, sendo a mesma representada na Figura 19.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
28
Figura 19 – Aclimatização (Oliveira, n.d.)
Desta forma, entende-se por este conceito, todas as mudanças estabelecidas pelo Homem, no
sentido de se adequar ao clima, em resposta uma maior necessidade de conforto.
2.7 Comportamento Térmico
“Quando um edifício é projetado não se pode esquecer que este deve satisfazer as exigências,
quer a nível estrutural como a nível do conforto, necessárias para ser utilizado ao longo de
décadas” (Lameiras et al., 2010).
Neste sentido, os conceitos de sustentabilidade, conforto e energia evidenciam a necessidade
crescente da construção de edifícios energeticamente eficientes. De acordo com esta
necessidade, diversas estratégias de construção estão a ser adotadas, com o intuito de equilibrar
a construção de edifícios e a carência (Silva, 2009).
A arquitetura define os espaços através dos materiais, que sofrem a influência dos fenômenos
físicos (luz, humidade, temperatura). Ao definirem-se espaços arquitetónicos, geram-se
ambientes que podem apresentar diferenças na temperatura estabelecendo transmissão de calor,
entre outros.
O conceito de conforto ambiental, da perspetiva térmica, implica condicionar este fenômeno,
de tal forma que, proporcione aos usuários a sensação de bem-estar quando submetidos a
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
29
determinadas condições de temperatura, ventilação e humidade. Deste modo, o isolamento
térmico dos edifícios consiste na construção de uma barreira à passagem do calor do interior da
casa para o exterior, no inverno, ou vice-versa, no verão. Estas trocas térmicas poderão ocorrer
por mecanismos de convecção, radiação ou condução (Figura 20) (Lameiras et al., 2010).
Figura 20- Mecanismos de transferências de calor (Lameiras et al., 2010)
2.7.1 Convecção
O fenómeno de convecção ocorre quando um gás ou um líquido flui ao intercetar uma superfície
sólida com diferente temperatura. Se este movimento for provocado por agentes externos, diz-
se que se trata de uma convecção forçada, em oposição se o mesmo não for derivado a
condições externas, então este designa-se por convecção natural ou livre (Ribeiro, 2009). Os
fatores que podem ter influência sobre a transferência de calor convecção, são entre outros, a
área e rugosidade de superfície, a densidade e velocidade do fluído e principalmente a diferença
de temperatura entre os mesmos. Quanto maiores forem estes fatores, à exceção da rugosidade
e densidade, mais elevada será a transferência de calor (Oliveira, 2012).
2.7.2 Radiação
A radiação pode ser observada quando o sol transfere energia sob a forma de luz solar para o
espaço, a mesma não ocorre por qualquer outra forma de transferência de calor. A energia de
radiação é transportada por ondas eletromagnéticas, no entanto esta pode ser observada sob a
forma de luz visível ou então por infravermelhos, sendo esta última apenas visível através de
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
30
câmaras termográficas (Ribeiro, 2009). A energia irradia por um qualquer objeto é classificada
em diferentes níveis do espectro eletromagnético. O mesmo divide-se em diferentes faixas
espectrais, como apresentado na Figura 21 (Oliveira, 2012).
Figura 21 – Representação das faixas do espectro eletromagnético (Oliveira, 2012)
O olho humano é capaz de detetar a faixa o visível num intervalo entre 0,4m (violeta) e
0,7m. Já a faixa do infravermelho encontra-se entre 0,75m a 1000m, dividindo-se em
infravermelho próximo (0.75-3m), infravermelho médio (3-6m), infravermelho distante (6-
15m) e infravermelho extremo (15-1000m). Embora seja este o intervalo do infravermelho,
as câmaras termográficas vulgarmente usadas, estão especializadas em trabalhar com duas
gamas distintas, a onda curta – 2 a 5m (medições interiores) e onda longa – 8 a 14m
(medições exteriores e interiores) (Oliveira, 2012).
Tal como na convecção também existem fatores que podem influenciar a velocidade de
transferência de calor, efetuando assim a exatidão da medição de temperatura. São eles, a
temperatura atmosférica e ambiente, a distância entre o objeto e a câmara, a radiação direta ou
refletida pelo objeto, a emissividade do mesmo (Figura 22), o teor de humidade e de CO2.
Assim, quanto maior a diferença de temperaturas entre objetos ou menor distância entre eles
associado uma maior emissividade, mais elevada será a velocidade de transferência de calor.
Pelo contrário, quanto maior o valor de humidade, a concentração de CO2 e de partículas, menor
será a sua velocidade de transferência. Como importante fator de influência sobre a medição da
radiação infravermelha, a emissividade de um objeto é afetada pela temperatura e comprimento
de onda do mesmo, assim como, pelo estado de superfície e ângulo de visão (direção de
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
31
observação). Esta varia rapidamente com o comprimento de onda em gases e líquidos e
lentamente no caso de sólidos (Oliveira, 2012).
Figura 22 – Radiação registada pelo sensor de imagem térmica (Emissão, Reflexão e
Transmissão) (Oliveira 2012)
Todos estes fatores têm influencia negativas e/ou positivas sobre a mediação da radiação
registada através do sensor de imagem térmica, assim sendo é importante evitar valores de
emissividade abaixo de 0,6, assim como temperaturas acima dos 30ºC, uma vez que as mesmas
poderão eventualmente reduzir a precisão da medição de temperaturas (Oliveira, 2012).
2.7.3 Condução
Os mecanismos de condução tratam-se de trocas de calor decorrentes do contacto entre
superfícies, pelo que as matérias que constituem as várias superfícies (paredes, cobertura,
pavimentos, envidraçados) são imprescindíveis de um ponto de vista térmico, para obtenção de
conforto. Neste sentido, destacam-se a condutividade térmica (K), a difusidade térmica () e a
capacidade calorífica (C), como propriedades térmicas e ter em consideração nos materiais de
isolamento (Oliveira, 2010).
2.7.3.1 Condutividade térmica (K)
Definida na Lei de Fourier-biot, pela expressão (1.1), a condutibilidade térmica trata-se da
quantidade de calor transmitida através de um corpo homogéneo, por unidade de tempo,
espessura, área e gradiente de temperatura (W/m.K) (Oliveira, 2010).
𝑞𝑘 = −𝐾. 𝐴.𝑑𝑇
𝑑𝑥 (1.1)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
32
Em que:
qk – Taxa de transferência de calor (W)
K – Condutibilidade Térmica (W/m.K)
A – Área da secção transversal, normal à direção do fluxo de calor (m2)
dT/dx – Gradiente de temperatura na secção (K/m)
Os isolantes são assim caraterizados por diversas propriedades, sendo a condutibilidade
térmica uma das mais importantes, pelo que no Quadro 1 são apresentados alguns exemplos
de materiais térmicos.
Quadro 1 - Identificação de isolamentos térmicos (Oliveira, 2010)
Isolante
Térmico
Massa
Volúmica
(Kg/m2)
Espessura
Necessária a
24C
Condutibilidade
Térmica
(W/mC)
Lã de Rocha 100-300 46-51 0.046
Lã de Vidro 65-160 49 0.037
Poliestireno
Expandido
16 44 0.035
Espuma Rígida
de PU
32 20 0.017
Cortiça 220 61 0.049
Madeira
(pinho branco)
350-500 >140 0.112
2.7.3.2 Difusividade térmica ()
A difusividade térmica () estabelece a relação entre a capacidade do material em armazenar
energia, sendo a mesma definido pela seguinte equação (1.2) (Oliveira, 2010).
= 𝐾
𝐶. (1.2)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
33
Em que,
K – Condutibilidade Térmica (W/m.K)
C – Calor específico (J/(kg.K))
– Massa específica (kg/m³)
2.7.3.3 Capacidade calorífica (C)
A capacidade calorífica (C) indica a capacidade do material em absorver calor através da sua
envolvente externa, pelo que a quantidade de energia requerida para produção de elevação
unitária de temperatura é dada pela seguinte equação (1.3) (Oliveira, 2010).
𝐶 = . 𝑉. 𝑐 (1.3)
Em que,
C – Capacidade Calorífica (J/K)
C – Calor especifico (J/(kg.K))
– Massa específica (kg/m³)
V – Volume (m3)
O isolamento térmico é uma excelente solução para aumentar a resistência térmica da
envolvente do edifício, minorando as trocas de calor entre o edifício e o exterior, o que reduz
as necessidades de aquecimento e arrefecimento, assim como o risco de condensações.
Assim, o isolamento térmico (Figura 23) trata-se de uma adaptabilidade, por parte o Homem,
ao clima em que este se encontra, pelo que quanto maior a libertação ou absorção de calor,
maior será a necessidade de aquecer ou arrefecer a casa. Desta forma, quanto mais eficiente for
a barreira (material isolante), menos necessária é a utilização de equipamentos de climatização.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
34
Figura 23 - Isolamento de paredes (Casa&Construção, n.d.)
Neste contexto, podemos mesmo afirmar que a implementação de isolamentos em elementos
construtivos, em declínio do uso de equipamentos de climatização, é uma importante estratégia
de construção, no sentido de aumentar o desempenho do edifício.
2.8 Materiais compósitos
Atualmente existe uma variada gama de materiais a aplicar no ramo da engenharia. Graças aos
avanços tecnológicos, verifica-se uma crescente implementação de materiais compósitos (não
tradicionais) em áreas como a da mecânica, medicina, arquitetura, eletrónica, aeronáutica,
espacial, militar e principalmente na área da engenharia civil (construção), como grandes
substitutos de materiais tradicionais (Moreira, 2008). Este sucesso está dependente das técnicas
de fabrico e de alguns parâmetros tais como a forma, força, massa, durabilidade, rigidez e
principalmente os custos. Quanto mais avançada for a tecnologia de fabrico, melhor serão estes
parâmetros, facilitando assim a aceitação destes mesmos produtos nas diversas áreas (Ventura,
2009). Os materiais compósitos utilizados na engenharia civil aliam vários parâmetros em
conjunto, são eles a leveza, a rigidez, a resistência, a versatilidade, a produtividade e os
reduzidos custos de produção.
2.8.1 Definição e composição
Um material compósito (Figura 24) trata-se da conjugação de dois ou mais materiais diferentes
com propriedades distintas, mas com o intuito de se obter uma melhor performance por parte
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
35
de cada material. Dos seus componentes fazem parte a matriz (fase contínua) que garante a sua
ligação e o reforço (fase dispersa) que garante a sua resistência (Moreira, 2008).
Figura 24 – Ilustração de um material compósito (NotaPositiva, 2007)
2.8.2 Classificação de um compósito
Um compósito é constituído por duas fases (Figura 25), sendo que a fase de reforço é geralmente
dividida em três categorias, são elas os compósitos particulados, os compósitos de fibras
descontínuas e os de fibras contínuas.
Figura 25 – Classificação de compósitos (NotaPositiva, 2007)
A fase matriz poderá ser de natureza metálica, polimérica (orgânica) ou cerâmica, como
apresentado na Figura 26. Este preenche os espaços vazios resultantes do reforço, conferindo
forma e estrutura ao material.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
36
Figura 26 - Origem dos materiais compósitos (Moreira, 2008)
2.8.3 Compósitos poliméricos
Os compósitos existem em diferentes formas, no entanto, verifica-se que os mais usuais são os
materiais constituídos por um reforço de fibra inserido numa matriz polimérica (Figura 27)
(Moreira, 2008).
Figura 27 - Classificação dos compósitos (Silva, n.d.)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
37
Os polímeros podem ser classificados por termoplásticos ou termoendurecíveis (termorrígidos),
consoante o tipo de estrutura química e o seu processo de transformação, isto é estrutura linear
ou ramificada e pelo processo físico ou químico, respetivamente (Bordado, 1986). Outra
caraterística importante, trata-se do seu comportamento quando aquecidos, isto é, os
termoplásticos são polímeros com capacidade de se moldarem facilmente com o aumento da
temperatura, enquanto que os polímeros termodurecíveis não poderão ser reciclados, tal como
o seu próprio nome indica (Silva, 2014). No Quadro 2 apresentam-se características distintas
entre polímeros termoplásticos e termoendurecíveis.
Quadro 2 - Polímeros termoplásticos versus termoendurecíveis (Silva, 2014)
Termoplásticos Termoendurecíveis
Reciclável mecanicamente
Baixa rigidez
Baixa estabilidade térmica
Baixa estabilidade dimensional
Fracas propriedades de isolamento
elétrico e térmico
Baixa resistência à fluência e relaxação
Alta viscosidade quando fundido
Tempo ilimitado de armazenamento
Não reciclável mecanicamente
Alta rigidez
Elevada estabilidade térmica
Alta estabilidade dimensional
Boas propriedades de isolamento elétrico
e térmico
Resistência à fluência e relaxação
Baixa viscosidade no processamento
Tempo limitado de armazenamento
A combinação dos materiais constituintes (matriz/reforço) é definida face à aplicação específica
que se pretende a cada material compósito, assim como, de acordo com as suas propriedades
pretendidas. No entanto, os polímeros termorrígidos são os mais utilizados por apresentarem as
vantagens anteriormente mencionadas, em relação aos termoplásticos. Estes últimos são
comercializados principalmente para fabricação de compósitos, além de uso como adesivo e
revestimento (Silva, 2014). Os mesmos são normalmente fundidos durante o processamento e
podem ser reciclados, pois fundem e retornam ao seu estado anterior sem degradação do
material. Estes podem ser moldados por injeção (por ex. de polipropileno), extrusão ou por
outras técnicas de moldagem por aquecimento. Em geral, os termoplásticos evidenciam-se por
apresentarem uma elevada resistência ao impacto e tenacidade e principalmente por poderem
ser reciclados, o que constitui um ponto muito importante na atualidade. No entanto as suas
dimensões e custos do processo restringem a sua utilização (Silva, 2014; Almeida, 2012). Os
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
38
polímeros termoendurecíveis, ao contrário dos termoplásticos, não podem ser reprocessados,
pois uma vez aquecidos, os mesmos adotam uma forma constante. Isto é, não poderão ser
reciclados por fusão ou reformação, pois sob a ação da temperatura, estes irão degradar-se e
queimar-se sem que se derretam (Almeida, 2012). Num conceito de sustentabilidade, esta
poderá revelar-se assim uma significante desvantagem para os mesmos, quando comparados
com a capacidade de reciclagem por parte dos polímeros termoplásticos. No entanto, o
surgimento de fibras naturais como a juta, o sisal e o cânhamo, em substituição de fibras
inorgânicas sintéticas ou plástico, em combinação com matrizes biológicas contribui para a
produção de eco-compósitos. Assim sendo, ainda que os polímeros sejam termoendurecíveis,
estes podem ser considerados compósitos favoráveis ao meio ambiente, desde que os mesmos
surjam da combinação de tecidos de fibras naturais com uma matriz de origem biológica (Mota
et al., 2015).
O processamento dos compósitos pode ser realizado pelo método de moldação manual (por ex.
hand lay-up ou spray-up) ou mecanicamente (moldação por compressão a quente ou por
moldação em autoclave). A cura/endurecimento da resina pode verificar-se ou não sob a ação
da pressão, temperatura ou vácuo (Silva, 2014; Almeida, 2012). Este processo ocorre quando
se dá a chamada polimerização, isto é, após os componentes (resina e acelerador e/ou
catalisador) serem misturados na sua proporção adequada. As resinas termoendurecíveis têm
ainda a vantagem de facilitarem a impregnação do reforço, dado que, antes da cura, apresentam
uma viscosidade bem mais baixa que as termoplásticas (Almeida, 2012). Como apresentado
anteriormente na Figura 27, as matrizes termoplásticas são o polietileno, o poliestireno e o
polipropileno, enquanto que as matrizes de termorrígido são o epóxi, o poliéster e o poliuretano.
Destro das últimas, as resinas mais utilizadas e de menor custo são os poliésteres, poliuretanos,
vinil-éster e resinas fenólicas, as quais são empregadas principalmente em compósitos
reforçados com fibras de vidro. As resinas epóxi embora sejam as mais caras, estas são muito
utilizadas em aplicações estruturais e aeroespaciais por possuírem boas propriedades mecânicas
e boa resistência à humidade (Silva, 2014).
2.8.4 Interface fibra/matriz
A contribuição das fibras para as propriedades finais do compósito depende de vários fatores,
tais como a sua orientação, propriedades mecânicas, fração volúmica, técnica de processamento
e, principalmente, a interface entre fibra/matriz (Almeida, 2012). Tanto as propriedades desta
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
39
última, como a sua própria estrutura têm uma grande influência nas propriedades finais de cada
material compósito. É essencial que ocorra uma boa adesão interfacial, pois a mesma aumenta
a transmissão de tensão da matriz para a fibra, influenciando positivamente no desempenho
mecânico do compósito. Caso não haja esta interação, o material estará sujeito a diversas falhas.
Este facto influencia diretamente na escolha dos materiais a serem empregados na composição
do compósito, porque a combinação de quaisquer fases nem sempre resultará na boa interação
da matriz/fibra. Seguidamente, enumeram-se os principais mecanismos de adesão entre os
constituintes de um compósito (Pires, 2009):
Interdifusão;
Atração eletrostática;
Ligação química;
Adesão mecânica;
Adsorção e molhamento.
2.8.5 Fibras naturais e suas aplicações
Cada vez mais se vem a verificar um elevado interesse mundial pelo desenvolvimento de novos
materiais de construção com menor impacto ambiental. Neste sentido, existe atualmente um
grande preocupação em substituir os materiais plásticos sintéticos por outros biodegradáveis ou
até recicláveis. Para tal, são realizadas diversos estudos na área de compósitos poliméricos,
dentre os quais se destacam a utilização de fibras naturais (Figura 28).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
40
Figura 28 - Tipos de materiais compósitos (Silva, n.d.)
Os materiais compósitos podem classificar-se em compósitos de partículas, de fibras, laminares
e mais recentemente naturais, sendo estos últimos de origem animal, vegetal ou mineral. As
fibras naturais de origem animal provêm da secreção glandular de larvas de alguns insetos, tal
como a seda, ou então constituídas por pêlos de alguns mamíferos, como o caso da lã. Já as
fibras vegetais são extraídas de plantas como o caso do algodão, do linho, do sisal e da fibra de
côco, classificadas de acordo com a sua origem, como fibras da semente, fibras do caule, fibras
de folha e fibras de fruto, respetivamente (Fibrenamics, n.d.b). No caso da fibra de Juta, esta é
extraída da sua planta, passando pelos processos de transformação e fiação idêntico ao do linho
(Figura 29).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
41
Figura 29 – a) Planta de juta, b) Extração da planta de juta e c) Juta já extraída da planta
(Silva, 2014)
Estas últimas representam uma importância económica acrescida para muitas comunidades,
sendo então utilizadas no reforço de betão e lajes pela sua grandiosa capacidade em resistir a
elevadas cargas. Por exemplo, o sisal é biodegradável com elevados módulos de elasticidade,
sendo então utilizado como reforço de polímeros, pavimentos rodoviários, fundações de
edifícios e blocos de betão. Enquanto que, a fibra de coco pode ser aplicada na produção de
pranchas, em fibrocimento e betão com fibras, pela sua durabilidade e resistência (Diniz, 2013).
Por fim, as fibras de origem mineral são provenientes de rochas com estrutura fibrosa, como o
caso do amianto, constituído principalmente por silicatos (Figura 30) (Fibrenamics, n.d.a).
Em suma, as fibras naturais são flexíveis, finas, longas, abundantes, de baixo custo, de elevada
capacidade em absorver CO2, biodegradáveis e recicláveis, o que as torna propícias a fins
têxteis. Ainda assim, apresentam uma grande absorção de humidade e menor estabilidade
térmica e mecânica, em comparação com as fibras não naturais. Estas últimas são produzidas
por processos químicos, a partir de produtos naturais - fibras artificiais (por ex. viscose, modal
e acetato), ou através da síntese química – fibras sintéticas de natureza orgânica (por ex. acrílica,
elastano, poliamida e poliéster) ou de natureza inorgânica (por ex. vidro e carbono)
(Fibrenamics, n.d.a).
a) b)
c)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
42
Figura 30 - Quadro-resumo acerca das fibras naturais (Franco et al., 2008)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
43
CAPÍTULO 3 – IDENTIFICAÇÃO DE MODELOS NATURAIS COM
SISTEMAS DE ISOLAMENTO (CONDIÇÕES EXTREMAS)
No presente capítulo são identificados vários seres vivos que apresentam soluções interessantes
de isolamento térmico, em condições térmicas extremas. De entre os vários analisados, é
posteriormente descrita em detalhe, a anatomia de três deles, assim como as suas adaptações de
sobrevivência, face ao meio envolvente adverso.
3.1 Adaptações dos seres vivos (modelos naturais)
A Ecologia estabelece uma relação bastante complexa entre os organismos e seus ambientes.
Os fatores ecológicos ou ambientais (abióticos ou bióticos) são elementos do meio que agem
direta ou indiretamente sobre os seres vivos, durante o seu ciclo de vida. Os fatores abióticos
são fatores climáticos (luz, pluviosidade, temperatura, humidade, ventos, etc.), fatores edáficos
(relacionados com o solo - textura, estrutura, composição química, pH, humidade,
permeabilidade) e fatores físico-químicos da água (temperatura, pH, salinidade, turbidez)
(Santo, 2005). Já os fatores bióticos são interações ecológicas intra e interespecíficas que se
estabelecem entre seres vivos, ou seja, são interações que se estabelecem entre seres vivos da
mesma e diferentes espécies, respetivamente (Santos, 2010).
Os fatores ecológicos podem atuar como fatores limitantes, ou seja, os processos biológicos dos
animais só funcionam, por exemplo, dentro de uma gama de temperaturas relativamente estreita
e quando este intervalo é excedido, o ser vivo não sobrevive. Felizmente, a maioria dos seres
vivos evoluíram mecanismos adaptativos ao meio envolvente, de modo a resolver os problemas
de calor e frio a que estão sujeitos (DesertUSA, n.d.). Assim sendo, a variação de fatores
climáticos do meio, como a luz, a humidade e a temperatura, obriga os seres vivos a adaptar-se
ao meio envolvente, permitindo que seu organismo sobreviva no seu nicho ecológico. As
adaptações à escassez de água, à procura de alimento, à resistência ao fogo e a temperaturas
extremas, dividem-se em adaptações comportamentais ou morfológicas (características físicas).
Por adaptações comportamentais entende-se todas estratégias inteligentes desenvolvidas pelos
seres vivos, como a migração (proteção contra o frio e a falta de alimento), hibernação (proteção
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
44
contra o frio e a falta de alimento) ou estivação (proteção contra o calor e a falta de água). Já as
adaptações morfológicas tratam-se de alterações das características físicas do ser vivo em
resposta às variações sazonais de temperatura (Botanical, n.d.).
De modo a conservar calor e a resistir ao excesso de frio, os seres vivos aumentam a densidade
do seu revestimento (pelos ou penas), mudam a cor da sua pelagem, alongam as suas
extremidades (focinho e/ou orelhas), acumulam gordura sob camadas e constroem abrigos
adequados às suas necessidades. Deste modo, apresentam-se seguidamente alguns exemplos de
casos semelhantes.
O faisão-australiano, conhecido na Austrália por MalleeFowl (Leipoa ocellata), fornecem calor
aos seus ovos recorrendo apenas ao uso de vegetação apodrecida. Esta espécie existente no leste
da Austrália coloca os seus ovos num enorme monte construído pelo progenitor (macho). Este
núcleo é assim composto por vegetação apodrecida, sendo todo coberto com areia. Na estação
de verão, a exposição à radiação solar aumenta, pelo que estas aves evitam o superaquecimento
por acumulação de mais areia e consequente aumento do monte. Além disso, esta espécie ainda
cria os seus montes pela manhã, espalhando a areia com o propósito de arrefecer. Após o
arrefecimento, este é novamente utilizado na construção do ninho. Por oposição, na estação do
Outono, a areia é acumulada em forma de monte, sendo que quando as camadas superiores
perdem a suas capacidades, as mesmas são retiradas, para que o sol incida na zona onde estão
colocados os ovos. Ao anoitecer, estes são novamente cobertos para retenção do calor. Deste
modo, o faisão-australiano (Figura 31) usa a vegetação em decomposição como fonte de calor
para aquecer os seus ninhos (Figura 32). Esta técnica poderá assim, servir de base a novas
ideias/técnicas de auto-ventilação de edifícios (Encyclopedia of Life, 2015).
Figura 31 – Faisão-australiano (Leipoa ocellata) (Ruoso, n.d.)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
45
Figura 32 - Ninho de aves (Halasz, 2010)
A pelagem espessa e superficial do mamífero marsupial Numbat (Myrmecobius fasciatus),
favorece a perda de calor no verão quente e permite a absorção do mesmo no inverno frio.
Numbat (Figura 33) é uma pequena espécie carnívora da Austrália, sendo o único membro da
família Myrmecobiidae. De baixa refletividade (19%) em comparação com outros marsupiais,
mas de absortividade semelhante à dos esquilos da América do Norte (72%), o revestimento do
Numbat é caracterizado pela sua grande capacidade de retenção de calor. No entanto, o seu
revestimento apresenta uma baixa resistência à velocidade do vento quando comparado com
outros marsupiais, o que reflete a baixa densidade e espessura da pele. Assim, pode afirmar-se
que, o ganho solar não está associado ao mesmo grau de redução de resistência à ação do vento,
pelo que o Numbat possui características estruturais e espectrais que permitem a absorção de
calor, tornando-o o aspeto mais importante para a termorregulação de numbat selvagem. Com
base neste revestimento, foram criados vários materiais com características biofísicas
(isolamento, estrutura, cor, cabelo propriedades espectrais e cor da pele) para controle de
equilíbrio térmico (Cooper et al., 2003).
Figura 33 - Numbat (Myrmecobius fasciatus) (Wormleaton, n.d.)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
46
Os golfinhos (Figura 34), conhecidos no seu país por Bottlenose Dolphin (Tursiops truncatus),
são conhecidos pela sua camada de gordura que permite a absorção de calor, agindo como um
material de mudança de fase. Existem assim, várias provas que apoiam a classificação da
camada de gordura como um material de mudança de fase. Em primeiro lugar, muitos ácidos
encontrados na camada de gordura são classificados como materiais de mudança de fase e têm
pontos de fusão na gama de temperaturas do corpo dos mamíferos. Para além disso, estes ácidos
gordos satisfazem o requisito de estar num bom patamar no que se refere a valores de calor
latente. Em terceiro lugar, a sua estratificação em gordura pode ser evitada através da sua
retenção em adipócitos, também estes de natureza altamente estruturada. Por último, estes
cetáceos são ainda conhecidos por terem um controlo vascular consideravelmente fino. No
entanto, são ainda necessários mais estudos referentes ao potencial das propriedades de
mudança de fase da gordura de golfinhos e baleias, bem como, referente às possíveis funções
que podem ser associados a tal propriedade. Ainda assim, será bastante vantajoso a inclusão
destes materiais de mudança de fase em elementos de construção (Dunkin et al., 2005).
Figura 34 – Golfinhos (Phillips, n.d.)
Vulgarmente conhecido no Norte da Améria por Skunk Cabbage (Symplocarpus foetidus), um
membro da família Araceae, é das poucas plantas (Figura 35) que controla a sua temperatura
interna. Esta planta gera calor por queima de amido em células especiais, não se tendo, até à
data, descoberto exatamente como estas controlam o seu termostato interno. Recentemente dois
investigadores da Universidade do Japão afirmam que a temperatura desta planta segue um tipo
de padrão matemático chamado de Zazen Atractor. O estudo constou na análise de várias
plantas desta espécie, com registo dos seus resultados a cada minuto. Numa primeira análise, a
variação da temperatura parecia ser aleatória, mas usando uma técnica estatística de previsão
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
47
não-linear, estes investigadores perceberam que a variação da mesma está de acordo com o
algoritmo matemático referido (AskNature, n.d.d).
Figura 35 – Planta com termostato interno (Vick, 1989)
A espécie conhecida por Besouro-hércules (Dynastes Hercules) possui a capacidade de alterar
a cor verde do seu exosqueleto para preto, com o aumento da humidade, recorrendo para tal à
interferência de uma película fina, por alteração reversível da espessura da sua camada. A
explicação científica para tal capacidade é até então desconhecida, no entanto, recorrendo-se a
certas amostras analisadas, pode-se referir que em ambiente seco, besouro-hércules (Figura 36),
encontra-se com uma cor amarela-esverdeada, alterando a sua coloração para preto sob altos
níveis de humidade (AskNature, n.d.c).
Figura 36 - Besouro-hércules (Lee, 2010)
A cor esverdeada visível no estado seco é originada por uma camada porosa tridimensional,
localizada abaixo da superfície da cutícula. Esta camada é conhecida pela sua estrutura
tridimensional, constituída por uma rede de cadeias filamentosas, dispostas em camadas
paralelas à superfície da cutícula e por uma matriz de fortes pilares cilíndricos orientados
perpendicularmente à superfície. Surpreendentemente, é a difração que desempenha um papel
fundamental na alteração da cor na banda larga da cutícula, face ao ambiente envolvente. No
estado seco, os espaços livres nas camadas de nanoestruturas são ocupadas com ar, mas sob
condições de humidade elevada, as cavidades vazias são preenchidas por água, verificando-se
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
48
uma considerável diferença entre o índice de refração e o nível de humidade que, por sua vez,
se reflete na variação de cor visível (AskNature, n.d.c).
Os animais que vivem em regiões polares (Figura 37) possuem uma pelagem bastante densa,
com caraterísticas isoladoras. No caso das renas polares, combinam um pelagem densa e longa,
repelente à água. No entanto, a densidade da sua pelagem tem vindo a diminuir
consideravelmente, o que não impede que a mesma realize a sua principal função em evitar a
circulação de ar, reduzindo assim a dissipação de calor. Deste modo, pode afirmar-se que o
mecanismo responsável pela termorregulação ao ambiente envolvente das renas é o isolamento
conferido pela sua pelagem (Soppela et al., 1986).
Figura 37 – Renas polares (Wilson, 2010)
Outro caso semelhante trata-se da raça de carneiros (Figura 38) conhecida por Merino (Ovis
aries Linnaeus), cuja sua pelagem densa é particularmente eficaz no controlo de temperatura.
Esta espécie vulgarmente presente na Austrália, tem a capacidade de se adaptar tanto a
ambientes quentes como frios. Em ambientes frios, é essencial a distância (cerca de 8cm) entre
a pele a superfície de lã, que se poderá traduzir em 40ºC de temperatura. No caso de animais
com revestimentos (pelagem) grossos, é suficiente que os mesmos sejam firmemente eriçados,
aumentando consequentemente a sua resistência ao frio. Neste sentido, este denso revestimento
poderá servir como uma excelente ideia na aplicação de isolamentos de fachadas (AskNature,
n.d.g).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
49
Figura 38 – Carneiro merino (Porter, n.d.)
As variadas famílias de pinguins (Figura 39) são conhecidas pela sua capacidade em
economizar energia sob a forma de calor, protegendo-se do frio, graças ao seu hábito de
“amontoamento social”. De entre os mais variados grupos de pinguins, destacam-se as famílias
de pinguins, imperador e adélia, Aptenodytes Forsteriaa e Pygoscelis Adeliae, respetivamente.
Figura 39 - Famílias de pinguins (Dolamore, 2012)
O Pinguim Imperador (Figura 40) possui várias adaptações estruturais, em função da sua
organização corporal. Conhecido pela ave de maiores dimensões entre a família Spheniscidae,
o seu pescoço curto, pernas curtas e corpo comprido, permite-lhes reter grande parte do calor
necessário para a sua sobrevivência. A sua cauda curta permite o seu equilíbrio em terra e os
seus saltos no gelo sobe a forma de tripé, diminui área de contacto e permite-lhes evitar a perda
de calor, assim como, as garras que possuem nas patas conferem-lhe aderência na neve, gelo
ou rochas, quando emergem do oceano. Com todas estas características, esta espécie é capaz de
sobreviver a temperaturas extremas, ao longo de anos, assim como, as mesmas poderão oferecer
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
50
novos conceitos na aplicação de isolamentos com características adequadas aos edifícios
(Ward, n.d.a).
Figura 40 - Pinguim imperador (Amsel, n.d.a)
Pinguim-de-Adélia (Figura 41) está adaptado a sobreviver na Antártida, devido à sua forma
compacta e à baixa razão entre a superfície e volume, reduzindo assim as perdas de calor (Ward
n.d.b). As suas penas são curtas e densas, sobrepondo-se umas sobre as outras, como “telhas na
cobertura”. Desta forma, as suas penas estão especializadas em conferir isolamento em terra,
sendo ainda revestidas com um óleo originado por uma glândula perto da sua cauda,
responsável por aumentar o seu fator impermeável. Por debaixo das suas penas existe ainda
uma camada de gordura que proporciona isolamento adicional contra o frio, principalmente nas
suas atividades aquáticas (Ward, n.d.a). Esta é uma característica comum entre os vários
vertebrados de sangue quente existentes na Antártica (Landcare Research, n.d.).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
51
Figura 41 - Pinguim-de-adélia (Amsel, n.d.b)
Os mamíferos marinhos, como o caso de focas, morsas ou de baleias possuem adaptações
especiais para águas geladas, uma vez que o calor dos animais de sangue quente é perdido mais
rapidamente na água do que no ar gelado da Antártida. Os seus corpos arredondados e
principalmente as camadas de gordura localizadas sob a pele agem como um excelente isolante
térmico, protegendo-os contra a perda de calor corporal, mantendo dessa mesma forma a sua
temperatura interna (Ward, n.d.d). Assim, esta camada acumulada sob a pele e acima dos
músculos contribui ainda, para o armazenando de energia. Pelo contrário, as suas línguas mal
isoladas são constituídas por uma estrutura que garante um lento fluxo de sangue e uma grande
área de superfície para efetuar a troca de calor entre o sangue frio nas veias (deixam a língua) e
o sangue quente das artérias (chegam à língua). Deste modo, o sangue é pré-arrefecido antes de
contactar com a superfície da língua, não dissipando calor para a água fria na boca (AskNature,
n.d.e).
Formica rufa Linnaeus (Figura 42) é uma das quatro espécies britânicas da "formiga de madeira
do sul", sendo considerada bastante agressiva e ativa. Os seus ninhos são confecionados a partir
de fragmentos de vegetação/pinheiros coletados pelas formigas e posteriormente colocados no
topo dos troncos de árvores (Hoy, 1997). Os mesmos, em forma de monte, são isolados,
possuindo inúmeros buracos que servem de orifícios de ventilação. Contudo, à noite e a baixas
temperaturas, a formica rufa cerra as aberturas do seu ninho, de forma a manter o calor interior
do espaço. Para além disso, estes trabalhadores ainda mantêm a inclinação perfeita dos seus
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
52
ninhos (Figura 43), de modo a coletar a quantidade máxima de radiação solar possível. Desta
forma, as formigas da madeira conseguem aquecer os seus ninhos passivamente, transportando
ainda calor extra, coletado pelos seus corpos. Posto isto, podemos afirmar-se que, estas técnicas
de sobrevivência poderão ser implementadas como ideias para climatização passiva de edifícios
(AntAsk, 2012).
Figura 42 - Formiga de madeira do sul (Opioła, 2009)
Figura 43 – Inclinação dos ninhos (AntAsk, 2012)
Contrariamente aos exemplos apresentados ao longo deste capítulo, existem ainda várias
adaptações ao calor que se faz sentir no deserto. A sobrevivência a temperaturas muito elevadas
depende da construção de tocas e galerias e do arrefecimento do corpo, por exemplo, através
de orelhas de grandes dimensões (ex.: elefantes, coelhos e raposas) ou mesmo da mudança da
cor do pêlo.
Os coelhos, em geral, suportam com grande dificuldade os períodos de calor e, como tal,
recorrem a diversos mecanismos de eliminação de calor, por forma a manter a sua temperatura
corporal dentro da “faixa de termoneutralidade” (aproximadamente 25C). Esta necessidade
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
53
justifica o interesse de uma ventilação adequada, a fim de eliminar simultaneamente, o vapor
de água e o calor em excesso. Com este intuito, os seus pulmões atuam de duas formas, não só
pelo facto do ar expirado ser mais quente que o ar inspirado, como também pelo facto de os
pulmões eliminarem água sob forma gasosa (vapor de água). Observa-se, ainda, que as orelhas
tem um papel fundamental na eliminação do calor, através da sua circulação sanguínea. Assim,
quando a temperatura se aproxima do limite tolerado, os coelhos erguem as suas orelhas (Figura
44) e desse modo a sua superfície elimina por irradiação o calor veiculado pelo sangue (Mussoi,
2011).
Figura 44 – Vasos sanguíneos das orelhas dos coelhos (Santiago et al., 2001)
Mais especificamente, a raposa-do-deserto ou feneco (Vulpes zerda) são pequenas raposas com
umas orelhas grandes, um focinho comprido e um pêlo curto que lhe permite perder facilmente
o excesso de calor (Figura 45). A sua cauda pode medir até 15 cm e a sua cor de areia permite
a reflecção dos raios de sol durante o dia e conservar o calor durante a noite. (Barbosa, 2013).
Pelo contrário, a raposa-do-ártico (Alopex lagopus) possui extremidades mais reduzidas, o que
reduz as suas perdas de calor (Figura 46) (Ito Ciências, 2013).
Figura 45 - Raposa-do-deserto ou feneco (Barbosa, 2013)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
54
Figura 46 - Raposa-do-ártico (Ito Ciências, 2013)
Em ambientes desérticos, de alta incidência solar e clima quente/seco, as plantas são
caracteristicamente espinhosas, mais resinosas ou mais tóxicas, uma vez que estão expostas a
uma grande procura por parte de predadores. É o caso de plantas suculentas como as cactáceas
(Cactaceae) e os catos (Figura 47) que, ao longo da sua evolução, desenvolveram diversas
adaptações morfológicas, como forma de sobrevivência. Uma das suas adaptações consiste em
possuir raízes superficiais, muito longas e ramificadas, que permite o aproveitamento de uma
grande área de solo para absorção de água, reduzindo a perda de água nas folhas, ou aumentando
a quantidade de água armazenada em seus tecidos. Nas plantas xerófitas (plantas que resistem
bem a condições de seca), a pele, ou cutícula espessa e reduzida dos catos é constituída por
grossas camadas de cera que reduzem a perda de água por transpiração. Para além destas,
destacam-se ainda a abertura de estômatos (estruturas/aberturas semelhantes aos poros da pele,
na epiderme de folhas e caule, através das quais se efetuam as trocas gasosas necessárias à vida
das plantas), como adaptações bioquímicas que, durante o dia, sob sol forte, permanecem
fechados para evitar a perda da água na forma de vapor. O fecho ou abertura de estômatos
obedece a um controle hormonal efetuado por um ácido comum entre plantas. Provavelmente,
o exemplo mais dramático na adaptação ao clima seja referente à fotossíntese que algumas
plantas tropicais desenvolvem em resposta a condições de calor e aridez. Assim, em dias de
grande calor, plantas de clima temperado realizam a fotossíntese com menor eficiência, ou seja,
apresentam uma queda na incorporação de CO2 atmosférico na produção de açúcar (Prado,
2011).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
55
Figura 47 - Catos globulares no desfiladeiro do rio Virgin no noroeste de Arizona (Henke,
2013)
Estes em geral, ainda usufruem das suas nervuras, que lhe conferem a capacidade de reflexão
de calor e redução de evaporação de água. Esta característica promove-lhe a possibilidade de
áreas de sombra para arrefecimento, à custa da sua superfície reduzida. Fenómeno este, que se
explica pela ocorrência de planos alternados entre a incidência de luz solar nos catos (colocados
verticalmente) e as sombras provocadas pelas suas nervuras. Curiosamente, um botânico
descobriu que quando os catos são colocados horizontalmente sob o sol, os mesmos sofrem
queimaduras responsáveis pela sua morte (Figura 48). Neste sentido, poder-se-á considerar a
orientação das nervuras dos catos, uma estratégia de sobrevivência dos mesmos (AskNature,
n.d.f). Todas estas estratégias, são importantes características percetíveis na espécie designada
por C. gigantea, pertencente à família Cactaceae.
Figura 48 - Incidência solar nos catos (Harrington, 2012)
Também pertencente à família de Cactaceae, Echinocactus grusonii, é um cato que habita
predominantemente no México, cuja espécie foi sujeita ao estudo “Plant Modeling and
Analysis”, realizado por Emerson Porras, onde foi comprovada a funcionalidade das costelas
(pregas), nervuras e espinhos que o constituem. Pelas imagens termográficas apresentadas na
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
56
Figura 49, é possível observar-se uma estrutura sem reforço (imagem a)), que sofre um maior
sombreamento na parte inferior do cato. Pela imagem b) verifica-se uma estrutura com
nervuras, onde é percetível um maior sombreamento na parte inferior do cato, assim como, uma
significativa proteção na sua parte superficial, por intermédio da profundidade entre costelas.
Pode ainda, observar-se pela imagem c), o efeito dos espinhos, com sombreamento similar por
toda a extensão da superfície exterior do cato. No seu topo, este ainda possui uma maior
quantidade de espinhos brancos, que lhe incrementam proteção solar superior. Estas
características funcionam assim, como um revestimento exterior, que promove um maior
sombreamento e eficácia no controlo solar (designEmergente, 2007).
Figura 49 - Análise térmica: a) estrutura sem proteção; b) estruturas com nervuras; c)
estrutura com espinhos (designEmergente, 2007)
Outro caso semelhante trata-se de um dos membros de uma das maiores famílias de plantas
com flores e com mais de sete mil espécies, a Euphorbia (Figura 50). A mesma protege-se do
calor/seca, através da sua superfície (revestimento) de cera dura, sendo que se assemelha aos
catos vulgarmente conhecidos na América, pela forma como ambos respondem a estímulos
condicionados pelo calor e a seca. As características desta espécie são normalmente aplicadas,
na conceção de edifícios sujeitos a climas quentes e secos (AskNature, n.d.h).
a) b)
c)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
57
Figura 50 – Euphorbia (Qwertzy2, 2011)
A árvore do Quiver, cientificamente designada por Aloe dichotoma Masson, é uma espécie de
aloé, que está presente na natureza desde a África do Sul até à Namíbia (Figuras 51 e 52). A
mesma revela-se uma espécie muito resistente à seca e às variações climáticas, podendo
instalar-se em terrenos rochosos e secos (Shapiro, n.d.). Esta característica deve-se
fundamentalmente à sua estrutura, em que tal como a restante família, tem folhas grossas
suculentas que crescem em rosetas, sendo ainda içadas a 20 pés no ar. Deste modo, a espécie
em questão consegue proteger-se das temperaturas elevadas a que está diariamente sujeita. Para
além disso, o seu tronco é ainda revestido por uma película branca que reflete os raios solares,
gerando pequenas escamas afiadas e cortantes. Estas caraterísticas de adaptação, por parte da
espécie Aloe dichotoma poderão ser aplicadas na captura e transferência de radiação UV para
aplicações fotovoltaicas, refletores UV (integrado em janelas de edifícios e automóveis),
revestimentos antirreflexo UV e em proteção solar (AskNature, n.d.a).
Figura 51 - Árvore do quiver (Gloor, n.d.)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
58
Figura 52 - Árvore do quiver (Walker,2012)
Atualmente, é possível encontrar-se diversos organismos com diferentes configurações, mas
todos eles promotores de calor contracorrente. Apesar destes mecanismos serem do
conhecimento dos engenheiros, um olhar mais atento sobre o design utilizado pela natureza
poderá ser útil na conceção de sistemas de controlo térmico em habitações. Este é o caso Gazela-
de-Thomson (Figura 53), cujo cérebro arrefece graças à troca de calor contracorrente, numa
elaborada rede de vasos sanguíneos, a artéria carótida. Esta espécie habita na savana do Leste
Africano onde é exposto a altas temperaturas e a predação por grandes felinos (chita, leão, ou
leopardo). Daí surgir a necessidade de desenvolver uma estrutura de troca de calor
contracorrente, que possa manter a temperatura do seu cérebro mais baixa do que a temperatura
do seu corpo. Esta capacidade pode, ainda, dar à gazela uma importante vantagem de
sobrevivência nas suas atividades predatórias. A mesma pode ser aplicada como modelo de
troca de calor na construção de edifícios (AskNature, n.d.b).
Figura 53 - Gazela-de-thomson (Labat, n.d.)
Curiosamente, também as cascas de árvores são capazes de manter a sua superfície ventilada,
reduzindo absorção da luz solar e maximizando a reflexão da mesma. Ao longo de alguns
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
59
estudos, verificou-se que a casca de árvores otimiza a reflexão da luz solar num intervalo de
0,7 a 2 microns. Isto é, sensivelmente, a janela ótica em que a luz solar é transmitida e refletida
pela vegetação. Em simultâneo, a casca de árvore é altamente absorvente, refletindo
posteriormente a radiação absorvida, numa gama de 6 e 10 microns. Estas propriedades devem-
se principalmente aos taninos e criam condições ideais para o controlo da temperatura radiativa.
No entanto, as características óticas de cascas de árvores não são o único fator considerado
como evolução, no que se refere ao equilíbrio térmico das mesmas. Algumas cascas de árvores
apresentam uma estrutura semelhante às folhas de papel peeling, com elevado isolamento
térmico, como é o caso do vidoeiro (Figura 54). Ou ainda possuem uma superfície muito áspera
que contribui para um maior número de áreas sombreadas (Henrion & Tributsch, 2009).
Figura 54 – Vidoeiro (Omega, 2011)
Outro facto adicional, considerado em tal evolução, trata-se da estrutura arredondada de árvores
ramificadas, capaz de minimizar a superfície em relação ao volume. Esta característica permite
que, grande parte da radiação solar não seja absorvida. Tais propriedades poderão ser aplicadas
em tintas e superfícies de revestimento otimizadas na regulação térmica, através do controlo da
absorção da luz solar e da sua reflexão (Henrion & Tributsch, 2009).
A termorregulação dos seres vivos não tem quaisquer limites. No caso do caracol do deserto,
pertencente à classe de moluscos, Gastropoda, tem a capacidade de sobreviver no deserto, até
temperaturas de 50°C (Figura 55).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
60
Figura 55 – Caracol do deserto (Schmidt-Nielsen et al., 1971)
Esta característica deve-se a alguns fatores e propriedades inerentes ao caracol. A sua concha
é de cor clara, o que lhe permite refletir 95% da radiação incidente, a partir da superfície do seu
invólucro. Esta propriedade permite ao caracol sobreviver ao calor do dia, uma vez que este se
retira para a parte superior da espiral, onde a temperatura é mais fria (aproximadamente 50°C).
A temperatura do ar pode chegar aos 45°C e a temperatura da superfície terrestre (substrato)
aos 65°C, no entanto graças ao sombreamento e à elevada refletividade, em combinação com a
lenta condução do calor do solo, o mesmo resulta numa temperatura de 60°C. Assim, o fluxo
do caracol na direção da baixa temperatura origina uma almofada de ar isolante, que o separa
da superfície do solo e constitui mais um obstáculo ao fluxo de calor para o caracol. Estas
características poderão ser implementadas em projetos de construção em climas quentes e
desérticos (Schmidt-Nielsen et al., 1971).
Segue-se agora, em forma resumida, um quadro comparativo das várias propriedades e
características dos seres-vivos apresentados ao longo deste capítulo.
Quadro 3 - Características dos seres-vivos apresentados
Adaptação
Clima Ser Vivo Descrição
Frio Faisão da Austrália Fornecem calor aos seus ovos pelo uso de vegetação
apodrecida, sendo posteriormente coberta com areia. Pela
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
61
manhã, constroem montes e espalham-nos de forma a evitar o
superaquecimento. À noite, após arrefecimento voltam a cobrir
os seus montes, de forma a conservar calor. Estas camadas são
repostas, caso percam as suas propriedades térmicas. Esta
característica poderá ser usada como técnicas de auto
ventilação em edifícios.
Numbat
A sua pelagem superficial espessa favorece a perda de calor
no verão e permite a sua absorção no inverno. Este possui
características estruturais e espectrais, que lhe confere elevada
uma capacidade na retenção de calor. Com base neste
revestimento foram já criados diversos materiais com
características biofísicas (isolamento, estrutura, cor) para
autocontrolo térmico.
Golfinho de
bottlenose
Este golfinho tem como importante característica a sua
camada de gordura interna, que lhe permite conservar calor,
agindo como uma material de mudança de fase. Ainda que
sejam necessários mais estudos comprovativos, a inclusão
destes materiais em elementos de construção, trarão vantagens
consideráveis na área.
Repolho do skunk
Das poucas plantas que controla a sua temperatura interna, a
mesma gera calor através da queima de amido em células
especiais. Contudo, ainda não foi descoberto exatamente a
forma como o fazem.
Besouro-hércules
Esta espécie possui a capacidade de alterar a cor verde do seu
exosqueleto para preto, através do aumento da humidade. No
entanto, a explicação cientifica par tal processo, é até então
desconhecida.
Renas polares
Os animais presentes em regiões polares possuem uma
pelagem bastante densa, com características isoladoras. Renas
polares combinam as características de uma pelagem densa,
longa e impermeável, cuja principal função passa por evitar a
circulação ar, evitando ainda a dissipação de calor interno.
Assim sendo, o isolamento conferido pela sua pelagem poderá
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
62
ser considerado como o mecanismo de termorregulação face ao
ambiente a que as renas estão sujeitas.
Carneiro merino
Semelhante ao caso anterior, a pelagem/lã densa de ovelhas é
particularmente eficaz no controlo de temperatura. Esta espécie
habita na Austrália, mas tem a capacidade de adaptar tanto a
ambientes quentes como frios. O seu revestimento poderá ser
uma excelente técnica a resolver na aplicação de isolamento
em fachadas.
Pinguim imperador
A nível comportamental, o pinguim imperador tem a
capacidade de economizar energia sob a forma de calor, ao
proteger-se do frio extremo através do “amontoamento social”.
Este possui ainda diversas adaptações estruturais, que lhes
permite reter grande parte de calor, tais como dimensões
consideravelmente grandes, um corpo comprido, um pescoço
curto, pernas curtas, entre outras. A sua cauda curta, permite-
lhe ainda equilibrar-se em terra e seus saltos no gelo sob a
forma de tripé, diminuem a sua área de contacto, que por sua
vez, diminui a perda de calor. Esta espécie poderá assim,
oferecer novos conceitos na aplicação de isolamentos em
edifícios.
Pinguim - de -
adélia
A sua forma compacta e a baixa razão entre a superfície e
volume reduz as perdas de calor desta espécie. As suas penas
são curtas e densas, sobrepondo-se umas sobre as outras,
conferindo isolamento em terra. Estas são ainda revestidas com
um óleo que lhe confere impermeabilidade. Por debaixo das
suas penas existe ainda uma camada de gordura que
proporciona isolamento adicional contra o frio, principalmente
em atividades aquáticas.
Formiga da madeira
do sul
Os seus ninhos são confecionados a partir de fragmentos de
vegetação/pinheiros coletados pelas formigas e posteriormente
colocados no topo dos troncos de árvores. Os mesmos, em
forma de monte, são isolados, possuindo inúmeros buracos que
servem de orifícios de ventilação. Contudo, à noite e a baixas
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
63
temperaturas, a formica rufa cerra as aberturas do seu ninho, de
forma a manter o calor interior do espaço. Para além disso,
estes trabalhadores ainda mantêm a inclinação perfeita dos
seus ninhos, de modo a coletar a quantidade máxima de
radiação solar possível. Então, as formigas da madeira podem
aquecer os seus ninhos passivamente, transportando ainda
calor extra, coletado pelos seus corpos. Posto isto, as técnicas
de sobrevivência de formigas poderão ser implementadas
como ideias para climatização passiva em edifícios.
Coelhos
Os pulmões dos coelhos atuam de duas formas, de maneira a
promover uma ventilação adequada, com a ilimitação de vapor
de água e de calor em excesso.
Raposa-do-deserto e
Raposa-do-ártico
A raposa-do-deserto ou feneco são pequenas raposas com
orelhas grandes, focinhos compridos e pêlos compridos que lhe
permite perder facilmente o excesso de calor. Possuem ainda
uma cauda com cerca de 15cm, e uma cor semelhante à de
areia, que lhe permite a reflecção de radiação solar ao longo do
dia e conservar calor ao longo da noite. Contrariamente, a
raposa-do-ártico possui extremidades bem mais reduzidas que
lhe reduz grande parte das perdas de calor.
Calor
Cactáceas/Catos,
Ex: Echinocactus
grusonii;
Euphorbia
Em ambientes desérticos, as plantas são caracteristicamente
espinhosas, mais resinosas ou mais tóxicas. Este é o caso de
plantas suculentas como as cactáceas (Cactaceae) e os catos
cujas suas adaptações consistem em possuir raízes superficiais,
muito longas e ramificadas, que permite o aproveitamento de
uma grande área de solo para absorção de água, reduzindo a
perda de água nas folhas, ou aumentando a quantidade de água
armazenada em seus tecidos. Nas plantas xerófitas (plantas que
resistem bem a condições de seca), a sua pele, ou cutícula
espessa e reduzida é constituída por grossas camadas de cera
que reduzem a perda de água por transpiração. Para além
destas, destacam-se ainda a abertura de estômatos, como
adaptações bioquímicas que, durante o dia, sob sol forte,
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
64
permanecem fechados para evitar a perda da água na forma de
vapor. O fecho ou abertura de estômatos obedece a um
controle hormonal efetuado por um ácido comum entre
plantas. Outro exemplo de adaptação ao clima refere-se à
fotossíntese, no qual, em dias de grande calor, plantas de clima
temperado realizam a fotossíntese com menor eficiência, ou
seja, apresentam uma queda na incorporação de CO2
atmosférico na produção de açúcar. Estes em geral, ainda
usufruem das suas nervuras, que lhe conferem a capacidade de
reflexão de calor e redução de evaporação de água. Esta
característica promove-lhe a possibilidade de áreas de sombra
para arrefecimento, à custa da sua superfície reduzida.
Fenómeno este, que se explica pela ocorrência de planos
alternados entre a incidência de luz solar nos catos (colocados
verticalmente) e as sombras provocadas pelas suas nervuras.
A espécie de catos designada por Echinocactus grusonii,
permite comprovar a funcionalidade das suas adaptações
físicas.
Outro caso semelhante trata-se da Euphorbia, que se protege
do calor/seca, através da sua superfície de cera dura. Estas
características poderão ser aplicadas, na conceção de edifícios
sujeitos a climas quentes e secos.
Árvore do quiver
Natural das regiões áridas, as árvores conhecidas por Quiver
Tree, revelam-se uma espécie muito resistente à seca e às
variações climáticas, podendo instalar-se em terrenos rochosos
e secos. Esta característica deve-se fundamentalmente à sua
estrutura, na qual possui folhas grossas suculentas que crescem
em rosetas, sendo ainda içadas a 20 pés no ar. Para além disso,
o seu tronco é ainda revestido por uma película branca que
reflete os raios solares, gerando pequenas escamas afiadas e
cortantes. Estas caraterísticas de adaptação, por parte desta
espécie, protegem-na das temperaturas elevadas a que estão
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
65
sujeitos, podendo ainda, ser aplicadas na captura e
transferência de radiação UV para aplicações fotovoltaicas,
refletores UV (integrado em janelas de edifícios),
revestimentos antirreflexo UV e em proteção solar.
Gazela de thomson
A gazela de Thomson possui um cérebro que arrefece graças à
troca de calor contracorrente, numa elaborada rede de vasos
sanguíneos (artéria carótida). Esta espécie habita na savana do
Leste Africano, onde é exposta a altas temperaturas e a predação
por grandes felinos. Daí, surgir a necessidade de desenvolver
uma estrutura de troca de calor contracorrente, que possa manter
a temperatura do seu cérebro mais baixa, do que a temperatura
do seu corpo. Esta importante característica poderá ser aplicada
como modelo de troca de calor na construção de edifícios.
Vidoeiro
Também as cascas de árvores são capazes de manter a sua
superfície ventilada, reduzindo absorção da luz solar e
maximizando a reflexão da mesma. Estas propriedades devem-
se principalmente aos taninos e criam condições ideais para o
controlo da temperatura radiativa. No entanto, as características
óticas de cascas de árvores não são o único fator considerado
como evolução, no que se refere ao equilíbrio térmico das
mesmas. Algumas cascas de árvores apresentam uma estrutura
semelhante às folhas de papel peeling, com elevado isolamento
térmico, como é o caso do vidoeiro.
Outras ainda possuem uma superfície muito áspera que
contribui para um maior número de áreas sombreadas. Outro
facto adicional, considerado em tal evolução, trata-se da
estrutura arredondada de árvores ramificadas, capaz de
minimizar a superfície em relação ao volume. Esta característica
permite que, grande parte da radiação solar não seja absorvida.
Tais propriedades poderão ser aplicadas em tintas e superfícies
de revestimento otimizadas na regulação térmica, através do
controlo da absorção da luz solar e da sua reflexão.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
66
Caracol do deserto
O caracol do deserto tem a capacidade de sobreviver no deserto,
até temperaturas de 50°C, a qual se deve a alguns fatores e
propriedades inerentes ao caracol. A sua concha é de cor clara,
o que lhe permite refletir 95% da radiação incidente, a partir da
superfície do seu invólucro. Esta propriedade permite ao caracol
sobreviver ao calor do dia, uma vez que este se retira para a parte
superior da espiral, onde a temperatura é mais fria
(aproximadamente 50°C). A temperatura do ar pode chegar aos
45°C e a temperatura da superfície terrestre (substrato) aos
65°C, no entanto graças ao sombreamento e à elevada
refletividade, em combinação com a lenta condução do calor do
solo, o mesmo resulta numa temperatura de 60°C. Assim, o
fluxo do caracol na direção da baixa temperatura origina uma
almofada de ar isolante, que o separa da superfície do solo e
constitui mais um obstáculo ao fluxo de calor para o caracol.
Estas características poderão ser implementadas em projetos de
construção em climas quentes e desérticos.
Observando o quadro anterior e ponderando os objetivos principais do presente trabalho, foram
selecionados três dos mesmos casos para ser posteriormente analisados em detalhe.
Considerando o principal objetivo de estudo, o desenvolvimento de uma solução para
reabilitação de edifícios com base em materiais fibrosos a partir de conceitos biomiméticos,
foram estudadas as formas como diversos seres vivos respondem à variação térmica do seu
habitat a partir da sua estrutura física. De entre os vários seres vivos analisados e referidos
anteriormente, destaca-se o caso dos catos no deserto, dos pinguins na Antártida e, finalmente,
o caso do caracol do deserto. Os argumentos que levaram à seleção destes três casos passam
pela realização dos objetivos do presente estudo, em conjugação com a inovação de materiais
e a possível execução de estruturas mimetizadas. Inicialmente, pensou-se no caso do faisão-
australiano e nas formigas de madeira do sul, pela sua capacidade de gerar conforto térmico,
através da ventilação adequada e da conservação de calor, no entanto, estas espécies, tais como
outras referidas, possuem um mecanismo de termorregulação térmica dinâmico, o que tornaria
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
67
a execução da experiência bem mais complexa e duradoura. Os golfinhos de bottlenose, os
repolhos do skunk, a gazela de thomson e o besouro hércules, são quatro exemplos com
mecanismos importantes de termorregulação interna, contudo ainda requerem mais estudos
científicos acerca dos mesmos. O exemplo das árvores do quiver e das árvores de casca como
o vidoeiro, possuem estratégias muito interessantes de sobrevivência, embora não sejam
simples de se mimetizar. Outros casos muito interessantes, como o do esquilo numbat, das renas
polares e das ovelhas de merino, foram então ignorados pelo simples facto de não se tratarem
de sistemas de isolamento sob forma estrutural multicamada. Contrariamente, e em semelhança
ao urso polar, os pinguins da Antártida têm um sistema de termorregulação multicamada, isto
é, as suas penas de cor estratégica conferem-lhe isolamento em terra e são impermeáveis graças
a um óleo originado por uma glândula localizado na sua cauda, sendo que ainda existe, por
debaixo das penas, uma camada de gordura que lhe proporciona isolamento adicional. Este é o
motivo pelo qual exemplo dos pinguins foi selecionado. Apesar de não se tratar de um sistema
de isolamento multicamada, o caso do caracol foi escolhido por se tratar de um modelo já
considerado na execução de escadas em caracol, baseado na sequência fibonacci. Este despertou
então interesse, pela forma curiosa de como mantem a sua temperatura interna estável, nunca
atingindo o seu limite de sobrevivência, ainda que a temperaturas extremas. Exemplo este, que
demonstra a inexistência de quaisquer limites no que se refere à termorregulação de seres vivos.
O exemplo mais surpreendente e fascinante, talvez se refira ao caso dos catos no deserto, pela
sua relação entre as várias orientações das suas nervuras com a direção da incidência solar.
Quem diria inclusive, que os dispensáveis espinhos teriam uma função tão importante na
proteção contra a radiação solar. Tal como se pensava em relação aos espinhos, também as
nervuras aparentemente com a função apenas estética, são fundamentais na termorregulação
destas plantas. Estes são então, os motivos mais relevantes que levaram ao destaque deste
último exemplo, de entre os vários apresentados.
3.2 Modelos naturais de estudo
3.2.1 Catos versus ambientes desérticos
As mudanças climáticas são a maior ameaça ambiental do século XXI, com consequências
profundas e transversais a várias áreas, não apenas a nível económico, como social e
principalmente a nível ambiental. Neste sentido, é legítimo afirmar que as novas condições
climatéricas influenciaram a evolução dos seres vivos primogénitos, de forma a conseguir
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
68
adaptar-se às mesmas (Caldasso, 2012a). Tal como diversos seres vivos existentes, destaca-se
o caso das Cactáceas (Cactaceae) pela sua constante evolução em função do seu meio
envolvente. Os catos são plantas suculentas, contudo nem todas as plantas suculentas poderão
ser consideradas como catos. Este é o caso de aloés, agaves, fouquieria splendens (ocotillos) e
euphorbias que, devido à sua forma almofadada e espinhosa, são por vezes confundidos com
catos. Contudo, estes só poderão ser considerados catos nos casos em que as plantas produzam
a chamada flor, composta por pétalas, estames e estigma (Dimmitt, n.d.). Os catos estão assim
divididos em 50 famílias, entre as quais as Cactáceas, estas subdivididas em mais de 100
géneros e 1800 espécies (Caldasso, 2012b). As mesmas são provenientes de regiões desérticas
e semi-desérticas (de baixo índice pluviométrico) e poderão ser observadas desde o Canadá até
à região da Patagónia, assim como, em toda a América e ainda nas ilhas do Atlântico, Pacífico
e Caribe (Caldasso, 2012a). Ainda assim, diversas espécies (Figura 56) surgem em matas
tropicais húmidas, onde não existem épocas de seca. Posto isto, podemos referir que, os catos
possuem uma excelente habilidade em se adaptarem ao ambiente envolvente, uma vez que são
originários da América e já se encontram atualmente na Ásia e na Austrália (Caldasso, 2012b).
Figura 56 – Cactáceas (Lourenzo-Cáceres, 2015)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
69
Cactáceas são então constituídas por caules suculentos e cilíndricos, com sulcos e relevos,
simples ou ramificados, constituindo uma diversidade de tamanhos e formas. A presença da
aréola, com aspeto de uma almofada de pelos e espinhos, é uma propriedade que a caracteriza
esta família de plantas. No caso das cactáceas com a superfície externa com costelas, estas
aréolas dispõem-se principalmente sobre elas, como também nas axilas das folhas ou nas
extremidades dos ramos e caules. A partir destas extremidades, podem então surgir novas
ramificações, folhas, flores, pelos e espinhos. Os espinhos são outra importante propriedade
dos catos, tratando-se de folhas alteradas, que se apresentam de diversas formas, tamanhos e
quantidade, dispondo-se sobre as aréolas de forma radial e central. No que diz respeito à sua
forma, estes podem ser delgados e maleáveis, idênticos às fibras de algodão/lã (fibras sedosas,
presentes nas extremidades dos caules, nas flores ou nos sulcos entre as aréolas) ou espessos e
robustos (semelhantes a um esporão), alinhados ou curvos e arredondados ou achatados. No
que se refere ao tamanho, também poderão ter desde pequenos milímetros até centímetros de
comprimento. A superfície externa dobrada estende-se ao longo da haste, sob a forma de pregas
(vulgarmente conhecida por “costelas”) separadas umas das outras por sulcos de profundidade
alternada. (Dimmitt, n.d.; Caldasso, 2012b). Estas pregas apresentam-se em quantidades e
formas variadas (lisas ou salientes, retilíneas ou curvas). As suas raízes são, em regra, finas
ramificadas e superficiais, dispondo-se por uma área relativamente extensa, o que permite a
captação de água existente no solo (Caldasso, 2012b).
Estes catos são mais vulgares em regiões semi-áridas, contudo existem espécies em desertos
extremamente áridos e em florestas tropicais húmidas, sendo que 300 destas espécies surgem
no Deserto de Sonora (Sonoran Desert). O Deserto de Sonora, também conhecido como Deserto
Gila e Baixo Deserto, localiza-se na América do Norte na fronteira entre os Estados Unidos e
o México. O mesmo encontra-se subdividido em cerca de sete subdivisões, das quais se destaca
o deserto Arizona Upland, pelo seu clima de geadas frequentes, onde apenas um cato com
características semelhantes às do cato colunar, Carnegiea gigantea, possui a capacidade de
resistir ao ambiente frio a que estão sujeitos (Dimmitt, n.d.).
Os cato saguaro (Carnegiea gigantea) é originário dos Estados Unidos da América e é quase
totalmente restrito ao sul do deserto de sonora, sendo a sua presença predominante no Arizona
Upland (Dimmitt, n.d.). Este é o cato mais estudado no deserto de sonora, pelo que a sua
ecologia será descrita com maior detalhe seguidamente.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
70
3.2.1.1 Classificação científica
No que diz respeito à classificação científica, a espécie C.gigantea conhecida por saguaro pode
ser qualificada segundo o apresentado no Quadro 4.
Quadro 4 - Classificação científica dos catos saguaro (InfoJardin, n.d.)
3.2.1.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente
De características semelhantes às outras espécies de catos, saguaro (Figura 57) distingue-se
facilmente pela sua elevada altura. Segundo Dimmitt, saguaro é então considerado a maior
espécie de catos existente nos Estados Unidos, atingindo geralmente 12m (40 pés) de altura.
No entanto, existem ainda casos que alcançam os 18m (60 pés) de altura, sendo que já foi
observado um outro caso com 23.8m (78 pés) de altura (Dimmitt, n.d.).
Figura 57 - Saguaro (Carnegiea gigantea) (Blevins, n.d.)
Reino
Divisão
Classe
Ordem
Família
Género
Espécie
Classificação Científica
Plantae
Magnoliophyta
Magnoliopsida
Caryophllales
Cactaceae
Carnegiea
C. gigantea
Nome Binomial
Carnegiea gigantea
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
71
A pele (epiderme), ou cutícula espessa deste cato é constituída por camadas de cera que
reduzem a perda de água por transpiração (perda de vapor de água) e tornam a sua superfície
impermeável. As suas hastes cilíndricas possuem a sua superfície externa sob a forma de pregas
(“tipo acordeão”), vulgarmente chamados por “costelas”, que lhe permite expandir-se durante
a absorção de água sem ceder à rutura (Dimmitt, n.d.). Curiosamente o número de nervuras no
interior da planta corresponde exatamente ao número de pregas presentes na sua superfície
exterior (Saguaro National Park, n.d.). As aréolas encontram-se assim distribuídas, sob a forma
de intervalos, ao longo das arestas das costelas com 0.25m (1 polegada), onde a partir de cada
uma delas é produzida cerca de 30 espinhos (Figura 58). Estes são por norma, bem afiados e
rijos, exercendo um importante papel na produção de sombreamento, protegendo o cato da
elevada radiação solar, reduzindo assim a carga de calor e a consequente perda de água (Miller,
2011). Com base em análises de elementos de modelos ramificados, no seu estudo “Functional
morphology and biomechanics of branch–stem junctions in columnar cacti”, Schwager H, et
al., demonstram que a zona de ligação entre troncos-ramos, não se trata de uma região de
fragilidade estrutural, bem pelo contrário, trata-se de uma região de elevada resistência à torção
e à flexão. Esta ligação é até então considerada, uma adaptação anatómica, por parte de catos
colunares, por forma a melhorar e aumentar a funcionalidade e estabilidade das ramificações
(Schwager et al., 2013).
Figura 58 – Aréolas, espinhos e pelos/ramificações (Collins, 2001)
Por debaixo da sua pele, o cato possui uma camada constituída por células que contêm clorofila,
onde se realiza a fotossíntese (consumo de dióxido de carbono para produção de açucares e
hidratos de carbono). No seu interior, saguaro é ainda constituído por um tecido de
armazenamento de água, designado por córtex (Figuras 59 e 60). O mesmo localiza-se entre a
camada externa (epiderme) e o núcleo central de feixes vasculares, sendo constituído por células
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
72
indiferenciadas do parênquima e células corticais exteriores com cloroplastos (clorênquima)
(Cactuspedia, n.d.).
Figura 59 – Córtex (Deacon, n.d.)
Figura 60 – Córtex (Cactuspedia, n.d.)
Esta é uma importante propriedade da espécie de catos referida, uma vez que este é
maioritariamente constituído por água. Durante o dia, o calor sob a forma de radiação, é
absorvido através da superfície exterior e armazenado na massa interior do tecido, do que
resulta um aumento da temperatura interna do cato. É importante referir que, esta é mesma
inércia térmica que mantem os tecidos do cato a uma temperatura desejável, nas noites mais
frias de inverno (Dimmitt, n.d.). No entanto, dissipar água é uma outra forma do cato manter a
sua temperatura corporal adequada, um vez que a evaporação de água a partir da superfície das
folhas permite o seu arrefecimento. Dado que a água é um recurso, por norma, escasso em
ambientes desérticos, o seu desperdício funciona apenas como um mecanismo de arrefecimento
e aquisição de moléculas de CO2 para a posterior realização da fotossíntese (Miller, 2011).
Ainda assim, os catos saguaro possuem raízes superficiais (Figura 61), muito longas
(aproximadamente 0.6m) e ramificadas, que permite o aproveitamento de uma grande área de
solo para absorção de água (Dimmitt, n.d.).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
73
Figura 61 - Raízes superficiais dos catos saguaro (Deacon, n.d.)
Saguaro pode ocasionalmente desenvolver uma anomalia, com forma grosseira e distorcida,
vulgarmente conhecida por “cristas” (Figura 62). Estas poderão ser causadas pelo seu elevado
tamanho, em conjunto com o contacto de gelo ou de insetos que interrompem o seu normal
crescimento (Dimmitt, n.d.).
Figura 62 - Cristas desenvolvidas em catos saguaro (Deacon, n.d.)
Cada espécie de catos possui o seu próprio mecanismo de sobrevivência, no entanto todas elas
partilham de adaptações semelhantes, ainda que, em diferentes espécies. Para tal, os catos
recorrem, à cor da sua pele, aos pelos e espinhos desenvolvidos, às glândulas de sal, ao seu
tamanho e forma física e até mesmo à sua orientação predominantemente vertical. Uma outra
forma que permite ao cato reduzir a sua absorção de radiação, passa pela sua reflecção através
de cores predominante claras (por ex. verde e cinza claro), cuja razão entre a quantidade de
radiação refletida e absorvida é elevada, ou seja, elevada reflectância e baixa absorção solar.
Segundo Miller, no seu estudo “How Plants Keep Their Cool”, as folhas verde escuras chegam
a absorver cerca de 85% da radiação incidente, enquanto que as espécies adaptadas ao clima
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
74
envolvente, absorvem menos de metade das anteriores (aproximadamente 30 a 40%). Existem
ainda, arbustos no deserto cujas folhas estão cobertas de pelos brancos, assim como, catos que
desenvolvem espinhos de cor amarelada e branca, sendo então, altamente reflexivos. No seu
estudo, Miller refere ainda que, a remoção dos espinhos do cato Ferocactus Cylindraceus,
originou um aumento da temperatura média superficial em cerca de 13.78 C, durante o dia. No
saguaro (cato colunar), estes são capazes de reduzir a carga térmica, à custa da baixa absorção
solar, originada pela reduzida superfície horizontal exposta aos raios solares, isto é, através da
orientação predominantemente vertical ao longo do dia (ver figura 48) (Miller, 2011).
Todos estes exemplos referidos, associados à estrutura física do cato, são pequenas adaptações
usadas pelos mesmos na sua sobrevivência face ao ambiente envolvente. Ainda assim, existem
poucos estudos experimentais com valores concretos acerca da temperatura da superfície de
saguaro.
3.2.1.2 Estudos/dados empíricos
No seu estudo ”Cactus surface temperatures are impacted by seasonality, spines and height on
Plant”, Drezner analisou as temperaturas da superfície de catos a partir dos seus sulcos
(ranhuras) e cristas, em diferentes alturas (acima do solo), em diferentes parques naturais
(Figura 63) (South Mountain Park e Kofa National Wildlife Refuge) e em estações do ano
opostas (Inverno e Verão).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
75
Figura 63 – Localização dos dois parques estudados (Drezner, 2011)
Drezner pretendeu com esta investigação, obter a resposta às seguintes questões: Qual a
diferença de temperatura na superfície de sulcos e cumes; Qual seria esta mesma diferença mas
em alturas diferentes, acima do solo; Qual a diferença de temperatura na superfície de sulcos e
cumes em orientações diferentes (ensolarado ou sombreado) e Qual seria esta mesma diferença
mas em estações do ano apostas (Verão/Inverno). Para tal, recorreu a dois métodos distintos,
um método de campo (termômetro infravermelho (IRT)), por forma a determinar a temperatura
e a um método estatístico (ANOVA), com o intuito de obter o valor da temperatura entre cumes
e sulcos a diferentes alturas. Com a utilização destes, Drezner obteve diversos resultados, do
qual, gerou uma discussão de eventuais motivos dos mesmos. Deste modo, observou-se uma
temperatura mais elevada na parte mais baixa (aproximadamente 0.5m) dos catos saguaro,
sendo a mesma mais evidenciada no verão. Esta diferença de temperatura face à sua altura deve-
se ao calor emitido a partir do solo. Dados referentes aos sulcos e cumes, demonstram que a
temperatura nos mesmos é mais alta ao sol, e mais baixa à sombra, sendo que a temperatura no
cume é mais moderada do que nos sulcos em ambos os parques e estações, uma vez que, os
cumes estão mais expostos ao vento durante o dia. Comparando a temperatura registada em
locais mais ensolarados ou sombreados, o método ANOVA demonstra que este diferencial de
temperatura se intensifica em diferentes estações, sendo o mesmo mais elevado na estação de
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
76
inverno em Kofa. Esta característica observada, justifica-se pela presença de costelas que
permitem a redução de temperatura superficial do cato, por convecção, quando associado à
forma cilíndrica do mesmo. Também as cristas dos catos saguaro, apresentaram uma
temperatura mais moderada, em relação à dos sulcos, devido à presença de espinhos sobre as
nervuras, resultando assim num aquecimento no inverno e num arrefecimento no verão. Já as
costelas são mais fechadas e as ranhuras mais profundas no lado orientado a sul, para além de
que os espinhos fornecem sombra ao cato principalmente pela sua orientação sul. Assim, os
espinhos ajudam no engrossar da camada limite em torno das nervuras (relevos), o que só por
si promove este padrão de moderação térmica. Outro importante fator para as tendências
observadas, trata-se da orientação solar (Figura 64) da própria haste do cato colunar. Durante o
inverno as hastes são perpendiculares ao solo e o raios incidem diretamente nas mesmas, devido
a um ângulo de incidência menor, quando comparado com o de verão que, resulta da radiação
direta, praticamente paralela à haste do cato (Drezner, 2011).
Figura 64 - Incidência solar (Hönel, 1997)
Deste modo, uma unidade ao quadrado de radiação solar é distribuído por uma área maior da
haste na época de verão, sendo o sombreamento provocado pelos espinhos consequentemente
maior. Face a esta orientação, os catos saguaro tem uma superfície pequena em relação ao seu
volume, pelo que tendem a absorver menos radiação e por sua vez a dissipar menos pelo
processo de propagação de calor (convecção). Esta caraterística vem contrariar a incapacidade
por parte do saguaro em se curvar/inclinar, devido à sua elevada altura. Ainda assim, e apesar
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
77
da sua haste estar alinhada em direção da radiação solar, o facto de possuir uma superfície de
área pequena, permite uma menor incidência solar ao longo de ramificações do cato. Os catos
saguaro conseguem ainda, diminuir o seu escurecimento epidérmico à custa da sua epiderme e
hipoderme que conferem proteção à clorênquima (parênquima fotossintetizante) da radiação
UV. Assim, para além da sua reduzida superfície, também a epiderme é um importante fator na
interceção da radiação solar, pelo que nos catos saguaro, a epiderme é ainda bastante mais
espessa que em outros catos. Com esta discussão de resultados, Drezner pode ainda concluir,
de uma forma geral, que as temperaturas sentidas na superfície dos catos saguaro varia com a
sua forma cilíndrica e vertical, sendo que a radiação a partir do solo também poderá ser
responsável pela sua elevação de temperatura. Contudo, os catos saguaro usufruem de
determinadas propriedades que lhes permite reduzir a incidência de radiação solar, tais como a
orientação, a presença de costelas e espinhos e ainda sua espessa epiderme (Drezner, 2011).
3.2.2 Pinguins versus sobrevivência na Antártida
À margem do mar gelado da Antártida são avistados diversos animais selvagens, desde orcas,
pinguins, focas, assim como, algumas espécies de aves como o caso da andorinha-do-mar-ártica
(Sterna Paradisaea), entre outros. Todos eles desenvolveram adaptações (comportamentais,
físicas e químicas) essenciais para a sua sobrevivência face ao ambiente hostil a que estão
sujeitos. As mesmas explicam a inexistência de determinados organismos, como anfíbios,
répteis e árvores de grande porte em ambientes severos. Adaptações comportamentais são
comuns entre organismos sujeitos a ambientes com temperaturas extremas, como é o caso de
certos pássaros (ex. andorinha-do-mar-ártica) e baleias que migram da região ártica durante o
inverno, procurando as águas mais quentes da Antártida, durante o verão no hemisfério sul. Já
adaptações químicas podem ser observadas em alguns peixes, como o caso dos que possuem
proteínas anticongelantes, ou seja, possuem a capacidade de reduzir o ponto de congelamento
do seu sangue. Certas adaptações físicas e químicas são mais difíceis de detetar, como por
exemplo, as orcas e pinguins que possuem sistemas circulatórios adaptados à conservação de
calor, assim como, plantas e líquenes que possuem folhas com estruturas que impedem a perda
de humidade e aumentam a taxa de fotossíntese mas com temperatura inferiores. Ainda assim,
existem adaptações facilmente observáveis, como o caso dos pinguins, constituídos por
camadas de pele externas com pelos e penas densas altamentes impermeáveis à água, em
conjunto com uma espessa camada de gordura que lhe confere isolamento térmico. Para além
disso, é ainda observável uma coloração alternada entre o preto (nas costas) e branco (no peito),
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
78
que lhe confere simultaneamente o aumento de absorção solar, por parte do dorso, e a facilidade
de camuflagem, perante os seus predadores. (Stephanie, 2002).
Pertencente a um conjunto de 17 espécies distintas (em peso, tamanho e forma) de pinguins
(Rossi 2012), destaca-se o pinguim imperador (Aptenodytes Forsteri) por ser o maior de todos
eles e por ser provavelmente o que enfrenta condições térmicas mais extremas, quando
comparados com qualquer outro animal de sangue quente na Terra (Ward, n.d.b; n.d.c). Isto é,
o pinguim imperador é assim, o mais alto e mais pesado de toda a espécie de pinguins que
habita na Antártida. Macho e fêmea são semelhantes na sua plumagem e em tamanho, com
altura superior a 1 m, chegam a pesar entre 22 a 45kg (PERSEO, 2010). A segunda maior
espécie, com cerca de 5 kg e 11cm em altura, distribuem-se pelo sul do continente e ilhas
subantárticas. Falamos então de pinguins-de-adélia (Pygoscelis adeliae) (Ward, n.d.b). O
menor dos pinguins é o pequeno pinguim azul (Eudyptula minor), com menos de 10cm de altura
e com apenas 2.5kg. Apesar das suas diferenças físicas, todas as espécies de pinguins gozam de
adaptações/aprimoramentos associadas às necessidades do mar (natação), assim como, ao
alcance do seu conforto térmico (New England Aquarium, n.d.). Talvez por isso, pinguim
imperador seja a única ave que nunca colocou os pés em terra (Ward, n.d.b) pelo que a sua
presença seria algo a estranhar, dado que a sua estrutura física é considerado um avanço perfeito
para a sua sobrevivência num sistema subaquático (New England Aquarium, n.d.).
Seguidamente, verifica-se uma descrição mais detalhada da espécie em destaque, o pinguim
imperador.
3.2.2.1 Classificação científica
No que diz respeito à classificação científica, a espécie Aptenodytes Forsteri pode ser
qualificada segundo o apresentado no Quadro 5.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
79
Quadro 5 - Classificação científica do pinguim imperador (Cicco, n.d.)
3.2.2.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente
A temperatura no inverno antártico pode chegar abaixo dos -30C, com a velocidade do vento
até 144km/h e uma temperatura do mar abaixo de -1.8C (PERSEO, 2010). Uma vez que
habitam cerca de 75% das suas vidas nas águas frias que circundam a Antártida, pinguim
imperador (Aptenodytes Forsteri) (Figura 65), tal como outras espécies estão completamente
adaptados às temperaturas negativas a que estão diariamente sujeitos. Suas patas são palmadas,
para uma maior velocidade debaixo de água e a sua visão é melhorada em relação à verificada
em terra. Com asas demasiado pequenas para o seu peso corporal, pinguim imperador, não está
habilitado a voar, mas sim a viver e mergulhar na água, uma vez que possuem elevados níveis
de mioglobina que, por sua vez, lhes permite a reserva de oxigénio durante os seus longos
mergulhos. Além disso, os seus ossos não são ocos, sendo assim, demasiado pesados para o
voo e apropriados ao mergulho. Ainda assim, as asas dos pinguins imperadores são fortes e
funcionam perfeitamente como remos, impulsionando, debaixo de água, o seu corpo, não
funcionando somente no mar. Pinguins tem corpos redondos e curtos, que limitam a perda de
calor em comparação com outros corpos aerodinâmicos mais longos, faces planas com
almofadas de gordura nos seios e narizes estreitos que auxiliam no aquecimento do ar inspirado
antes de chegar aos pulmões. Estas características fornecem, do total da sua massa corporal,
uma superfície mínima exposta e sujeita à perda de calor, protegendo ainda os seus pulmões e
cérebro do ar frio (On the Wallaby, 2008). Os pinguins possuem ainda uma membrana,
conhecida por “terceira pálpebra”, tratando-se de uma clara cobertura que protege os seus olhos
de uma eventual lesão. A sua cauda curta com duras penas, conjuntamente com as suas patas,
Reino
Divisão
Classe
Ordem
Família
Género
Espécie
Spheniscidae
Aptenodytes
A. forsteri
Nome Binomial
Aptenodytes forsteri
Classificação Científica
Animalia
Chordata
Aves
Sphenisciformes
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
80
permite-lhes equilibrar-se em terra, sob a forma de um tripé. Esta característica tem ainda outra
vantagem, mas desta vez, a nível térmico, dado que a superfície de contacto com o chão gelado
é reduzida e não existe fluxo sanguíneo nesta zona, então não existirão perdas de calor pela
mesma (Ward, n.d.c). Deste modo, o facto de os pinguins não possuírem isolamento nas
nadadeiras e nas patas não é propriamente um problema, pois estes usufruem de um sistema
contracorrente que transfere o calor dos vasos sanguíneos para as suas patas, chegando às
mesmas com menor temperatura, evitando assim, uma maior perda de calor. Este é um processo
semelhante ao executado pelas suas narinas, de forma a conservar calor interior
(PenguinScience, n.d. & Ward, n.d.c).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
81
Figura 65 – Ficha-resumo das características do pinguim imperador (Rossi, 2012)
Para além de características como um pescoço curto e uma cabeça pequena, que protege o
pinguim do frio, dado que reduz a superfície de perda de calor, pinguim imperador possui ainda
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
82
várias adaptações ao frio, sendo suas principais "armas", as penas otimizadas a um meio
subaquático e a densa camada de gordura corporal (Paulo, 2010). Sobre toda a superfície da
pele, as suas penas curtas e densas (aproximadamente 15 penas por cm2) (Figura 66) fornecem
cerca de 80-90% de isolamento ao pinguim (PERSEO, 2010). Este é um modelo de isolamento
considerado dinâmico, cuja função principal é proporcionar um bom isolamento à água e vento
(praticamente impermeável) (AskNature, 2012). Estas mesmas penas organizam-se de uma
forma muito original, elas sobrepõem-se entre si (“como telhas”) (Figura 67), formando uma
superfície densa praticamente impermeável ao vento e à água (Ward, n.d.c). Existe ainda uma
camada adicional de isolamento que se forma entre as penas e a pele do pinguim, isto é, uma
camada interior (entre o exterior e o corpo do pinguim) sob a forma de “pelo felpudo” que
aprisiona o ar quente contra a pele, evitando que este se disperse. Esta camada mais profunda é
assim, formada por pequenas penas, criando uma rede ordenada que gera espaços de calor
aprisionado. Graças a um músculo interligado ao eixo das penas exteriores, estas podem
comprimir-se ou erguer-se consoante a proteção necessária, constituindo, desse modo, um
mecanismo de isolamento dinâmico (AskNature, 2012).
Figura 66 – Estrutura das penas do pinguim imperador (Eggermont, 2012b)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
83
Figura 67 – Distribuição das penas do pinguim imperador (Eggermont, 2012a)
As penas são ainda revestidas com um óleo a partir de uma glândula próxima da cauda, que
permite o aumento da impermeabilização. Uma camada espessa de gordura sob a pele
proporciona um isolamento adicional contra as baixas temperaturas do ar e água.
Provavelmente este não é um isolamento suficiente por si só, contudo, em conjunto com a
camada de penas exteriores e a camada de ar comprimido, o isolamento estará assegurado.
Assim, a camada de ar aprisionado é comprimido durante os mergulhos, no entanto, poderá
dissipar-se, após um mergulho prolongado, pelo que a responsabilidade de isolamento será
suportada pela camada sub-adiposa (Ward, n.d.c). Deste modo, as penas externas formam a
primeira barreira de termorregulação, em contacto direto com o exterior, reduzindo a perda de
calor pelo mesmo. A sua pele espessa e a camada de gordura formam a segunda barreira,
contribuindo para uma total impermeabilização e isolamento (Figura 68) (Mayorga, 2010).
Figura 68 - Adaptação da plumagem saudável de um pinguim (Mayorga, 2010)
Quando ocorrem falhas de penas externas e de plumas, o corpo do pinguim consome as reservas
de gordura e até musculares que possui, por forma a manter a sua temperatura corporal.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
84
Contudo, uma dieta rica em peixe com gorduras auxilia na otimização da sua termorregulação.
Pelo contrário, a escassez dos alimentos, em conjunto, longas falhas de penas e plumas, origina
que o corpo do pinguim consuma todas as reservas energéticas, levando-o à sua morte (Figura
69) (Mayorga, 2010).
Figura 69 - Adaptação das falhas de plumagem de um pinguim (Mayorga, 2010)
Os pinguins imperador têm assim uma plumagem bastante interessante que os distingue dos
restantes pinguins (apesar das semelhanças com o Pinguim Rei (Aptenodytes patagonicus)),
desde a sua mancha dourada no pescoço e alaranja na zona de ouvido, o bico comprido e fino
e ainda a mancha lateral clara e preta. Esta também é considerada uma “dupla” adaptação, pois,
enquanto que a coloração negra o oculta pela sua semelhança com o fundo negro de mar, a sua
barriga branca faz com que se confunda com o gelo que o rodeia durante os seus mergulhos.
Para além disso, o seu dorso preto capta a radiação solar, aumentando a sua temperatural
corporal (New England Aquarium, n.d.). Os pinguins podem inclusive nadar, efetuar
caminhadas, realizar tremores e até amontoar-se em grandes grupos da sua espécie (Figura 70),
como mecanismo de aumento de metabolismo que, por sua vez, adicionará um incremento
significativo de temperatura (PERSEO, 2010).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
85
Figura 70 – Amontoamento de pinguins (Blog do M@rcondes, 2014)
Em terra e em dias de temperatura elevada, o superaquecimento poderá ser um problema, pelo
que pinguim imperador possui algumas adaptações que lhes permite arrefecer o corpo, sempre
que necessário. O seu sistema circulatório está apto a conservar/libertar calor, de modo a manter
a sua temperatura corporal equilibrada. Eles afastam as suas nadadeiras do seu corpo, expondo-
as ar fresco e erguem as suas penas, libertando a camada de ar quente isolante, entre as penas e
a pele. Como qualquer animal, os pinguins podem ainda mover-se para áreas sombreadas, de
maneira a arrefecer e baixar a temperatura do seu corpo (Ward n.d.c & PERSEO 2010).
O ambiente antártico é um ecossistema com diversas adaptações, por parte de seres vivos que
lá habitam. A sua teoria de sobrevivência pode inspirar cientistas em novos progressos, mesmo
em diferentes áreas. Neste sentido, está a ser desenvolvido uma investigação em peixes na
Antártida, com o intuito de criar proteínas anticongelantes que irão preservar órgãos humanos
para transplantes (PERSEO, 2010). Bioengenheiros estão a avaliar as propriedades estruturais
e mecânicas das penas de pinguins, com a finalidade de desenvolver materiais isolantes mais
eficazes, com a capacidade de se autorregenerar (On the Wallaby, 2008). Pinguins imperador,
estão ainda a ser estudados pela sua capacidade em aumentar o armazenamento de oxigénio no
seu organismo, pela aptidão à tolerância de efeitos de pressão e baixos níveis de oxigénio no
seu corpo, entre outros (Ward, n.d.c).
3.2.2.3 Estudos/dados empíricos
Pinguins imperador (Aptenodytes Forsteri) são capazes de sobreviver em ambientes extremos,
graças às suas adaptações (fisiológicas, anatómicas e comportamentais), especializadas na
conservação de calor. Contudo, a hipótese prevê que a perda de calor metabólico se deve
maioritariamente à transferência radioativa e convectiva, levando ao arrefecimento do seu
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
86
corpo. No seu estudo, “Emperor penguin body surfaces cool below air temperature”,
McCafferty et al., pretendia determinar a variação da temperatura superficial em diferentes
pinguins e prever a direção e magnitude dos fluxos de calor em diversas partes do corpo, de
modo a compreender qual a influência do clima sobre a espécie estudada. Para tal, foram
registadas imagens térmicas numa colónia de reprodução pertencente a Pointe Géologie em
Terra Adélia, Antártida de 4 a 29 de Junho de 2008. P25 FLIR Systems e K10 Pentax foram as
máquinas utilizadas na captação de fotografias digitais e infravermelhas, a uma distância
mínima de 10m. A temperatura do ar (C), humidade relativa e velocidade do vento (m.s-1)
foram registadas numa colônia com 1 m de altura na estação meteorológica de Dumont
d’Urville. A temperatura média superficial das diferentes partes do corpo foi determinada
através do software ThermaCAM Reporter V.7.0, especializado na análise de imagem. Já a
temperatura superficial do gelo foi obtida a partir da média 3 medições pontuais. Para avaliar a
direção e magnitude do fluxo de calor em diferentes partes do corpo, foi utilizado um modelo
de transferência de calor. Finalmente, todas as estatísticas foram registadas usando o software
IBM SPSS V.19. Com recurso aos mesmos, McCafferty et al. obtiveram variados resultados
(Figura 71), do qual gerou uma discussão de eventuais motivos dos mesmos. Deste modo,
observou-se uma diferença significativa de temperatura entre as diversas partes do corpo, pois
ainda que, as temperaturas nas partes dorsal e do ventre fossem semelhantes (inferiores à
temperatura ambiente), estas foram mais baixas em relação à cabeça, nadadeiras e patas
(superiores à temperatura ambiente). Ainda assim, as imagens revelaram que todas estas
superfícies exteriores apresentaram temperatura abaixo de zero, à exceção da zona dos olhos
(McCafferty et al., 2013).
Figura 71 – Adaptação das imagens térmicas dos pinguins imperadores (McCafferty et al.,
2013)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
87
Este fenómeno deve-se ao extremo arrefecimento superficial radioativo, à medida que a
temperatura é inferior à envolvente exterior. Assim e de um modo geral, o modelo de
transferência de calor demonstrou que a perda de calor decresceu segundo a ordem: corpo
(tronco), cabeça, nadadeiras e patas. Por conseguinte, em média, 50% do calor metabólico é
perdido através do tronco, 40% a partir da cabeça, nadadeiras e patas, sendo que os restantes
10% são perdidos por calor latente. No entanto, a perda de calor nos pinguins é minimizada
graças à sua espessa plumagem, ao ar isolante entre a pele e as penas exteriores e ainda à camada
de gordura, que lhe confere um excelente isolamento. Para além disso, também os sistemas de
intercâmbio em contracorrente e o bom isolamento por parte dos vasos sanguíneos, previne a
perda de uma maior quantidade de calor interior. Porém, mesmo com uma eventual alteração
do aquecimento ambiente, a temperatura da pele do pinguim não iria sofrer variações
significativas, pelo fato da mesma possuir uma baixa condutividade térmica. Com tudo isto e a
partir das imagens térmicas obtidas, McCafferty et al., puderam ainda concluir, de uma forma
mais generalizada que, a temperatura superficial e o balanço de energia dos pinguins dependem
particularmente da variação do seu isolamento e da sua interação com o meio.
Salienta-se ainda outro estudo, também este realizado em Pointe Géologie, Terra Adélia,
Antártida, com o intuito de estudar a função de termorregulação de uma colônia de reprodução
de pinguins imperador. Neste sentido, foram analisadas em laboratório cerca de 9 fêmeas com
30kg, na estação de meteorológica de Dumont d’Urville, num dia de inverno, de forma a
compreender o seu impacto sobre a reprodução. A determinação do gasto de energia e
temperatura corporal (da pele) foi obtida a partir de um método de calorimetria indireta através
de uma câmara com termostato, variando a sua temperatura (de 10C a -40C). Os seus tremores
(de aquecimento corporal) foram avaliados por um método que permite quantificar a atividade
física, a acelerometria. Por fim, todos os resultados obtidos foram registados em formato digital.
De entre os vários valores adquiridos, foi possível observar que a taxa metabólica se manteve
constante dentro do intervalo de 10C a -10C, enquanto que a temperatura da pele diminui
com a redução de temperatura ambiente, ao contrário da temperatura das suas patas que se
manteve alta, graças a um ajuste da sua postura corporal. Observou-se ainda que a sua atividade
metabólica era elevada, sendo que à temperatura de -40C os seus tremores aumentaram cerca
de duas vezes mais. Com o estudo, “Thermoregulation In Female Emperor Penguins”,
Duchamp et al., puderam concluir que a forma física do pinguim, assim como, as suas
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
88
adaptações (físicas e metabólicas), contribuem em muito para a sua termorregulação eficiente,
sendo este um parâmetro fundamental para a sua sobrevivência (Duchamp et al., 2001).
3.2.3 Caracol do deserto
Formados a partir de um processo de desertificação do solo, os desertos são uma região onde
ocorre pouca quantidade de precipitação e pouca vegetação é desenvolvida, ao longo do ano.
Os solos são assim pouco férteis e formados, maioritariamente, por areia e rochas. Em virtude
desta situação climática, a sua humidade é bastante reduzida, o que torna a vida de seres vivos
praticamente insustentável. Uma das características que os designa é a disparidade da
temperatura ao longo do dia, isto é, durante a manhã e tarde as temperaturas tendem a ser
demasiado elevadas, enquanto que, durante a noite são bastante reduzidas (cerca 40, 50 C mais
baixas), apontando assim para uma amplitude térmica muito elevada. Situação esta, que devido
ao facto de existir pouca vegetação no deserto, origina falta de proteção contra a radiação
incidente ao longo dia e promove a perda acentuada da mesma durante a noite. De entre os
vários desertos existentes no planeta, destaca-se o deserto do Saara, por ser o mais quente de
todos, com temperaturas superiores a 130C (Desert Animals, n.d.). Este localiza-se no norte
de África, onde existe uma elevada variedade de plantas e animais, todas elas adaptadas às
temperaturas que se fazem sentir no seu habitat. Aves e mamíferos de grande porte migram ao
longo das planícies e para montanhas, por forma a escapar às temperaturas elevadas. Já os
serves vivos de pequeno porte não podem migrar, pelo que se deslocam para locais mais
sombreados, de modo a regular a sua temperatura interior. Roedores, invertebrados e cobras
passam dias em cavernas, evitando assim o calor ao longo do dia. Os seres vivos com
metabolismo elevado reduzem a sua atividade, descansando em locais mais sombreados nas
horas de temperatura mais elevada (Defenders of Wildlife, n.d.). No caso de caracóis, estes
podem hibernar e estivar, no entanto possuem ainda outras características, como a sua concha
em espiral de cor clara, que o protege do calor extremo e lhe conserva humidade. Caracol é um
termo comum aplicado a qualquer molusco com capacidade de se retrair dentro da sua concha,
pertencente à espécie gastrópede (Parker, n.d.). Existem 43mil espécies de caracóis que habitam
no ar, em água doce ou em terra. Todos eles pertencentes ao grupo de moluscos, o Filo
Mollusca. Este é o segundo filo com a maior diversidade de espécies, depois dos Artrópodes.
O primeiro molusco residiu milhões de anos no fundo mar, no entanto, anos mais tarde mudou-
se para terra, onde desenvolveu um novo mecanismo de respiração, através de pulmões, em vez
de brânquias. Deste modo, os caracóis aprenderam a viver em terra, e sendo então observados
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
89
em desertos, nos trópicos, a nível do mar e até em montanhas, excecionando-se em clima de
geada, nomeadamente na Antártida. Estes são então vulgarmente encontrados em terrenos
rochosos íngremes, pântanos, florestas, lagoas, quintais, mais especificamente em flores, hortas,
pedras, troncos de árvores, fendas, isto é, em zonas com determinada humidade onde possam
escapar ao calor extremo, frio e secura do ambiente do deserto. A principal característica de um
caracol é a sua concha, que o protege de predadores, das temperaturas envolventes elevadas e
ainda lhe conversa humidade. Por outro lado, a mesma reduz a sua capacidade em se deslocar,
o que condiciona o seu tamanho em ambiente terrestre, face ao aquático. Com pouco menos de
10cm, o maior caracol terrestre é talvez o observado nos EUA, o lesma-banana (Ariolimax
Columbianus), sendo que de entre os menores caracóis encontra-se casos como o Ammonicera
Rota, presente no território português ou o Partula Rosea desenvolvidos numa zona restrita da
Polinésia Francesa. Os caracóis são assim muito distintos (Figura 72) no que se refere à sua
forma (nº de bandas, voltas e cumes), tamanho (altura e largura), revestimento (lisos ou rugosos)
e cor (geralmente em tons de branco, cinza, castanho e amarelo) (Welcome Wildlife, n.d.).
Figura 72 – Diversidade de moluscos (Biodiversidade, 2010)
Estes possuem ainda uma concha única (univalva), de espessura significativa, construída
em três camadas, mais especificamente, eles beneficiam de uma camada interna lisa e
brilhante, designada por hypostracum, uma camada intermédia altamente calcificada conhecida
por ostracum, e uma extraordinária camada externa, fundida numa mistura de proteínas que
mantêm a sua coloração. Durante o seu desenvolvimento, a concha do caracol passa por várias
fases, sendo a mais complexa denominada por torção. A mesma trata-se do sentido de formação
da concha que define a sua posição final, ou seja, a concha é torcida desde o seu ápice até a sua
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
90
abertura, podendo ser no sentido horário (torção para a direita e mais comum) ou no sentido
anti-horário (torção para a esquerda) (Figura 73) (Welcome Wildlife, n.d.).
Figura 73 – Adaptação de uma concha retorcida no sentido horário (Turma C11, 2006)
Os caracóis, de um modo geral, têm um corpo suave e repartido em três porções: a cabeça,
o pé e a massa visceral (sistemas digestivo, excretor e órgãos reprodutivos). A massa
visceral é ainda coberta pelo "manto", um órgão semelhante à pele que reveste o interior
do reservatório e segrega o carbonato de cálcio para a constituição da concha. No caso das
lesmas, estas apenas possuem um pequeno manto em torno do seu corpo. O cérebro caracol
é, no entanto, muito simplificado em relação a outros animais, apesar que estão aptas a
formar memórias de longo prazo. A sua boca inclui uma língua única, designada rádula,
ainda com dentes constituídos por quitina. Ao contrário de diversos animais, estes apenas
possuem um pulmão que permite a sua respiração a nível terrestre. São ainda constituídos
por dois pares de apêndices e por um par de tentáculos de extrema importância. Es tes
movem-se por meio de um grande e muscular pé, localizado na parte inferior do seu corpo,
que contém um muco, por este produzido, de forma a facilitar o seu deslizamento sobre
superficies lisas ou rugosas (Figura 74). Esta propriedade, não é mais do que uma
adpatação por parte do caracol à vida terrestre, sendo que são ainda observadas outras neste
sentido (Welcome Wildlife, n.d.).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
91
Figura 74 – Corpo do caracol (Q.I. Educação, 2013)
Como o deserto do Saara compreende parte de países e territórios como a Argélia, Egito, Líbia,
Mali, Marrocos, Sudão e Tunísia, entre outros, destacam-se as espécies Sphincterochila
prophetarum e Sphincterochila boissieri por ambas pertencerem à classe Gastrópode, sendo as
mesmas originárias do território egípcio. Estas usufruem de interessantes e idênticas
características físicas, as quais serão mais à frente abordadas.
3.2.3.1 Classificação científica
No que diz respeito à classificação científica, as espécies Sphincterochila prophetarum e
Sphincterochila boissieri poderão ser qualificadas segundo o apresentado nos Quadros 6 e 7,
respetivamente.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
92
Quadro 6 - Classificação científica da espécie Sphincterochila prophetarum (World Public
Library, n.d.b)
Quadro 7 - Classificação científica da espécie Sphincterochila boissieri (World Public
Library, n.d.a)
3.2.3.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente
Ambas as espécies, S. prophetarum (Figura 75) e S. boissieri (Figura 76), pertencem à família
Sphincterochilidae e poderão ser encontradas no deserto em Israel e no Egito. As suas conhas
são brancas, rígidas, em forma ligeiramente convexa, com baixa condução de calor na superfície
corporal (World Public Library, n.d.a; n.d.b). O diâmetro de abertura da espécie S. prophetarum
é de 14mm, com uma altura de 8mm), sendo o diâmetro da espécie S. boissieri superior ao
anterior, apresentando em média 25mm (Solem & Bruggen, 1984).
Reino
Divisão
Classe
Ordem
Família
Género
Espécie
Sphincterochilidae
Sphincterochila
S. prophetarum
Nome Binomial
Sphincterochila prophetarum
Classificação Científica
Animalia
Mollusca
Gastropoda
Helicoidea
Reino
Divisão
Classe
Ordem
Família
Género
Espécie
Sphincterochilidae
Sphincterochila
S. boissieri
Nome Binomial
Sphincterochila boissieri
Classificação Científica
Animalia
Mollusca
Gastropoda
Helicoidea
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
93
Figura 75 – Sphincterochila prophetarum (Bourguignat, 1852)
Figura 76 - Sphincterochila boissieri (World Public Library, n.d.a)
De um modo geral, os caracóis terrestres tem comportamentos que lhes permite sobreviver às
condições de temperatura a que estão diariamente sujeitos. Habitualmente diminuem a sua
atividade ao longo dia, sendo mais ativos à noite, quando a humidade é superior e a temperatura
exterior mais tolerável. Ainda assim, eles movimentam-se ao longo dia, em dias de chuva e
húmidos, pois, caso contrário, muitas espécies hibernam no sentido de se proteger das
temperaturas elevadas. Durante a sua fase de hibernação, o coração dos caracóis desacelera,
diminuindo uma percentagem significativa de oxigénio consumido. Para além disso, a maioria
das espécies enterram-se na areia de 1cm a 10cm de profundidade, retraindo-se para o interior
da sua concha, onde podem ficar em fase de estivação (semelhante à hibernação mas com sono
menos profundo) durante longos anos. Para tal, selam a sua abertura com um muco seco
(Epiphragm), em forma de parede que provoca sombreamento (Figura 77) (Welcome Wildlife,
n.d.).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
94
Figura 77 - Exemplo de um epiphragm (Helix pomatia) (Upton, 2009)
Para além das mesmas, existem ainda outras características adaptativas, fundamentais para a
sobrevivência de caracóis no deserto. Neste sentido, considerando as duas espécies referidas
anteriormente, destaca-se mais concretamente, a espécie S. boissieri, pelas suas adaptações às
condições climáticas do deserto. As mesmas encontram-se comprovadas no estudo “Desert
snails: problems of heat, water and food”, por parte de Schmidt-Nielsen et al.. Segundo este
estudo, a termorregulação dos seres vivos não tem quaisquer limites. No caso da espécie S.
boissieri estudada, esta possui a capacidade de sobreviver no deserto, até temperaturas de 50°C,
sendo acima dos 55°C temperaturas letais. Esta capacidade deve-se às propriedades específicas
do caracol. A sua concha é branca, o que lhe permite refletir 95% da radiação incidente, a partir
da superfície do seu invólucro. Tal propriedade permite ao caracol sobreviver ao calor do dia,
uma vez que este se retira para a fração superior da espiral, onde a temperatura é mais baixa
(aproximadamente 50°C). A temperatura do ar pode chegar aos 45°C e a temperatura da
superfície terrestre (substrato) aos 65°C, contudo graças ao sombreamento e à elevada
refletividade, em combinação com a lenta condução do calor do solo, o mesmo resulta numa
temperatura de 60°C. Assim, o fluxo do caracol na direção da baixa temperatura origina uma
almofada de ar isolante, que o separa da superfície do solo e constitui mais um obstáculo ao
fluxo de calor para o caracol (Schmidt-Nielsen et al., 1971).Tal princípio poderá ver analisado
na Figura 78.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
95
Figura 78 – Principio biológico do caracol no deserto (Hooker, 2012)
3.2.3.3 Simetria helicoidal
A concha de qualquer molusco poderá ser classificada como univalva (ex. caramujos) (Figura
79) ou bivalva (ex. ostras, ameijoas), à exceção das lemas e polvos que não têm concha. No
caso da classe Gastropoda, mais propriamente do caracol terrestre, a sua conha é univalva,
sendo então constituída por uma única peça em forma de espiral, provida de uma cavidade
ampla e helicoidal. Ao contrário da conha bivalva, a concha do caracol não possuí valvas que
se articulam por uma borda, sendo então movimentadas por músculos que promovem o seu
fechamento ou abertura (Brites, 2009). Para tal, estes recorrem ao chamado Epiphragm (muco),
já referido anteriormente.
Figura 79 - Exemplos de conchas univalves (Conniff, 2011)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
96
Simetria encontra-se omnipresente no mundo dos seres vivos, sendo classificada como bilateral,
radial, rotacional, diedro, translacional, helicoidal e fractal. Os variados organismos vivos
apresentam distintos modelos de simetrias, mas igualmente relacionadas com a matemática. Por
exemplo, certos vertebrados tem simetria bilateral, as algas exibem uma simetria translacional,
algumas colónias bacterianas e fúngicas incluem a simetria fractal e finalmente os gastrópodes
e ácidos nucleicos usufruem de uma simetria helicoidal. Esta última é das mais frequentes,
sobretudo entre as plantas, mas também está presente no reino animal em forma de espiral,
sendo reconhecida em conchas de caracóis, búzios e afins. Simetria helicoidal envolve rotação,
em conjunto com a translação, ao longo do mesmo eixo de rotação, isto é, um tipo de simetria
geométrica na qual a sua configuração é repetida ao girar e ao deslocar-se sobre o mesmo eixo
(Raz et al., n.d.). A palavra simetria resulta do grego sin (com) e métron (medida), estando a
ela associada a chamada “proporção” (em número). A mesma ficou conhecida, a partir do
matemático italiano Leonardo Bigollo Fibonacci que a divulgou ao expor a sequência numérica
conhecida por Série de Fibonacci (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, …). Esta inicia-se em 1 (excluindo o
zero), somando-se sucessivamente os dois números antecedentes (Neves, 2012), isto é,
(1+1=2), (1+2=3), (2+3=5), (3+5=8), (5+8=13), (8+13=21), assim como (13+21=34) e assim
sucessivamente (Figuras 80 e 81) (Francisco, 2013).
Figura 80 – Modelo matemático da espiral do caracol (Francisco, 2013)
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
97
Figura 81 - Modelo matemático da espiral do caracol (Mendes, 2007)
Numa interpretação geométrica, o número ao centro do quadrado corresponde ao valor da
aresta, pelo que a sua tendência é crescente, formando uma espiral (Francisco, 2013). A curva
da concha de um caracol, chamada na época de espiral logarítmica, está fundamentada pelo
número de ouro (resultado comum) ou número áureo (proporção/razão), igual a 1.618 valores
(Figura 82) (Neves, 2012). Neste sentido, a altura de um dos anéis de um caracol, dividida por
sua largura resulta exatamente no mesmo número (Montfort, 2013).
AD / AE = AE /ED = 1,618
Figura 82 – Representação geométrica da proporção áurea (Montfort, 2013)
Todas as divisões estão representadas de acordo com a razão do número áureo, sendo que cada
retângulo formado a partir da subdivisão do retângulo inicial é considerado uma miniatura
deste, assim como, no aumento da espiral é sempre mantido a proporção original (Montfort,
2013). Posto isto, podemos afirmar, que a relação da sequência de Fibonacci e o número de
Ouro, é um princípio que ocorre na estrutura de muitos organismos da natureza, tais como, a
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
98
proporção de abelhas fêmeas em comparação com abelhas machos numa colmeia, a proporção
de aumento do diâmetro das espirais das sementes de um girassol, a proporção do crescimento
de uma mão humana, assim como, o crescimento e ramificação de algumas árvores e ainda o
caso de certos caracóis. Tal princípio reflete a simetria e o equilíbrio no qual a vida se baseia,
reforçando a ideia grega de proporção como sinônimo de beleza/arte (Neves, 2012).
3.2.3.4 Estudos/dados empíricos
No seu estudo “Desert snails: problems of heat, water and food”, Schmidt-Nielsen et al.,
analisaram a espécie Sphincterochila boissieri (pequeno caracol com cerca de 4g e de concha
calcária branca), na estação de verão, quando a precipitação média anual é inferior a 100mm.
Isto porque, as chuvas de inverno se concentram nos meses de novembro a março, sendo este o
período em que o caracol se encontra ativo. Nos restantes meses do ano, os caracóis encontram-
se em estivação ou hibernação, devido às elevadas temperaturas. Para a medição da temperatura
(no interior do caramujo e do ar exterior) recorreram a sensores de temperatura, os Termopares,
enquanto que a temperatura letal foi determinada por meio da observação de sobrevivência de
caracóis (“cobaias”), submersos a temperaturas de 50, 55 e 60 C. A reflectância foi obtida
através de um Beckman DK2 (um espectrofotômetro de reflectância), enquanto que, a perda da
água foi definida a partir da pesagem do mesmo, por recurso a uma balança Mettler Toledo de
modelo H. A nível químico foram realizadas cerca de 100 amostras de caracóis, por métodos
padrão, referentes à água, proteínas, lípidos, hidratos de carbono e teor de cinzas. Já o consumo
de oxigénio foi medido individualmente, em caracóis, a diferentes temperaturas, com
iluminação contante ao longo do dia e noite. Na determinação dos efeitos das alterações de
temperatura sobre o consumo de oxigénio, foi utilizado um tipo de respirómetro (aparelho que
mede a taxa de respiração, a taxa de troca de oxigénio e dióxido de carbono). Por fim, de forma
a alcançar o valor de Q10 foram submetidos grupos de 50 caracóis a um ciclo de temperaturas
programas, entre 15 a 35C. Numa análise geral dos resultando, foi possível observar que a
temperatura letal para o caracol são os 55C, pelo contrário, os 50C proporcionaram total
sobrevivência independentemente do tempo de exposição. As condições de temperatura em
campo foram registadas, com total exposição solar, por parte dos caracóis, as quais resultaram
num padrão constante de valores, apesar das diferenças de características. A temperatura
máxima atingida pelo ar exterior chegou aos 42°C e a temperatura superficial do solo aos 65°C,
já no espaço de ar entre o solo e o caracol, a temperatura máxima atingiu os 60°C. No primeiro
giro do caracol (o mais próximo da abertura e do solo), a temperatura máxima obtida foi de
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
99
56°C, sendo no segundo e terceiro giros, inferior à anterior e aproximadamente 50°C.
Importante é ainda revelar, que a temperatura do próprio caracol chegou aos 50C, isto é, 5C
abaixo da temperatura letal, em condições de campo. De acordo com o espectro solar visível, a
reflectância da concha esbranquiçada do caracol é cerca de 90%, pelo que, no intervalo do
espetro solar, os mesmos, refletem bem mais do que esse valor. Como é representado na Figura
78, o fluxo de calor dá-se sempre do mais quente para o mais frio, e isso é provado, por exemplo,
quando a superfície do solo está a 65C e calor flui para a zona sombreada (pelo caracol), onde
é cerca de 5C mais baixa. Igualmente, quando o fluxo se dá do substrato para o caracol, este
passa de uma temperatura superior para uma outra mais reduzida. Ainda assim, esta última
transação é impedida por dois fatores fundamentais: em primeiro lugar a conha do caracol
encontra-se em contacto direto com a superfície do solo, influenciando na formação de uma
camada de ar isolante. A mesma é reforçada, pelo segundo e mais importante fator, que passa
pela retração do corpo do caracol dentro da própria concha, impedindo a transação do fluxo de
calor para o seu interior. Para além dos mesmos, o fato de no interior do terceiro giro estar cerca
de 50C e a temperatura exterior ser 43C, origina que este não atinja o caracol, fluindo para o
ar circundante pelo processo de condução. Após a análise dos resultados, Schmidt-Nielsen K et
al., concluíram, de um modo geral, que a temperatura letal do caracol se encontra num intervalo
entre 50C e 55C, contudo, esta não chega a ser atingida, apesar do caracol contactar
diretamente com a superfície do solo a 65C (Schmidt-Nielsen et al., 1971).
Num pequeno projeto, Altaf criou uma forma arquitetónica, baseada nas adaptações do caracol
no deserto, com potencial para ser empregue em zonas de clima quente e seco. Esta solução
arquitetónica a ser aplicada na construção proporcionará, um maior conforto por parte dos seus
utilizadores, assim como, uma importante poupança no consumo de energia (Figuras 83 e 84)
(Altaf, 2012).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
100
Figura 83 – Protótipo baseado na forma do caramujo (Altaf, 2012)
Figura 84 – Esquema da solução implementada (Altaf, 2012)
Ainda que não testado laboratorialmente, este projeto poderá servir como uma excelente base,
na execução do protótipo que se pretende desenvolver no presente estudo de dissertação (Altaf,
2012).
Na sua dissertação “Life on the Edge: Morphological and behavioral adaptations for survival
on wave-swept shores”, Miller desenvolveu um modelo biofísico, que permite determinar a
temperatura do corpo de caracóis da costa, no qual tem em consideração a influência das
características morfológicas e comportamentais sobre o valor de temperatura corporal. Após a
sua análise e obtenção de resultados, Miller pôde concluir que, embora, o próprio corpo do
caracol lhe permite ajustar a temperatura, o uso da sua conha, em conjunto, com a sua coloração
e forma, contribui de forma essencial para a sua termorregulação (Miller, 2008).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
101
CAPITULO 4 – DESENVOLVIMENTO DE ESTRUTURAS
BIOMIMÉTICAS COM BASE EM MATERIAIS FIBROSOS
No capítulo em questão, é apresentado a metodologia aplicada ao longo do trabalho
experimental realizado, desde a seleção e descrição do caso de estudo, até aos materiais e
equipamentos utilizados na realização dos ensaios.
4.1 Seleção do caso de estudo
4.1.1 Breve justificação do caso de estudo selecionado
Numa análise geral aos três casos destacados, selecionou-se o exemplo dos catos por se tratar
de um caso surpreendente, no que se refere à funcionalidade dos espinhos e à orientação das
nervuras entre si. Ao contrário do que era pensado, a existência de espinhos e nervuras em
algumas espécies não se trata apenas de uma característica estética, mas sim, de uma importante
adaptação ao ambiente envolvente.
Esta é considerada uma importante faceta no que se refere à termorregulação interna do ser
vivo. Tal característica poderá ser aplicada à crescente necessidade de adoção de estratégias e
técnicas passivas de construção, uma vez que, a principal preocupação atual na construção passa
pelo desenvolvimento de sistemas e materiais inteligentes e inovadores que permitam o bom
desempenho energético do edifício. Para tal, é essencial encontrar e aplicar ideias transmitidas
pela natureza e pelos seres vivos que a constituem. Assim, recorre-se a seres como os catos
existentes em todo os deserto, em condições térmicas extremas, pois tal como estes, também se
pretende que com o tipo de revestimento proposto, se obtenha um bom desempenho térmico
onde aplicado. Deste modo, apresenta-se e avalia-se o desempenho de um modelo físico
baseado na estrutura dos catos, englobando a utilização de materiais compósitos de matriz
polimérica e fibra natural.
4.1.2 Descrição geral do estudo proposto
Após a análise mais detalhada dos seres vivos selecionados, surge uma nova ideia de
mimetização baseada nas adaptações dos catos. As Figuras 85, 86 e 87 ilustram a solução
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
102
encontrada com a colaboração de uma designer pertencente à equipa da plataforma
FIBRENAMICS da Universidade do Minho.
Figura 85 – Ilustração de um exemplo de cato
Num conceito distinto, pretende-se desenvolver um revestimento baseado na orientação das
nervuras e na pequena superfície horizontal dos catos (figura 87).
Figura 86 – Ilustração das nervuras dos catos
Para tal, foi construída uma estrutura com base em placas, com dois tipos de materiais
diferentes, nomeadamente em chapa zincada e compósito de fibras de juta. Estas foram então
ligadas, entre si, com um ângulo de 15 e de 45, sob a forma de “acordeão” e, posteriormente,
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
103
comparadas com o desempenho de uma estrutura lisa sem qualquer ângulo (0) e com a parede
padrão (sem qualquer revestimento).
Figura 87 – Ilustração de um sistema com estrutura de lâminas
Recorreu-se ainda a um holofote de 1000W como fonte de calor (simulação de incidência solar),
sendo posteriormente, registados os resultados dos ensaios através de duas técnicas de
avaliação, nomeadamente a termografia e o sistema de medição de temperatura através de
termopares em diversos pontos da estrutura.
4.2 Modelo físico laboratorial
4.2.1 Seleção e execução da parede padrão e definição da fonte de calor
Para a realização do ensaio, recorreu-se a uma parede já anteriormente utilizada no estudo “The
evaluation of the thermal behaviour of a mortar based brick mansonry wall coated with TiO2
nanoparticles: An experimental assessment towards energy efficient buildings “, publicado em
Maio de 2014. Neste estudo foi avaliado o desempenho térmico de uma parede modelo (Figura
88) revestida por argamassa à base de nanopartículas de TiO2 (Carneiro et al., 2014).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
104
Figura 88 - Representação esquemática da parede modelo referida (Carneiro et al., 2014)
A parede (padrão), em questão, trata-se de uma parede simples em tijolo cerâmico de 15 cm
revestida externamente a argamassa (Figura 90). A preparação da argamassa foi levada a cabo,
de acordo com a Norma NP EN 196-1 (2006). A relação considerada na sua composição foi de
1: 1: 6 (cimento: cal: areia) em volume, como apresentado na Figura 89.
Figura 89 - Composição da argamassa utilizada (Carneiro et al., 2014)
Figura 90 - Representação dos lados exterior e interior da parede em questão
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
105
Para a execução dos ensaios no presente trabalho, foi necessário o acréscimo de revestimento
pelo lado interior da parede, como observado na Figura 91.
Figura 91 – Execução/montagem da parede padrão
Para a execução da mesma, recorreu-se a placas de isolante térmico em espuma rígida de
poliestireno extrudido, vulgarmente conhecido por XPS. De forma a isolar totalmente nas juntas
entre placas de XPS, aplicou-se Soudafoam 1K B3, um componente de auto expansão, pronto
a usar sob a forma de espuma à base de poliuretano (Figura 92).
Figura 92 – Componente de auto expansão: Soudafoam 1K B3
No que diz respeito à fonte calor (Figura 93), optou-se pela utilização de um holofote da marca
ASLO e modelo ASPH 1000, a que corresponde uma potência de 1000W. Este gera calor sob
a forma de radiação, chegando a atingir cerca de 300C.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
106
Figura 93 – Fonte de calor
4.2.2 Elaboração das placas utilizadas na montagem do sistema
Para cada tipo de placas utilizadas, foi executado um sistema tipo “fole de acordeão”, de modo
a se assimilar às diversas nervuras observadas nos catos. Para tal, recorreu-se a placas em chapa
zincada e em material compósito com fibras de juta. O método adotado é semelhante em ambos
os materiais, tal como é esclarecido seguidamente.
4.2.2.1 Placas em Chapa Zincada
As placas em chapa zincada foram fornecidas pela empresa FERPINTA (Indústrias De Tubos
De Aço De Fernando Pinho Teixeira, S.A.), localizada em Oliveira de Azeméis e
posteriormente cortadas com as dimensões definidas, na empresa CORREIA & CARDOSO,
LDA, localizada em Barcelos.
Dada a dimensão da parede padrão, foram posteriormente definidas as seguintes dimensões e
quantidades de placas (Quadro 8):
Quadro 8 – Características da chapa zincada
Nº de Placas
(Unidade)
Dimensões (cm) Densidade
(g/m2)
Condutibilidade
térmica (w/mk)
Resistência
térmica
(m2.k/w)
1 (44*39*0,05) 1373 110 0.000045
23 (15*39*0,05) 10764 110 0.000045
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
107
No que diz respeito à placa de 44*39 cm, esta foi testada na sua forma original, exatamente
com os dimensões referidas, sendo então considerada o revestimento padrão (sem qualquer
ângulo), de entre as placas de chapa zincada.
Quanto às 23 placas de 15*39 cm, estas sofreram uma simplificada união de maneira a formar
um sistema tipo “fole de acordeão”. Para tal, recorreu-se à utilização de fita adesiva Silver Tape
(AC45) (Figura 94) fabricada pela empresa Intertape Polymer Group, considerando apenas
cerca de 2cm de largura e uma folga entre placas de 2mm no total, como apresentado na Figura
96.
Figura 94 - Fita adesiva Silver Tape
Imediatamente antes à aplicação da fita adesiva entre as placas, limpou-se as superfícies de
aderência com um toalhete de papel humedecido com Sika® Aktivator-205 (Sika Cleaner-205).
O mesmo trata-se de um promotor de aderência à base de solventes, isto é, uma solução
alcoólica, que contém uma substância para ativar as faces de colagem, antes de colar qualquer
produto (Figura 95).
Figura 95 - Sika® Aktivator-205
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
108
Figura 96 – União entre placas através de fita adesiva
Após a união entre as 23 chapas obteve-se o sistema pretendido, com cerca de 15 graus entre
cada uma das mesmas (Figura 97).
Figura 97 – Sistema com estrutura de lâminas de aço com possibilidade de variar o ângulo
entre si
4.2.2.2 Placas em material compósito com fibra de juta
Neste âmbito, produziu-se um material compósito reforçado por fibras de juta, de origem
vegetal natural em combinação com uma matriz termoendurecível à base de resina epóxida.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
109
Apesar de termoendurecível, este trata-se de um eco-compósito, pois conjuga uma matriz de
base biológica com um reforço de origem natural, sendo considerado então um material que
conduz uma maior sustentabilidade nas suas diversas áreas de aplicação.
O material eco-compósito, em estudo, foi preparado com 70% de resina SUPER SAP® CLR
Epoxy (matriz) e 30% de fibra de “Juta 12 onças” (reforço), recorrendo à técnica de fabrico
hand lay-up (laminação manual).
SUPER SAP® CLR Epoxy (Figura 98) é uma resina formada por materiais bio-renováveis, em
oposição, às resinas tradicionais compostas essencialmente por petróleo. A mesma trata-se de
uma tecnologia sustentável com excelente alongamento, baixa viscosidade e excecionalmente
elevadas propriedades de aderência, para uma ampla gama de processos e aplicações. Com
menor consumo de energia e água durante o seu processamento, SUPER SAP® CLR Epoxy é
uma resina responsável pela redução do impacto ambiental em cerca de 50% (menores imissões
de CO2 e de gases de efeito de estufa). De marca Entropy Resins e modelo SUPER SAP®
CLR/CLF-CLS, a resina epóxida utilizada na produção deste compósito, é distribuída na europa
pela empresa A. Ferrer Dalmau, S.A. (localizada em Barcelona). A mesma é fornecida num
conjunto de duas partes distintas, nomeadamente a parte A, a que corresponde a resina epóxida
e a parte B como endurecedor lento ou rápido.
Figura 98 – Resina SUPER SAP CLR/CLF-CLS (Entropy Resins, n.d.)
O tecido de juta, comercialmente designado por “Juta 12 onças” (Figura 99), é reforçado com
fibras naturais orientadas a 0 e 90.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
110
Figura 99 – Tecido de “Juta 12 onças”
A laminação manual é um dos mais simples e antigos processos de fabricação empregado nas
indústrias atuais. Praticamente não exige investimentos em equipamentos específicos, sendo os
poucos equipamentos requeridos de baixo custo e facilmente encontrados no mercado. No
entanto, para a execução/produção das placas foi necessário a utilização de uma tesoura e
balança (para cortar e pesar os tecidos de juta), um desmoldante, pincéis e uma espátula.
Antes de se iniciar a laminação, efetuou-se o corte dos tecidos de juta com as medidas
pretendidas, seguidamente, executou-se a limpeza do vidro com acetona e a posterior aplicação
do agente desmoldante, Hi-Low Paste Wax: 1000P, fabricado pela empresa Finish Kare
Products, Inc. (Figura 100), para facilitar a desmoldagem da peça. Em seguida, realizou a
chamada impregnação (Figura 101), em que a superfície do tecido foi coberta com a resina
(resina epóxi e endurecedor nas devidas proporções), numa quantidade proporcional à
gramagem do mesmo e espalhada com um pincel. A remoção do excesso de resina foi efetuado
com o auxílio de uma espátula. A cura (Figura 102) foi realizada à temperatura ambiente, ao
longo de várias horas. Posteriormente, com o máximo cuidado, efetuou-se a desmoldagem do
material compósito, de forma a evitar deformações e empenamentos do mesmo.
Figura 100 – Desmoldante Hi-Low Paste Wax: 1000P
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
111
Figura 101 – Impregnação de fibras
Figura 102 - Cura do compósito
Antes e depois da realização da impregnação dos tecidos, verificou-se o peso em massa de cada
um deles, ao qual se chegou a uma relação em massa fibra/matriz de 30/70.
Na execução dos revestimentos em fibras de juta, as dimensões e quantidades de placas
definidas (Quadro 9) são aproximadamente as mesmas do revestimento em chapa zincada.
Quadro 9 - Propriedades de compósito de juta
Nº de
Placas
(Unidade)
Dimensões (cm) Densidade
(g/m2)
Condutibilidade
térmica (w/mk)
Resistência
térmica
(m2.k/w)
1 (44*39*0,12) 340 0,2 0.06
23 (15*39*0,12) 7820 0,2 0.06
Tal como as anteriores, também a placa em material compósito com fibra de 44*39 cm, foi
testada na sua forma original, exatamente com os dimensões referidas, sendo então considerada
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
112
o revestimento padrão (sem qualquer ângulo). Já as 23 placas, com 15*39 cm, sofreram uma
simplificada união de maneira a formar um sistema de estrutura em lâminas com diferentes
inclinações. Para tal, recorreu-se à fita adesiva Silver Tape (AC45) fabricada pela empresa
Intertape Polymer Group, considerando apenas cerca de 2cm de largura e uma folga entre placas
de 2mm no total, como apresentado na Figura 103.
Figura 103 – Material compósito com estrutura de lâminas
4.2.3 Aplicação e fixação dos revestimentos
Os revestimentos em chapa zincada apresentaram um comportamento autoportante, isto é, a sua
aplicação não necessitou de qualquer ação de fixação mecânica, permanecendo sobre o lado
exterior da parede sem qualquer alteração, ao longo de todo o ensaio. Em contrapartida, face à
prevista deformação por parte das fibras, a sua colocação foi concebida através de fixação
mecânica. Esta necessidade implica, que a técnica de fixação a aplicar na realidade, seja uma
questão a ser estudada futuramente.
4.2.4 Seleção dos métodos experimentais
Os equipamentos utlizados, ao longo dos ensaios, foram os termopares e câmara termográfica
sendo, de seguida, apresentada uma breve descrição de cada uma deles, incluindo o seu modo
instalação.
4.2.4.1 Termopares
Os termopares são sensores utilizados para medição de temperatura, pois, para além de baixo
custo, estes possuem uma elevada exatidão, assim como, uma ampla gama de temperaturas de
operação (National Instruments Corporation, 2013). Também conhecidos por sensores de
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
113
temperatura superficial, os termopares são transdutores introduzidos na extremidade dos fios
condutores de cobre. O equipamento utilizado tem cerca de dezoito sensores, sendo então
considerados por nove termopares, uma vez que a cada termopar correspondem dois fios
condutores, de forma a obter o valor da temperatura superficial dos elementos construtivos
utilizados. O valor da temperatura é então enviado para o datalogger onde é registado (Ribeiro,
2009) e posteriormente é transmitido para o computador (Figura 104), onde os dados são
observados e analisados, por intermédio da plataforma de programação gráfica, LabVIEW
System Design Software (Figura 105).
Figura 104 - NI cDAQ-9174 conectado com o computador (National Instruments
Corporation, 2013)
Figura 105 - LabVIEW System Design Software 2012
Existem diversos tipos de termopares disponíveis, conforme a sua composição e de acordo com
as convenções do American National Standards Institute (ANSI), no entanto nos ensaios
realizados, apenas foi utilizado o termopar tipo K, por ser de uso genérico e de baixo custo.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
114
Este é composto por um fio condutor positivo em liga de níquel-cromo e um outro negativo em
liga de níquel-alumínio, como representado na Figura 106.
Figura 106 – Termopar tipo K (Usina Ind, n.d.)
O equipamento utilizado na realização dos ensaios foi o NI cDAQ-9174, como verificado na
Figura 107.
Figura 107 - NI cDAQ-9174
A localização dos sensores foi definida com a preocupação de serem aplicados em diferentes
zonas da parede interior e exterior, assim como, no próprio revestimento, de forma a obter uma
média ponderada de cada parte. A aplicação dos sensores deve ser direta sobre a face do
elemento construtivo, no entanto, foram utilizadas outras técnicas, de maneira a assegurar o
contacto térmico entre os sensores termopares e o elemento construtivo durante todo o ensaio.
Foram fixados os sensores 5 e 6 na parede interior através de cola de silicone, assim como,
foram colocadas os sensores 3 e 4 na parede exterior por intermédio de betume (Figura 108) à
base resina poliéster misturada com um catalisador (endurecedor).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
115
Figura 108 - Betume à base de resina de poliéster e catalisador
Os restantes sensores fixaram-se com a fita adesiva Silver Tape de 40mm de largura. O sensor
1 para a temperatura ambiente, o sensor 2 na fonte calor e os sensores 7, 8, 9 no revestimento
exterior. Este último (sensor 9) localiza-se na parte interior do mesmo. A fixação dos sensores
é apresentada pelas Figuras 109, 110, 111 e 112.
Figura 109 - Fixação dos sensores referentes à temperatura ambiente e à fonte de calor
Figura 110 – Fixação dos sensores na parede interior e exterior
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
116
Figura 111 - Fixação dos sensores no revestimento em chapa zincada e em material compósito
de fibras de juta
Figura 112 - Fixação dos sensores no revestimento em chapa zincada e em material compósito
de fibras de juta
4.2.4.2 Câmara termográfica
A câmara termográfica ou câmara de infravermelhos efetua a medição e captação da energia
térmica emitida por cada objeto. A mesma mede a radiação eletromagnética de cada objeto,
convertendo-a sob a forma de imagem térmica, a que se dá o nome de termograma. A forma
rápida e económica em identificar a temperatura superficial de um objeto permite que este
equipamento seja utilizado em diversas áreas, nomeadamente no que se refere a ensaios não
destrutivos. No setor da construção de edifícios, esta é principalmente utilizada na identificação
de perdas de calor e de energia, tendo em vista a melhoria da eficiência energética dos edifícios.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
117
Contudo, aquando a sua utilização, é necessário ter alguns cuidados e procedimentos, a fim de
evitar influências indesejáveis. Assim, é importante registar todas as condições térmicas
envolventes (por ex.: temperatura ambiente, emissividade, humidade relativa, distância ao
objeto), assim como, evitar condições ambientais inadequadas, tais como reflexos, sombras,
brisas de ar, materiais com propriedades distintas, no que diz respeito à emissividade, entre
outros (Cunha, 2010).
A câmara termográfica utilizada neste trabalho de investigação, trata-se de uma máquina
portátil, com uma lente de grande abertura de angular de elevada qualidade 32x23 e detetor de
imagem FPA 160x120pixeis, de foco manual e monitorizado dinâmico, com visualização da
distribuição da humidade superficial. Para além disso, possuí um monitor 3.5’’ LCD externo
que permite que a imagem obtida seja analisada em tempo real. No entanto, possui ainda um
cartão SD que permite a captura e armazeno de imagens para posterior análise em laboratório,
através do software testo IRSoft. Esta câmara é ainda sensível à radiação dentro de
comprimento de onda de 8-14 (gama espectral de onda larga). A mesma trata-se de uma Testo
876, fabricada na Alemanha (Figura 113). Esta poderá ser utilizada acoplando-a a um tripé ou
na mão, visto ser de peso reduzido e de fácil manuseamento. No presente estudo, as fotos foram
capturadas uma altura de 44cm e distância de 95cm da parede interior e 65cm da parede exterior.
Figura 113 – Máquina termográfica: Testo 876
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
118
CAPITULO 5 – AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DA SOLUÇÃO
BIOMIMÉTICA
Neste capítulo apresentam-se os resultados obtidos através do equipamento utilizando
termopares, relativos ao desempenho térmico das estruturas consideradas como revestimento
exterior. São ainda expostos os termogramas resultantes de cada ensaio, assim como, é
apresentada a análise descritiva dos mesmos.
5.1 Análise e Discussão dos Resultados
No sentido de avaliar o conceito biomimético introduzido, referente a uma estrutura de lâminas
com diferentes inclinações, realizaram-se os ensaios apresentados no Quadro 10. Para a
realização de cada um deles recorreu-se ao uso dos equipamentos: termopares e máquina
termográfica.
Quadro 10 - Ensaios realizados
Para uma mesma fonte de calor foram realizados ensaios com duas orientações diferentes (0 e
45), de forma a testar os efeitos de maior dissipação de calor e de sombreamento provocados
pela estrutura em lâminas, respetivamente. Foram então, realizados dois ensaios referentes à
parede padrão, sem qualquer revestimento, sendo que para cada revestimento (chapa zincada e
0 45 0 15 45 Chapa zincada Fibra de juta
A0 x
B0 x x x
C0 x x x
D0 x x x
E0 x x x
F0 x x x
G0 x x x
A45 x
B45 x x x
C45 x x x
D45 x x x
E45 x x x
F45 x x x
G45 x x x
EnsaiosÂngulo de incidência Geometria Tipo de Material
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
119
fibra de juta) consideraram-se ensaios com variação da orientação de placas (0, 15, 45), em
conjunto com a variação da orientação da fonte de calor (0 e 45). Qualquer um dos ensaios
foi realizado a uma distância de 60cm entre a parede e a fonte de calor, numa duração de 6 a
13h de ensaio, consoante a necessidade de estabilização de cada um dos mesmos. Para cada um
dos ensaios apresentados na tabela anterior, foi registada uma foto termográfica, entre 7 e 8h
de cada ensaio, para posterior observação da distribuição de temperaturas na parede. A escala
considerada nas fotos do lado exterior e interior foi de 35,9-102C e 22,7-44C, respetivamente.
As mesmas foram definidas de acordo com a temperatura máxima e mínima obtida pelos
termogramas.
5.1.1 Termopares
5.1.1.1 Resultados Obtidos
Em seguida são apresentados todos os resultados obtidos nos ensaios realizados em laboratório,
a partir dos termopares. Para melhor perceção das temperaturas obtidas, estes resultados são
apresentados sob a forma de gráficos devidamente identificados e legendados. Note-se que o
eixo dos xx corresponde à duração do ensaio em horas, assim como, o eixo dos yy da direita
corresponde à temperatura relativa à fonte de calor, enquanto que, o eixo dos yy da esquerda
corresponde à temperatura relativa aos restantes parâmetros. Para cada figura é apresentada um
breve comentário acerca do mesmo.
A Figura 114 indica as temperaturas resultantes do ensaio referente à parede padrão com fonte
de calor a 0 (A0).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
120
Figura 114 – Resultados do ensaio relativo à parede padrão com incidência de calor a 0 (A0)
Pela Figura 114 apresentada, verifica-se que o sistema estabiliza por volta das 5h e 30min, ao
qual corresponde uma temperatura exterior e interior de 92,61C e 37,36C, respetivamente. A
temperatura interior iguala a temperatura ambiente a 23,33C, ao fim de 1h e 27 min,
aumentando o seu valor em cerca de 16,08C, desde o início do ensaio. A percentagem de
dissipação por parte do elemento construtivo foi cerca de 60%.
A Figura 115 apresenta os resultados obtidos com a aplicação do revestimento em chapa
zincada lisa (0) com fonte de calor a 0 (B0).
Figura 115 – Resultados do ensaio relativo ao revestimento em chapa zincada lisa (0) com
fonte de calor a 0 (B0)
0
50
100
150
200
250
300
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Ambiente Parede Exterior Parede Interior Fonte de Calor
0
50
100
150
200
250
300
350
-10
10
30
50
70
90
110
130
150
0 2 4 6 8 10 12
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Delta Temp. Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Ambiente
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
121
Pela presente figura, é possível confirmar a sua estabilização por volta das 11h e 98min,
correspondendo a uma temperatura exterior e interior de 50,97C e 29,29C, respetivamente.
Neste momento, pôde ainda registar-se a temperatura do revestimento exterior a 71,26C. Ao
fim de 1h e 64 min, a temperatura interior alcança a temperatura ambiente de 25,15C,
aumentando o seu valor em cerca de 5,75C, desde o início do ensaio. A percentagem de
dissipação por parte do revestimento foi de 28%, enquanto que da parte do elemento construtivo
foi cerca de 43%.
A Figura 116 demonstra o comportamento exibido pelo revestimento em chapa zincada a 15
com fonte de calor a 0 (C0).
Figura 116 – Resultados dos ensaios referentes ao revestimento em chapa zincada a 15 com
fonte de calor a 0 (C0)
A presente figura indica que o ensaio estabiliza aproximadamente pelas 8h e 14min. A esta
estabilização corresponde uma temperatura exterior de 57,25C, uma temperatura por parte do
revestimento exterior de 64,52C e ainda uma temperatura interior de 30,63C. Esta última
iguala a temperatura ambiente de 24,65C, ao fim de 1h e 80min, aumentando o seu valor em
cerca de 7,97C, desde o início até ao final do ensaio. A percentagem de dissipação por parte
do revestimento foi de 11%, enquanto que da parte do elemento construtivo foi cerca de 46%.
0
50
100
150
200
250
300
350
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra
Duração (h)
Ambiente Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
122
A Figura 117 representa a curva de crescimento referente ao revestimento em chapa zincada a
45 com fonte de calor a 0 (D0).
Figura 117 - Resultados referentes revestimento em chapa zincada a 45 com fonte de calor a
0 (D0)
Na Figura 117 é possível observar a estabilização do mesmo por volta das 9h e 99min, o qual
corresponde uma temperatura interior e exterior de 31,42C e 60,34C, respetivamente. No
revestimento exterior foi registado cerca 73,61C. A temperatura interior iguala a temperatura
ambiente de 24,89C, ao fim de 1h e 77min, aumentando o seu valor em cerca de 7,82C, desde
o início até ao final do ensaio. A percentagem de dissipação por parte do revestimento foi de
18%, enquanto que da parte do elemento construtivo foi cerca de 49%.
A Figura 118 apresenta a curva de crescimento correspondente aos resultados obtidos pelo
revestimento em fibra lisa (0) com fonte de calor a 0 (E0).
0
50
100
150
200
250
300
350
-10
10
30
50
70
90
110
130
150
0 2 4 6 8 10
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra
Duração (h)
Delta Temp. Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Ambiente
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
123
Figura 118 - Resultados referentes ao revestimento em fibra lisa (0) com fonte de calor a 0
(E0)
A Figura 118 demonstra a sua estabilização por volta das 11h e 82min, ao qual corresponde
uma temperatura exterior de 95,66C, uma temperatura interior de 41,12C e a uma temperatura
no revestimento exterior de 97,57C. Ao fim de 87 min, a temperatura interior alcança a
temperatura ambiente de 24,89C, aumentando o seu valor em cerca de 16,62C, desde o início
do ensaio. A percentagem de dissipação por parte do revestimento foi de 2%, enquanto que da
parte do elemento construtivo foi cerca de 57%.
A Figura 119 apresenta a curva de crescimento correspondente ao revestimento em fibra a 15
com fonte de calor a 0 (F0).
0
50
100
150
200
250
300
350
0
50
100
150
0 2 4 6 8 10 12
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Delta Temp. Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Ambiente
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
124
Figura 119 - Resultados correspondente ao revestimento em fibra a 15 com fonte de calor a
0 (F0)
Pela Figura 119 é possível verificar a sua estabilização às 6h e 79min, ao qual corresponde uma
temperatura exterior de 46,14C, uma temperatura por parte do revestimento exterior de
71,12C e ainda uma temperatura interior de 25,94C. Ao fim de 2h e 79 min, a temperatura
interior alcança a temperatura ambiente de 23,36C, aumentando o seu valor em cerca de
5.72C, desde o início do ensaio. A percentagem de dissipação por parte do revestimento foi de
35%, enquanto que da parte do elemento construtivo foi cerca de 44%.
A Figura 120 apresenta os resultados obtidos com a aplicação do revestimento em fibra a 45
com fonte de calor a 0 (G0).
0
50
100
150
200
250
300
0
20
40
60
80
100
0,00 2,00 4,00 6,00
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r
(C
)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Ambiente Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Fonte De Calor
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
125
Figura 120 - Resultados referentes ao revestimento em fibra a 45 com fonte de calor a 0
(G0)
Pela Figura 120 é possível observar-se a estatização do seu crescimento ao fim de 8h,
aproximadamente. Ao fim deste tempo verifica-se uma temperatura exterior de 69,12C, uma
temperatura por parte do revestimento exterior de 71,12C e ainda uma temperatura na face
interior de 35,24C. Após 1h e 68 min de ensaio, a temperatura na face interior atingiu a
temperatura ambiente de 28,03C, aumentando cerca 9,62 até à estabilização do sistema. A
percentagem de dissipação por parte do revestimento foi de 19% e do elemento construtivo foi
de 48%.
A Figura 121 que se segue representa a curva de crescimento referente à parede padrão com
fonte de calor a 45 (A45).
0
50
100
150
200
250
300
350
-10
10
30
50
70
90
110
130
150
0 2 4 6 8 10
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r
(C
)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Parede Exterior Parede Interior Revestimento
Ambiente Fonte De Calor
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
126
Figura 121 - Resultados referentes à parede padrão com fonte de calor a 45 (A45)
Através da Figura 121 é possível verificar que a curva crescente relativa à parede padrão
estabiliza por volta das 6h e 17min. À sua estabilização corresponde uma temperatura na face
exterior da parede de 83,38C e uma temperatura na face interior da parede de 36,88C. Esta
última iguala a temperatura ambiente ao fim de 1h e 43 min no valor de 25,3C, aumentando
cerca de 12,57 até à sua estabilização. A percentagem de dissipação por parte do elemento
construtivo foi aproximadamente 56%.
A Figura 122 refere-se aos resultados obtidos com a aplicação do revestimento em chapa
zincada lisa (0) com fonte de calor a 45 (B45).
0
50
100
150
200
250
300
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6 7
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Ambiente Parede Exterior Parede Interior Fonte de Calor
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
127
Figura 122 - Resultados referente ao revestimento em chapa zincada lisa (0) com fonte de
calor a 45 (B45)
Pela Figura 122 pode verificar-se a estabilização do mesmo por volta das 14h e 19min, ao qual
corresponde uma temperatura na face exterior e interior da parede de 64,75C e 33,95C,
respetivamente. No revestimento exterior foi registada um valor de temperatura de 76,45C. Ao
fim 2h e 30min a face da parede interior igualou a temperatura ambiente em cerca de 26,62C,
aumentando cerca de 11,22 até à sua estabilização. A percentagem de dissipação através do
revestimento exterior e do elemento construtivo foi de 15% e de 48%, respetivamente.
A Figura 123 expõe a curva de crescimento referente ao revestimento em chapa zincada a 15
com fonte de calor a 45 (C45).
0
50
100
150
200
250
300
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r
(C
)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Ambiente Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Fonte De Calor
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
128
Figura 123 - Resultados referentes ao revestimento em chapa zincada a 15 com fonte de
calor a 45 (C45)
Pela presente figura é possível analisar a sua hora de estabilização por volta das 10h e 68min,
assim como, a temperatura na face exterior e interior registada, no valor de 42,37C e 23,92C,
respetivamente. A temperatura no revestimento exterior apontou para uns 50,1C. Ao fim de
2h e 74min, a temperatura na face interior alcançou a temperatura ambiente em 20,78C,
aumentando até à sua estabilização cerca de 3,17. A percentagem de dissipação por parte do
revestimento foi de 15%, enquanto que da parte do elemento construtivo foi cerca de 44%.
A Figura 124 expõe o comportamento apresentado pelo revestimento em chapa zincada a 45
com fonte de calor a 45 (D45).
0
50
100
150
200
250
300
350
-10
10
30
50
70
90
-0,50 1,50 3,50 5,50 7,50 9,50 11,50
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Ambiente Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
129
Figura 124 – Resultados referentes ao revestimento em chapa zincada a 45 com fonte de
calor a 45 (D45)
Pela Figura 124 verifica-se que o crescimento da curva referente ao ensaio D45 estabiliza pelas
11h e 85min, correspondendo a uma temperatura na face exterior e interior da parede de
53.02C e 29.72C, respetivamente. Já no revestimento exterior, as sondas registaram um valor
na gama dos 63.86C de temperatura. Após 77 min de ensaio, a temperatura na face interior
atingiu a temperatura ambiente de 24,63C, aumentando cerca 6.49 até à estabilização do
sistema. A percentagem de dissipação por parte do revestimento foi de 17% e do elemento
construtivo foi de 47%.
Pela Figura 125 são apresentados os resultados do ensaio referentes ao Revestimento em fibra
lisa (0) com fonte de calor a 45 (E45).
0
50
100
150
200
250
300
350
-10
10
30
50
70
90
110
130
150
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r (
C)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Delta Temp. Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Ambiente
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
130
Figura 125 – Resultados referentes ao Revestimento em fibra lisa (0) com fonte de calor a
45 (E45)
Pela Figura 125 é possível observar-se a estatização do seu crescimento ao fim de 13h e 3min,
aproximadamente. Ao fim deste tempo verifica-se uma temperatura exterior de 82,3C, uma
temperatura por parte do revestimento exterior de 79,81C e ainda uma temperatura na face
interior de 36,68C. Ao fim 1h e 30min a face da parede interior igualou a temperatura ambiente
em cerca de 22,7C, aumentando cerca de 13,74 até à sua estabilização. A percentagem de
dissipação através do revestimento exterior e do elemento construtivo foi de -3% e de 55%,
respetivamente.
A Figura 126 refere-se aos resultados obtidos através da aplicação do revestimento em fibra a
15 com fonte de calor a 45 (F45).
0
50
100
150
200
250
300
350
0
50
100
150
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
Tem
per
atu
ra d
a fo
nte
de
calo
r
(C
)
Tem
per
atu
ra (C
)
Duração (h)
Delta Temp. Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Ambiente
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
131
Figura 126 – Resultados referentes ao revestimento em fibra a 15 com fonte de calor a 45
(F45)
Pela Figura 126 é possível analisar a sua hora de estabilização por volta das 8h e 24min, assim
como, a temperatura na face exterior e interior registada, no valor de 38,63C e 26,9C,
respetivamente. A temperatura no revestimento exterior apontou para uns 51,45C. Após 4h e
80 min de ensaio, a temperatura na face interior atingiu a temperatura ambiente de 26,04C,
aumentando cerca 3,17 até à estabilização do sistema. A percentagem de dissipação por parte
do revestimento foi de 25% e do elemento construtivo foi de 30%.
A Figura 127 apresenta a curva de crescimento referente ao revestimento em fibra a 45 com
fonte de calor a 45 (G45).
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)
Duração (h)
Delta Temp. Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Exterior Fonte de Calor
Ambiente
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
132
Figura 127 – Resultados referentes ao revestimento em fibra a 45 com fonte de calor
a 45 (G45)
A Figura 127 indica que o ensaio estabiliza aproximadamente pelas 9h e 96min. A esta
estabilização corresponde uma temperatura exterior de 61,88C, uma temperatura por parte do
revestimento exterior de 80,29C e ainda uma temperatura interior de 33,02C. Esta última
iguala a temperatura ambiente de 25,61C, ao fim de 1h e 77min, aumentando o seu valor em
cerca de 7,71C, desde o início até ao final do ensaio. A percentagem de dissipação por parte
do revestimento foi de 23%, enquanto que da parte do elemento construtivo foi cerca de 47%.
5.1.1.2 Análise de resultados
Para melhor compreensão dos resultados executaram-se as seis figuras que seguem, onde são
analisados os parâmetros considerados. Assim, e de modo a facilitar a comparação de resultados
é analisado, o tempo de estabilização de cada ensaio, a percentagem de dissipação de calor entre
o revestimento exterior e a face exterior da parede, assim como, o aumento de temperatura na
face interior da parede, entre o início e final de cada ensaio.
A Figura 128 apresenta o tempo de estabilização de cada revestimento para uma fonte de calor
com incidência frontal.
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10
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C)
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)
Duração (h)
Ambiente Parede Exterior Parede Interior
Revestimento Fonte De Calor
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
133
Figura 128 - Tempo de estabilização em horas c/ fonte de calor frontal
Pela mesma pode observar-se, que o revestimento em material compósito com fibra estabiliza
mais cedo, que o revestimento em chapa zincada para qualquer dos três ângulos utilizados (0,
15,45). Isto deve-se às diferenças de propriedades entre materiais, nomeadamente no que se
refere à condutibilidade térmica dos mesmos. A parede padrão apesar de não estar identificada
na presente figura, é possível verificar-se a sua estabilização ao fim de 5h e 30min na Figura
115. Destes resultados retira-se, que a parede padrão estabiliza mais cedo, que qualquer outra
com a incorporação de revestimento exterior, devido a este mesmo fato de não possuir nenhum
obstáculo que impeça a rápida transferência de calor. Para além disso, os próprios materiais
constituintes da parede são responsáveis pela sua rápida dissipação entre o lado exterior e
interior da mesma, estabilizando mais rapidamente. No entanto, o trabalho por parte do
elemento estrutural não é suficiente para impedir o elevado aumento de temperatura no lado
interior. Tal como esperado, considerando cada um dos revestimentos com variação de ângulos,
o que apresenta menor tempo de estabilização é o referente ao ângulo de 15 (ensaio F0). Este
resultado deve-se ao fato deste ângulo ser o mais fechado entre os três, evitando a contínua
passagem de calor.
A Figura 129 apresenta as percentagens de dissipação de calor obtidas, entre o revestimento
exterior e face exterior da parede, para uma fonte de calor de incidência frontal.
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Revestimento em chapa zincada Revestimento em fibra
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
134
Figura 129 - Percentagem de dissipação de calor c/ fonte de calor frontal
Quando comparamos a percentagem de dissipação de calor entre o revestimento e a face da
parede exterior, pela Figura 129, verificamos que, considerando o ângulo de estrutura 0, o
revestimento em chapa zincada (B0) apresenta melhores resultados, que o de fibra (E0). No
entanto, o seu comportamento em relação ao conceito estudado, apresenta-se muito aquém do
comportamento por parte do revestimento em material compósito de fibra. Isto é, apesar do
revestimento em chapa possuir maior percentagem de dissipação do que o material compósito
de fibra com uma estrutura de 0, este possui uma percentagem maior com 0 (B0),
seguidamente com 45 (D0) e finalmente com 15 (C0), o que não comprova o conceito
pretendido. Por oposição, quando observamos o comportamento do revestimento em material
compósito de fibra, verificamos uma direta influência da estrutura utilizada, na dissipação de
calor obtida. Esta diferença de comportamento entre materiais deve-se ao fato da chapa zincada
possuir uma condutibilidade térmica muito superior ao material compósito, o que leva uma
maior condução do calor incidente. A parede padrão (ensaio A0) não está identificada na
presente figura, uma vez que não possui revestimento exterior, o que por sua vez não apresenta
dissipação de calor por influência do mesmo. Ainda assim, a parede de referência conta com o
apoio do próprio elemento construtivo que é responsável pela dissipação entre o lado exterior
e interior da mesma.
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Ângulo considerado ()
Revestimento em chapa zincada Revestimento em fibra
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
135
Na Figura 130 é exposto o valor de aumento de temperatura na face interior da parede até a sua
estabilização, com a incidência frontal da fonte de calor.
Figura 130 - Aumento de temperatura na face interior da parede c/ fonte de calor frontal
Quanto ao aumento da temperatura interior da parede, apresentado na Figura 130, é possível
observar que, mais uma vez o revestimento em chapa zincada (B0 e D0) apresenta menores
valores, que o revestimento em material compósito com fibra para estruturas de 0 (E0) e 45
(G0). No entanto, no caso dos ensaios D0 e G0, isso não implica melhores resultados por parte
do material em chapa, uma vez que este também apresenta uma maior dissipação de calor por
parte do próprio elemento construtivo (parede). Contudo, quando aplicada uma estrutura com
15 (C0 e F0) este fenómeno já não ocorre. Esta distinção deve-se mais uma vez às propriedades
da chapa, que influenciam o seu comportamento. Tal como no parâmetro anteriormente
analisado, contrariando os resultados obtidos com a chapa zincada, o revestimento em material
compósito de fibra confirma a funcionalidade da estrutura em lâminas estudada, obtendo
menores temperaturas no interior para revestimentos com estrutura de 15 (F0), seguidamente
de 45 (G0) e finalmente com 0 (E0). Estes resultados comprovam, mais uma vez, a eficácia
da estrutura com 15, responsável pela redução da passagem de calor. Mais uma vez, a parede
padrão (A0) não se encontra identificada na presente figura, no entanto, é possível verificar-se,
pela Figura 114, o seu aumento na face interior em cerca 16,14 até à sua estabilização. Isto
significa, que apesar de contar com o elemento construtivo na rápida dissipação de calor, este
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Ângulo considerado ()
Revestimento em chapa zincada Revestimento em fibra
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
136
não é suficiente para evitar o elevado aumento de temperatura. Este resultado incrementa, ainda
mais, a eficiência por parte do sistema fibroso de 15.
Na Figura 131 apresenta-se o tempo de estabilização de cada revestimento, considerando a fonte
de calor com uma inclinação de 45.
Figura 131 - Tempo de estabilização em horas c/ fonte de calor inclinada
Tal como se verificou anteriormente, com a incidência frontal por parte da fonte de calor,
também pela Figura 131 (fonte de calor inclinada) se verifica que, o tempo de estabilização por
parte do revestimento em material compósito de fibra é menor que o referente ao revestimento
em chapa, facto este, que se deve às propriedades de cada material. O tempo referente à parede
padrão (A45) não está identificado na figura em questão, não entanto, é possível verificar-se
pela Figura 121, a sua estabilização ao fim de 6h e 17min. Daqui, verifica-se que a parede
padrão estabiliza mais cedo, do que quando sujeita à incorporação de revestimentos exteriores,
assim como, de entre estes últimos o que apresenta menor tempo de estabilização é o
revestimento com estrutura de 15 (F45). Estes resultados devem-se ao facto da parede padrão
não possuir nenhum obstáculo, que impeça a rápida transferência de calor, assim como, ao facto
do ângulo de 15 ser o mais fechado entre os três (0, 15, 45), evitando a contínua passagem
de calor. Este comportamento é semelhante ao apresentado pelas Figuras 114 e 128 referentes
à fonte de calor frontal, no entanto variando a inclinação da mesma, o tempo de estabilização é
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0° 15° 45°
Tem
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Ângulo considerado ()
Revestimento em chapa zincada Revestimento em fibra
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
137
mais elevado, devido ao facto de ocorrer uma maior dissipação de calor entre a fonte o
revestimento.
A Figura 132 indica as percentagens de dissipação de calor sofrida entre o revestimento e a face
exterior da parede, considerando a fonte de calor inclinada.
Figura 132 - Percentagem de dissipação de calor c/ fonte de calor inclinada
Do mesmo modo que o verificado na Figura 129, também a presente figura, referente à
dissipação de calor entre o revestimento e a face da parede exterior, apresenta melhores
resultados com revestimento em chapa zincada lisa (B45) do que em material compósito de
fibra (E45). Esta afirmação decorre de um valor negativo por parte do revestimento em material
compósito liso (-3%), o qual origina uma temperatura mais elevada na face exterior da parede,
do que no revestimento exterior. Este fato revela um fraco funcionamento por parte deste último
revestimento, quando comparado com os restantes apresentados. No entanto, este fenómeno já
não se verifica para com estruturas de 15 (C45; F45) e 45 (D45; G45), necessitando este
fenómeno de análises aprofundadas posteriores. Para além disso, o comportamento do
revestimento em chapa não comprova a funcionalidade do conceito estudado. Isto porque,
apesar deste revestimento possuir maior percentagem de dissipação com uma estrutura de 0,
este possui uma percentagem maior com 45, seguidamente com 0 e 15, o que não vai ao
encontro do efeito pretendido. Tal como se verifica com a incidência frontal de radiação,
também pela presente figura, observamos que o comportamento do revestimento em compósito
-5%
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10%
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30%
0° 15° 45°
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Ângulo considerado ()
Revestimento em chapa zincada Revestimento em fibra
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
138
com fibra apresenta uma influência direta sobre a dissipação de calor obtida. Esta diferença de
comportamento entre materiais deve-se ao fato da chapa zincada possuir uma condutibilidade
térmica muito superior ao da fibra, o que leva uma maior condução do calor incidente. Note-se
ainda que, à exceção do revestimento em chapa zincada com 15 (D45) e do revestimento em
material compósito com 45 (G45), todos os sistemas sujeitos à direção frontal da fonte de calor,
apresentam uma maior eficiência na dissipação de calor analisada. Isto deve-se, ao facto de que
com a fonte inclinada já exista uma maior dissipação entre fonte-revestimento, o que já não
implica uma dissipação tão elevada, por parte do revestimento-parede. A parede padrão (A45)
não está identificada na presente figura, uma vez que não possui revestimento exterior, o que,
por sua vez, não apresenta dissipação de calor por influência do mesmo. Contudo, a parede de
referência conta com o auxílio do próprio elemento construtivo que é responsável pela
dissipação entre o lado exterior e interior da mesma.
Pela Figura 133 é possível observar o aumento de temperatura na face interior da parede até a
sua estabilização, considerando a fonte de calor inclinada.
Figura 133 - Aumento de temperatura na face interior da parede c/ fonte de calor inclinada
Analisando o aumento da temperatura interior da parede, apresentado pela Figura 133, é
possível verificar mais uma vez que, o revestimento em chapa apresenta menores valores que
o revestimento em material compósito de fibra para estruturas de 0 (B45; E45) e 45 (D45;
G45). Ainda assim, quando aplicada uma estrutura com 15 (C45; F45) o valor não é superior,
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0° 15° 45°
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Ângulo considerado ()
Revestimento em chapa zincada Revestimento em fibra
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
139
mas sim equivalente. Contudo, para os ensaios C45, F45 e D45, G45, não significa melhores
resultados da parte do material em chapa, uma vez que este também apresenta uma maior
dissipação de calor por parte do próprio elemento construtivo (parede). Então, o facto do ensaio
B45 apresentar melhores resultados que o E45, poderá dever-se às diferentes propriedades de
cada material que influenciam o seu comportamento. De acordo com os resultados obtidos com
a fonte de calor frontal, em oposição, aos resultados obtidos com a chapa zincada, o
revestimento em material compósito de fibra confirma a eficiência da estrutura em lâminas
estudada. Isto porque, esta última obteve, menores temperaturas no interior para revestimentos
com estrutura de 15 (F45), seguidamente de 45 (G45) e finalmente com 0 (E45). Estes
resultados compravam, mais uma vez, a eficácia da estrutura com 15, responsável pela redução
da passagem de calor. A figura apresentada não identifica o valor correspondente à parede
padrão (A45), contudo é possível verificar-se, pela Figura 131, o seu aumento na face interior
em cerca 12,57 até à sua estabilização. Este resultado reforça a ideia de eficiência do sistema
fibroso com 15. Comparando a Figura 130 com a 133, refere-se ainda que, à exceção do
revestimento B0, todos os outros apresentam menor aumento de temperatura na face interior
da parede quando sujeitos a uma fonte de calor inclinada. Isto é explicado, pelo facto, da direção
inclinada dissipar calor, por si mesma, entre a fonte e o revestimento/parede padrão.
Analisando os três parâmetros acima considerados, para ambos os materiais e direções de
incidência da fonte de calor, é possível observar-se uma certa incoerência entre eles. Por
exemplo, para uma menor percentagem de dissipação de calor e maior tempo de estabilização,
o revestimento referente ao gráfico D45 consegue obter um menor aumento de temperatura
interior, quando comparado com o D0. O mesmo acontece, quando comparamos os ensaios E0
com E45 e F0 com F45, considerando que os valores resultantes são mais favoráveis para os
revestimentos sujeitos a uma fonte de calor inclinada. Este facto poderá estar relacionado com
a inclinação da própria fonte de calor, que é responsável por determinada dissipação de calor
entre a fonte e o revestimento, não havendo assim a mesma necessidade de dissipação por parte
do revestimento para o menor aumento de temperatura interior. Do mesmo modo, comparando
o ensaio D0 com o G0, observa-se que para uma menor dissipação de calor, o revestimento em
chapa zincada alcança um menor aumento da temperatura na face interior da parede. Tal como
este caso, se se comparar o ensaio C45 com o F45 e o D45 com o G45, o material em chapa
zincada aparentemente obtém menores temperatura interiores. No entanto, isso deve-se à ação
do material que constitui a parede, responsável pela dissipação de calor que passa por entre o
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
140
revestimento. Ou seja, os revestimentos que apresentaram menores dissipações de calor por
parte dos mesmos, gozaram do grande auxílio do material em tijolo cerâmico constituinte da
parede e responsável pela grande dissipação de calor que atravessa o revestimento. Esta análise
revela, mais uma vez, um comportamento distinto por parte dos revestimentos, quando sujeitos
a variações como no tipo de material e na direção de incidência da radiação. É então visível
uma discrepância de valores em ambos os materiais com a variação da direção de incidência da
fonte, a qual dificulta a determinação da orientação ideal da mesma. Ainda assim, analisando o
comportamento dos materiais quando sujeitos às diversas variáveis consideradas, verifica-se
que, tal como esperado, o revestimento em material compósito de fibra comprova a eficiência
do conceito baseado num caso natural. Assim sendo, o revestimento com melhor desempenho
é o de material compósito com estrutura de 15, correspondente aos ensaios F0 e F45.
5.1.2 Câmara termográfica
Em seguida, são apresentados todos os resultados termográficos obtidos nos ensaios, assim
como, uma breve análise dos mesmos. Estes resultados são apresentados sob a forma de imagem
térmica (termograma), como explicado no último ponto do capítulo anterior. As temperaturas
máximas e mínimas obtidas, em cada ensaio, encontram-se assinaladas nos termogramas por
HS1 e CS1, respetivamente.
A Figura 134 representa a o termograma referente à parede padrão com fonte de calor a 0 (A0).
Figura 134 - Termograma da parede padrão na face exterior e interior
Pela face exterior da parede é possível observar a distribuição da temperatura, sendo visível a
uma uniformidade de temperaturas elevadas (aproximadamente 90C) por toda a parede. A
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
141
temperatura máxima e mínima obtida foi 98,3C e 76,2C, respetivamente. Na face interior da
parede é visível a concentração de temperaturas elevadas (aproximadamente 40C), na zona
central da parede e nas juntas entre tijolos. A temperatura máxima e mínima obtida foi 43.4C
e 27,6C, respetivamente.
A Figura 135 apresenta o termograma referente à aplicação do revestimento em chapa zincada
lisa (0) com fonte de calor a 0 (B0).
Figura 135 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada lisa e da face interior da
parede correspondente
Observando o revestimento exterior é possível verificar uma concentração de temperaturas mais
elevadas na direção da incidência da fonte de calor e nos topos do mesmo. Neste caso, a
temperatura apresentada variou entre os 101,8C e 51,8C. Pela distribuição da temperatura na
face interior da parede, observa-se uma uniformidade de temperaturas por toda a parede,
destacando-se apenas a zona superior da parede e as juntas entre tijolos, onde a temperatura é
ligeiramente mais elevada. A temperatura máxima e mínima obtida foi 32.6C e 25,7C,
respetivamente.
A Figura 136 expõe o termograma exibido com a aplicação do revestimento em chapa zincada
a 15 com fonte de calor a 0 (C0).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
142
Figura 136 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 15° e
da face interior da parede correspondente
No termograma referente ao revestimento em chapa zincada a 15, é possível observar-se
temperaturas mais baixas, localizando-se as mais vivas na zona de incidência da fonte calor,
numa gama de 75C. Na zona superior assinalada (HS1) é atingida a temperatura máxima de
88,7C, sendo a temperatura mínima obtida de 43,9C. Na parte interior da parede é visível a
distribuição de temperaturas dentro do intervalo de 22,7C a 30.9C. Este valor máximo obtido
encontra-se assinalado (HS1) na figura anterior.
A Figura 137 apresenta o termograma referente à aplicação do Revestimento em chapa zincada
a 45 com fonte de calor a 0 (D0).
Figura 137 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 45° e
da face interior da parede correspondente
Na Figura 137 verificam-se valores elevados de temperatura, sendo notável a sua concentração
na zona superior do revestimento exterior, onde chega a atingir o valor máximo de 101,9C. Na
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
143
distribuição na parte interior da parede, é visível a predominância de temperaturas entre os 26C
e os 34,8C. A temperatura mais elevada situa-se na zona superior da parede e nas juntas da
mesma, como se pode observar pela temperatura máxima obtida (HS1).
A Figura 138 apresenta o termograma referente à aplicação do revestimento em material
compósito de fibra liso (0) com fonte de calor a 0 (E0).
Figura 138 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso e da face
interior da parede correspondente
Pelo termograma do revestimento exterior é possível observar-se uma distribuição uniforme da
temperatura, concentrando-se num intervalo de 61,6C (CS1) a 102C (HS1). Na parte interior
da parede foram registadas temperaturas mais baixas, num intervalo entre 22,4C (CS1) e
29,1C (HS1). Esta gama de temperatura é praticamente uniforme em toda a face da parede.
A Figura 139 apresenta o termograma referente à aplicação do revestimento em material
compósito de fibra a 15 com fonte de calor a 0 (F0).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
144
Figura 139 - Termograma do revestimento exterior em material compósito com estrutura de
15° e da face interior da parede correspondente
Pela Figura 139 anterior é possível observar-se as cores mais quentes na extremidade do
revestimento, sendo notável a sua concentração na zona superior do mesmo. As temperaturas
do revestimento variaram entre 43,3C (CS1) e 102C (HS1). Pode ainda verificar-se a
deformação do revestimento em material compósito quando sujeito a temperaturas desta
gama. A face interior da parede apresenta uma coloração clara, correspondente a uma gama
de 22,4C a 29,1C. Esta gama de temperatura é praticamente uniforme em toda a face da
parede.
A Figura 140 apresenta o termograma referente à aplicação do revestimento em material
compósito de fibra a 45 com fonte de calor a 0 (G0).
Figura 140 - Termograma do revestimento exterior em material compósito com estrutura de
45° e da face interior da parede correspondente
Pela Figura 140 é possível observar-se as cores mais quentes nas zonas superiores das juntas
entre placas de material compósito de fibra. A temperatura mínima e máxima registada foi de
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
145
48,5C (CS1) e 92,5C (HS1), respetivamente. Pode ainda verificar-se a deformação do
revestimento em material compósito de fibra quando sujeita a temperaturas desta gama. Pelo
interior da parede é sentida uma temperatura mais baixa, num intervalo de 27,2C (CS1) a
36,1C (HS1). A temperatura obtida é praticamente uniforme em toda a face da parede,
concentrando-se as cores mais quentes na zona superior da mesma.
A Figura 141 representa a o termograma referente à parede padrão com fonte de calor a 45
(A45).
Figura 141 - Termograma da parede padrão na face exterior e interior
A face exterior da parede de referência apresenta uma predominância de cores quentes, sendo
visível a sua concentração na direção da incidência da fonte calor. A temperatura oscilou entre
os 61,1C (CS1) e os 93,5C (HS1). No lado interior da parede é visível uma variação de
temperaturas com oscilação entre 26,8C (CS1) e os 42,6C (HS1). Pode ainda observar-se que
a temperatura mais quente obtida se foca na zona superior da parede.
A Figura 142 expõe o termograma exibido com a aplicação do revestimento em chapa zincada
lisa (0) com fonte de calor a 45 (B45).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
146
Figura 142 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada lisa e da face interior da
parede correspondente
Pelo revestimento em chapa zincada é percetível o registo de cores vivas, concentrando-se a
temperatura mais elevada na direção de incidência da fonte de calor. A temperatura variou entre
47,6C (CS1) e 102C (HS1). Pelo interior da parede é sentida uma temperatura mais baixa,
correspondendo a um intervalo de 23,5C (CS1) a 34,2C (HS1). Dentro desta gama, a
temperatura mais elevada concentra-se na zona superior da parede.
A Figura 143 apresenta o termograma referente à aplicação do revestimento em chapa zincada
a 15 com fonte de calor a 45 (C45).
Figura 143 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 15° e
da face interior da parede correspondente
No termograma referente ao revestimento em chapa zincada a 15, é possível observar-se
temperaturas mais claras, localizando-se as mais vivas na zona de incidência da fonte calor. Na
zona superior assinalada (HS1) é atingida a temperatura máxima de 91,8C, sendo a
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
147
temperatura mínima obtida de 37,1C. A face interior da parede apresenta uma coloração clara,
correspondente a uma gama de 23,3C a 29,4C. Esta gama de temperatura é praticamente
uniforme em toda a face da parede.
A Figura 144 expõe o termograma exibido com a aplicação do revestimento em chapa zincada
a 45 com fonte de calor a 45 (D45).
Figura 144 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 45° e
da face interior da parede correspondente
Na Figura 144, é possível observar-se uma distribuição uniforme de temperaturas mais claras.
Na zona superior assinalada (HS1) é atingida a temperatura máxima de 86,1C, sendo a
temperatura mínima obtida de 47,8C. Pelo interior da parede é sentida uma temperatura mais
baixa, correspondendo a um intervalo de 25,5C (CS1) a 32,1C (HS1). A temperatura obtida
é praticamente uniforme em toda a face da parede.
A Figura 145 expõe o termograma exibido com a aplicação do revestimento em material
compósito de fibra 0 com fonte de calor a 45 (E45).
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
148
Figura 145 - Termograma do revestimento exterior material compósito liso e da face interior
da parede correspondente
Pelo revestimento em material compósito de fibra é percetível o registo de cores vivas,
concentrando-se a temperatura mais elevada na direção de incidência da fonte de calor. A
temperatura variou entre 57,3C (CS1) e 102C (HS1). Pelo interior da parede é sentida uma
temperatura mais baixa, correspondendo a um intervalo de 24,4C (CS1) a 42,2C (HS1).
Dentro desta gama, a temperatura mais elevada concentra-se nas juntas e na zona superior da
parede.
A Figura 146 apresenta o termograma referente à aplicação do revestimento em material
compósito de fibra a 15 com fonte de calor a 45 (F45).
Figura 146 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso com estrutura
de 15° e da face interior da parede correspondente
Pela Figura 146 é possível observar-se temperaturas mais claras, localizando-se as mais vivas
na zona de incidência da fonte calor. Na zona superior assinalada (HS1) é atingida a temperatura
máxima de 69,6C, sendo a temperatura mínima obtida de 35,9C. Pelo interior da parede é
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
149
sentida uma temperatura mais baixa, correspondendo a um intervalo de 26,7C (CS1) a 31,8C
(HS1). A distribuição temperatura apresenta-se uniforme por toda a face da parede.
A Figura 147 expõe o termograma exibido com a aplicação do revestimento em material
compósito de fibra a 45 com fonte de calor a 45 (G45).
Figura 147 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso com estrutura
de 45° e da face interior da parede correspondente
Pela Figura 147 é possível observar-se as cores mais quentes nas zonas superiores das juntas
entre placas de material compósito de fibra. A temperatura mínima e máxima registada foi de
45,4C (CS1) e 91,8C (HS1), respetivamente. Pode ainda verificar-se a deformação do
material compósito quando sujeito a temperaturas desta gama. Pelo interior da parede é sentida
uma temperatura baixa, correspondendo a um intervalo de 24,8C (CS1) a 33,3C (HS1). A
distribuição temperatura apresenta-se uniforme por toda a face da parede.
Comparando os termogramas anteriores verifica-se que, tanto no lado exterior da parede padrão
(A0 e A45), como no revestimento em chapa ou em material compósito liso (B0 e B45 ou E0 e
E45) a distribuição de temperaturas é uniforme por toda a face analisada. Pelo lado interior,
observa-se uma concentração de temperaturas elevadas na zona central da parede e nas juntas
entre tijolos. Tal como nos valores registados pelos termopares, também pelos termogramas
apresentados se pode confirmar a elevada temperatura exterior por parte do revestimento em
material compósito com fibra. Em contrapartida, no caso da incidência de calor frontal, quando
se observa o seu lado interior verifica-se uma menor temperatura quando comparado com o
revestimento em chapa zincada. Esta contrariedade poderá dever-se ao facto do registo
termográfico não ter sido realizado em condições ideais, ou seja, deve-se a erros de registo.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
150
Analisando-se os termogramas referentes aos restantes ensaios, verifica-se que o revestimento
em material compósito com fibra apresenta cores mais claras, que o revestimento em chapa,
quando sujeitos à incidência frontal de radiação. No entanto, quando comparamos o ensaio C0
com o D0 e o F0 com o G0, averigua-se uma contrariedade de temperaturas exteriores no caso
do ensaio G0, quando comparado com o registo dos termopares. Ainda assim, pela face interior
da parede esta situação não se verifica. No que diz respeito à distribuição térmica, verifica-se
uma coloração mais quente por parte das fibras, à exceção da face interior da parede referente
ao ensaio F0 e ao revestimento exterior no ensaio G0. Esta contrariedade de resultados entre
equipamentos poderá estar relacionada com a sensibilidade por parte da máquina termográfica,
que possivelmente origina erros aquando do seu registo. Com uma fonte calor inclinada,
observa-se que o revestimento em material compósito de fibra apresenta cores mais quentes
que o revestimento em chapa para ambas as faces avaliadas. Estes resultados vêm comprovar
os dados obtidos pelos termopares. Por exceção, o ensaio F15 apresenta menor temperatura na
face referente ao revestimento exterior, o que poderá dever-se a erros de registo termográfico.
Quando se compara o ensaio C45 com o D45 e o F45 com o G45, verifica-se uma semelhança
de resultados entre equipamentos, à exceção do ensaio D45 que apresenta menor temperatura
exterior que o C45, ao contrário do exibido pelos termopares. Mais uma vez, esta distinção
deverá estar relacionada com erros de registo termográfico. Examinando-se a distribuição de
temperaturas para ambos os materiais e direção incidente de radiação, comprova-se a
funcionalidade pretendida, unicamente por parte do sistema fibroso estudado.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
151
CAPITULO 6 – CONCLUSÕES
No presente capítulo são apresentadas as conclusões de todo o trabalho executado. Para além
disso, são ainda sugeridos estudos futuros, de forma a complementar a presente dissertação, ou
até colmatar possíveis falhas existentes na mesma.
6.1 Conclusão geral
Atualmente, confirmar-se uma crescente necessidade em garantir um desenvolvimento
sustentável, recorrendo apenas a recursos naturais sem comprometer gerações futuras. No que
se refere à área da construção, é necessário para tal, aumentar-se a eficiência energética dos
edifícios, sem descartar as exigências por parte dos padrões do conforto social. Neste sentido,
os trabalhos de reabilitação apresentam-se como uma excelente oportunidade de melhorar o
comportamento térmico dos edifícios, obtendo valores ótimos de eficiência energética e
sustentabilidade. Desta forma, surgiu a necessidade de se recorrer a uma infinidade de soluções
de design sintetizadas por seleção natural e de as aplicar tecnicamente em projetos otimizados.
Assim, está-se a empregar a chamada biomimética que se distingue das restantes ciências, por
transferir as boas ideias de design natural para aplicação em projetos técnicos de engenharia.
Neste contexto, o objetivo principal da presente dissertação, passou pelo estudo de um sistema
biomimético com base em materiais compósitos reforçados por fibras de juta com função de
isolamento térmico, a aplicar na reabilitação de edifícios. Assim, seguiu-se uma metodologia
baseada no biomimetismo, em que após a identificação e análise de diversas soluções existentes
na natureza se chegou ao desenvolvimento de um sistema com a funcionalidade de
revestimento, baseado no comportamento dos catos do deserto. O ser natural selecionado, mais
propriamente os catos que habitam no deserto, possuem a capacidade de se proteger da elevada
radiação solar, através do sombreamento provocado pela estrutura das pregas e pelos espinhos
existentes em cada uma delas. Curiosamente a cada prega exterior corresponde uma nervura
interior que lhe confere ainda a capacidade de reflexão de calor e redução de evaporação de
água. Esta característica promove-lhe a possibilidade de áreas de sombra para arrefecimento, à
custa da sua reduzida superfície. Este fenómeno deve-se então, à ocorrência de planos
alternados entre a incidência de luz solar nos catos (colocados verticalmente) e as sombras
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
152
provocadas pelas suas nervuras. Com base nesta ideia natural, foi executada uma estrutura em
lâminas, considerando-se diversas variáveis, tais como o tipo de material, o ângulo das lâminas
e ainda a direção de incidência de radiação. Para avaliação do desempenho desta solução,
desenvolveu-se um modelo físico, tenho sido realizados diversos ensaios e analisado o
comportamento de cada sistema para ambos materiais, através das temperaturas registadas por
um conjunto de termopares e dos termogramas obtidos pela máquina termográfica.
Após a análise de resultados, é importante realçar algumas conclusões. Assim, considerando os
resultados obtidos pelos termopares, é percetível a superioridade de temperaturas por parte do
revestimento em material compósito de fibra lisa, quando comparado com o revestimento em
chapa zincada lisa (sem qualquer ângulo entre lâminas). Aliás, isto notório quando o
revestimento em fibra com incidência de radiação inclinada, dissipa apenas (-3%) para 15% do
revestimento em chapa, o que significa que para além de não evitar a passagem de calor, a
temperatura na face exterior da parede, chega a ser superior à registada na superfície do próprio
revestimento. No entanto, verificamos um comportamento inconstante por parte do
revestimento em chapa, pois apesar de em alguns ensaios ter apresentado um menor aumento
da temperatura na face interior, a sua dissipação por parte do revestimento correspondente,
também foi baixa, o que implica que este resultado se deve principalmente à ação de dissipação
por parte do elemento construtivo. Para além disso, variando os ângulos entre lâminas, para um
mesmo material em chapa zincada verifica-se, ao contrário do previsto, melhores resultados
com a aplicação do revestimento liso com incidência frontal de radiação, do que com a estrutura
em lâminas de 15 para qualquer direção de incidência da fonte de calor. Este resultado não
comprova a funcionalidade pretendida do sistema executado, o que leva a concluir que este
material não possuí as propriedades necessárias para a estrutura pretendida.
Contrariamente ao descrito anteriormente, com a aplicação do revestimento em material
compósito de fibra de juta, o estudo em causa é comprovado, uma vez que quanto menor forem
as aberturas entre lâminas, menores são as temperaturas registadas. Isto é, quando é a aplicado
um revestimento em material compósito de fibra com abertura de 15 entre lâminas, as
temperaturas registadas na superfície de cada elemento são mais baixas do que nos restantes
ensaios. Tal como expetável, quando aplicada uma fonte de calor inclinada são ainda registados
menores temperaturas na superfície interior.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
153
Pelos termogramas resultantes da máquina termográfica, observamos pela área exterior, uma
distribuição uniforme por parte da parede padrão e dos revestimentos lisos. Nos revestimentos
com aberturas entre lâminas, nota-se uma maior concentração de temperaturas mais elevadas
(cores quentes) nas extremidades das lâminas (“pregas”), principalmente na zona de incidência
de radiação. Pelo lado interior, observa-se uma concentração de temperaturas elevadas na zona
central da parede e nas juntas entre tijolos, sendo ainda mais eminente quando correspondente
à parede padrão ou aos revestimentos lisos. Comparando os resultados obtidos em ambos os
equipamentos, observam-se certas discordâncias entre eles, que se apontam como falhas de
registo termográfico, aquando da utilização da máquina em questão. Ainda assim, avaliando-se
a distribuição de temperaturas para ambos os materiais e direção incidente de radiação,
comprova-se mais uma vez, a funcionalidade do sistema estudado com a aplicação da estrutura
em fibra de juta.
Neste contexto, é possível concluir-se que o objetivo principal da presente dissertação, em
contribuir para a redução do consumo energético, assim como, para o aumento do conforto
térmico em edifícios, é alcançado com a implementação de soluções biomiméticas inspiradas
na estrutura dos catos, a partir de revestimentos fibrosos com estruturas laminares de aberturas
a 15. Assim, a estrutura considerada é uma boa solução construtiva, no sentido em que se
baseia em técnicas de design natural, usando preferencialmente materiais sustentáveis.
6.2 Previsão de estudos futuros
Apesar do Homem usufruir de numerosos conhecimentos acerca de técnicas naturais, este ainda
não tem um domínio total sobre a natureza, o que implica um longo caminho a percorrer, até
igualar as suas tecnologias científicas às técnicas que a Natureza possui. O estudo abordado na
presente dissertação constituí um impulso nesse sentido.
Futuras investigações poderiam abranger a utilização de novos materiais, com o intuito de
perceber qual o que melhor se adequada ao tipo de estrutura e funcionalidade. De igual forma,
poderão ser testados diferentes ângulos de abertura entre lâminas ou até temperaturas climáticas
distintas (temperatura radiação incidente mais baixa). Poderá ainda, ser testado uma fonte de
calor com termostato, onde é possível regular a temperatura incidente. De forma a colmatar
possíveis erros de registo, deverão ser registadas fotos termográficos antes do início da cada
ensaio, assim como, aquando da sua estabilização.
Desenvolvimento de materiais para isolamento térmico com base em biomimética
154
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