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Mecânica dos Fluidos Prof. MSc. Cleber Albuquerque Webconferência 2 Superfícies submersas • O módulo, direção, sentido e ponto de aplicação da força exercida em um objeto que esteja total ou parcialmente submerso é fundamental para a engenharia. 2 Fluido em repouso • Não podem existir forças tangenciais agindo nele; • Ou seja, todas as forças serão normais à superfície submersa; 3 Fluido em repouso • Não podem existir forças tangenciais agindo nele; • Ou seja, todas as forças serão normais à superfície submersa; 4 p = 0 NMM LEI DE STEVIN: p = h.γ 2/3 1/3 Força Hidrostática • Não podem existir forças tangenciais agindo nele; • Ou seja, todas as forças serão normais à superfície submersa; 5 p = 0 NMM LEI DE STEVIN: p = h.γ 2/3 1/3 Se houver pressão distribuída uniformemente sobre uma superfície: F = p.A Em líquidos só ocorrerá sobre superfície submersa na horizontal Nos gases, independe da posição da superfície submersa, a F=p.A Determinar força sobre superfície plana submersa • Se houver pressão distribuída uniformemente sobre a superfície: 6 𝑃𝐴 − 𝑃𝐵 = 𝛾ℎ⬩Lei de Stevin: ⬩Em uma superfície plana horizontal a pressão é distribuída uniformemente: ⬩Pressão varia de forma linear do topo ao fundo. p= 𝐹 𝐴 ⇒ 𝐹 = 𝑝. 𝐴 cte Caso geral: superfície plana inclinada • CG: Centro de Gravidade • CP: Centro de Pressões • F: Força resultante 7 Por que o ponto de aplicação da força é abaixo do centro de gravidade? Caso geral: superfície plana inclinada • Para uma área dA (P=cte): • Por Stevin: • Para uma superfície inclinada, rotacionamos o eixo: • Integrando para toda a superfície: 8 𝐹 = 𝑝. 𝐴 𝑑𝐹 = 𝑝. 𝑑𝐴 𝑑𝐹 = (𝛾ℎ). 𝑑𝐴 ℎ = 𝑦. 𝑠𝑒𝑛(𝜃) 𝑑𝐹 = 𝛾. 𝑦. 𝑠𝑒𝑛(𝜃). 𝑑𝐴 න 𝐴 𝑑𝐹 = න 𝐴 𝛾. 𝑠𝑒𝑛 𝜃 . 𝑦. 𝑑𝐴 h Caso geral: superfície plana inclinada • 𝛾. 𝑠𝑒𝑛 𝜃 é constante, logo: • Pela definição de centro de gravidade: • Então, a força resultante será: 9 න 𝐴 𝑑𝐹 = න 𝐴 𝛾. 𝑠𝑒𝑛 𝜃 . 𝑦. 𝑑𝐴 𝐹 = 𝛾. 𝑠𝑒𝑛 𝜃 න 𝐴 𝑦. 𝑑𝐴 𝑦𝐶𝐺 = 1 𝐴 න 𝐴 𝑦. 𝑑𝐴 ⇒ න 𝐴 𝑦. 𝑑𝐴 = 𝑦𝐶𝐺 . 𝐴 𝐹 = 𝛾. 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝑦𝐶𝐺 . 𝐴 𝐹 = 𝛾. ℎ𝐶𝐺 . 𝐴 𝐹 = 𝑝𝐶𝐺 . 𝐴𝐹 = 𝜌. 𝑔. ℎ𝐶𝐺 . 𝐴 Ponto de aplicação da força 10 𝑑𝐹 = 𝛾. 𝑦. 𝑠𝑒𝑛(𝜃). 𝑑𝐴 𝑦𝑑𝐹 = 𝛾. 𝑦2. 𝑠𝑒𝑛(𝜃). 𝑑𝐴 𝑦𝐶𝑃𝐹 = 𝛾. 𝑠𝑒𝑛(𝜃)න 𝐴 𝑦2. 𝑑𝐴 𝑦𝐶𝑃𝐹 = 𝛾. 𝑠𝑒𝑛(𝜃)𝐼𝑜 • A força elementar da placa é: • O momento é dado pelo produto da força pela distância do eixo: • A resultante das forças de pressão é dada integrando: • Onde 𝐴 𝑦 2. 𝑑𝐴 é o momento de inércia (𝐼𝑜) em relação ao eixo Ox, logo: Ponto de aplicação da força 11 𝑦𝐶𝑃 = 𝐼𝑜 𝑦𝐶𝐺 . 𝐴 𝐼𝑜 = 𝐼𝐶𝐺 + 𝑦𝐶𝐺 2 . 𝐴 𝑦𝐶𝑃 = 𝑦𝐶𝐺 + 𝐼𝐶𝐺 𝑦𝐶𝐺 . 𝐴 A posição em relação ao eixo x será dada por: 𝑥𝐶𝑃. 𝐹 = න𝑥. 𝑝𝑑𝐴 Caso a figura seja simétrica, a posição x se localizará perpendicular ao eixo Ox • Dividindo 𝑦𝐶𝑃𝐹 = 𝛾. 𝑠𝑒𝑛(𝜃)𝐼𝑜 por 𝐹 = 𝛾. 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝑦𝐶𝐺 . 𝐴 temos: • Sabendo que uma das propriedades do momento de inércia é dada por: • Logo, 12 13 • Consideremos a distribuição de pressões ao longo da parede vertical de um tanque de largura b que contenha um líquido de peso específico 𝛾; • Dada a pressão relativa na superfície superior do líquido é igual a zero; • A pressão relativa na superfície inferior é igual a 𝛾ℎ; • A força resultante pode ser dada pelo volume do espaço pressão: • O centro de pressão coincide com o centroide do do volume e está localizado a ℎ 3 da base. 14 𝐹𝑅 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 = 1 2 𝛾ℎ ℎ. 𝑏 Caso particular: interpretação gráfica por prisma de pressões Caso particular: interpretação gráfica por prisma de pressões • O mesmo para superfícies inclinadas: - A comporta encosta na superfície livre do líquido; - A comporta tem largura constante. Influência da pressão atmosférica • Quando a pressão do ar é igual nos dois lados, para dimensionamento da comporta utiliza-se apenas a força da água. 16 Altura equivalente • Calcula-se a pressão do óleo • Calcula-se a força da água • Calcula-se a força do óleo • Ponto de aplicação de F • Ponto de aplicação de 𝐹ó𝑙𝑒𝑜 • Calcular resultante 17 𝑃ó𝑙𝑒𝑜 = 𝜌ó𝑙𝑒𝑜. 𝑔. ℎó𝑙𝑒𝑜 𝐹 = 𝜌á𝑔𝑢𝑎. 𝑔. ℎ𝐶𝐺 . 𝐴 𝐹ó𝑙𝑒𝑜 = 𝑝ó𝑙𝑒𝑜. 𝐴 𝑦𝐶𝑃 = 𝑦𝐶𝐺 + 𝐼𝐶𝐺 𝑦𝐶𝐺 . 𝐴 ▹ Altura equivalente 𝜌á𝑔𝑢𝑎. 𝑔. ℎ𝑒𝑞 = 𝜌ó𝑙𝑒𝑜. 𝑔. ℎó𝑙𝑒𝑜 ℎ𝑒𝑞 = 𝜌ó𝑙𝑒𝑜. ℎó𝑙𝑒𝑜 𝜌á𝑔𝑢𝑎 Exercício 01 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. O tanque à esquerda contém água (γ = 10.000N/m³) e o da direita, óleo (γ = 7.500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? • Resp.: F=50000N 18 Exercício 09 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 19 VAMOS ASSUMIR QUE A FORÇA EM B ESTÁ NA HORIZONTAL PARA A ESQUERDA E NO SENTIDO HORÁRIO F Exercício 09 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 20 F1 FORÇA QUE A ÁGUA EXERCE NA COMPORTA F2 FORÇA DO ÓLEO NA COMPORTA d1 d2 CENTRO DE PRESSÃO 1 CENTRO DE PRESSÃO 2 𝑴𝑨 𝑹 = 𝟎 𝑴𝑨 𝑭𝟏 +𝑴𝑨 𝑭𝟐 +𝑴𝑨 𝑭 = 𝟎 Exercício 09 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 21 F1 FORÇA QUE A ÁGUA EXERCE NA COMPORTA F2 FORÇA DO ÓLEO NA COMPORTA d1 d2 CENTRO DE GRAVIDADE: O MOMENTO DE INÉRCIA NO EIXO DA COMPORTA (METADE DA ALTURA = 1m) 𝑴𝑨 𝑹 = 𝟎 𝑴𝑨 𝑭𝟏 +𝑴𝑨 𝑭𝟐 +𝑴𝑨 𝑭 = 𝟎 𝑰𝑪𝑮 = 𝒃𝒉³ 𝟏𝟐 = 𝟏, 𝟓. 𝟐³ 𝟏𝟐 = 𝟏𝒎𝟒 Exercício 01 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 𝑦𝑐𝑝1 = 𝑦𝑐𝑔1 + 𝐼𝑐𝑔 𝑦𝑐𝑔1𝐴 𝑦𝑐𝑝1 = 4 + 1 4.2.1,5 = 49 12 𝑚 22 4m Exercício 09 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 23 F1 FORÇA QUE A ÁGUA EXERCE NA COMPORTA F2 FORÇA DO ÓLEO NA COMPORTA d1 d2 4m 3m 𝒅𝟏 = 𝒚𝒄𝒑𝟏 − 𝟑 = 𝟒𝟗 𝟏𝟐 − 𝟑 = 𝟏𝟑 𝟏𝟐 𝒎 Exercício 01 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 𝑦𝑐𝑝2 = 𝑦𝑐𝑔2 + 𝐼𝑐𝑔 𝑦𝑐𝑔2𝐴 𝑦𝑐𝑝2 = 1 + 1 1.2.1,5 = 4 3 𝑚 24 1m Exercício 09 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 25 F1 FORÇA QUE A ÁGUA EXERCE NA COMPORTA F2 FORÇA DO ÓLEO NA COMPORTA d1 d2 3m 𝒅𝟐 = 𝒚𝒄𝒑𝟐 = 𝟒 𝟑 𝒎 Exercício 01 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 𝐹1 = 𝑃𝐶𝐺𝐴 → 𝐹1 = 𝛾ℎ𝐶𝐺1𝐴 𝐹1 = 10000.4.3 = 120000𝑁 𝐹2 = 𝑃𝐶𝐺𝐴 → 𝐹2 = 𝛾ℎ𝐶𝐺2𝐴 𝐹1 = 7500.1.3 = 22500𝑁 26 Exercício 01 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 𝑴𝑨 𝑭𝟏 +𝑴𝑨 𝑭𝟐 +𝑴𝑨 𝑭 = 𝟎 (adotando sentido horário positivo) −𝐹1𝑑1+ 𝐹2𝑑2 +𝑴𝑨 𝑭 = 0 −120000. 13 12 + 22500. 4 3 +𝑴𝑨 𝑭 = 0 𝑴𝑨 𝑭 = 100000N.m 27 Exercício 01 • A comporta AB da figura tem 1,5m de largura e pode girar em torno de A. o tanque à esquerda contém água (γ=10000N/m³) e o da direita, óleo (γ=7500N/m³). Qual é a força necessária em B para manter a comporta vertical? 𝑴𝑨 𝑭 = 100000N.m (como deu positivo, o sentido adotado da força está correto) 100000 = 𝐹. 𝑑 100000 = 𝐹.2 F = 50000N 28 F Superfície curva submersa • Forma convencional de resolução: Integrando e fórmulas de difícil cálculo, pois a força resultante FR sobre a superfície curva é resultante de várias forças que mudam de direção ao longo da superfície. • Alternativa: Determinar as componentes verticais e horizontais separadamente a partir de projeções. 29 Cálculo da componente horizontal da força • A componente horizontal da força sobre a superfície curva é igual à força sobre a área plana formada pela projeção da superfície curva sobre um plano vertical normal à componente 30 Cálculo da componente vertical da força • A componente vertical da força sobre a superfície curva é igual, em magnitude e direção, ao peso da coluna total de fluido acima, e da atmosfera, acima da superfície curva. 31 𝐹𝑉 = 𝑊𝑎𝑟 +𝑊1 +𝑊2 ▹O ponto de aplicação de Fv é no Centro de Gravidade do peso do fluido Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 32 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 33 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 34 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 Projeção da curva 1,2m 0,3m Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 35 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 Projeção da curva 1,2m 0,3m F ycp Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 36 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 F ycp hcg Fx = pcg . A Fx = γ . hcg . A Fx = 10000. 0,6 . 1,2 . 0,3 Fx = 2160N Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 37 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 G Fx = pcg . A Fx = γ . hcg . A Fx = 10000. 0,6 . 1,2 . 0,3 Fx = 2160N Fy = G Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 38 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 G Fx = pcg . A Fx = γ . hcg . A Fx = 10000. 0,6 . 1,2 . 0,3 Fx = 2160N Fy = G Fy = γ . ∀ 𝐹𝑦 = 𝛾. 𝜋𝑟2 4 . 𝐿 Exercício 02 Determine as componentes horizontal e vertical da força (em kN) devido à água que age na parte em forma de cilindro AB do tanque, cuja largura é de 0,3m 39 Resp.: 𝐹𝐻 = 2,16 𝑘𝑁, 𝐹𝑉 = 3,39𝑘𝑁 G Fx = pcg . A Fx = γ . hcg . A Fx = 10000. 0,6 . 1,2 . 0,3 Fx = 2160N Fy = G Fy = γ . ∀ 𝐹𝑦 = 𝛾. 𝜋𝑟2 4 . 𝐿 𝐹𝑦 = 10000. 𝜋1,22 4 . 0,3 Fy = 3393N Material EXTRA! Esta parte foi adicionada por solicitação do Professor Anderson e Professora Sylvana. Trata docaso particular sobre o calculo das componentes horizontal e vertical de superfícies curvas. A seguir. 40 Situação particular – líquido real (abaixo) = líquido imaginário (acima) Repare que o fluido neste caso está na parte “exterior” da superfície curva representado em (a). Isolando a superfície curva com o líquido que está em contato com ela temos (b). Neste caso temos a força F1 sendo aplicada horizontalmente na superfície e F2 sobre a base do elemento e Fw sendo o peso do próprio fluido em contato com o elemento. Em relação ao momento temos os braços de força F1 e d1, F2 e d2 e Fw e dw. 41 Situação particular – líquido real (abaixo) = líquido imaginário (acima) A área do elemento de fluido em contato com a superfície é representada em (c). Trata-se de uma subtração entre a área 1 (d) e área 2 (e). 42 Situação particular – líquido real (abaixo) = líquido imaginário (acima) Sem forças externas : - Força horizontal→ Fx = F1 = γ.hcg.Av - Forças verticais→ Fy, F2 e Fw F2 = Fy + Fw→ Fy = F2 – Fw Sendo: F2 = força resultante da pressão no plano horizontal F2 = p.Ah = (γh)(RI), onde h = R 𝐹2 = 𝛾𝑅 2𝐼 Fw = peso do volume líquido abaixo da comporta e acima do plano horizontal L = largura 43 Situação particular – líquido real (abaixo) = líquido imaginário (acima) 𝐹𝑤 = 𝛾. ∀ 44 ∀= ∀𝑐𝑢𝑏𝑜 − ∀1 4 𝑐í𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 ∀𝑐𝑢𝑏𝑜= 𝑅 2𝑙 ∀1 4 𝑐í𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 = 1 4 𝜋𝑅2 𝑙 ∀= 𝑅2𝑙 − 1 4 𝜋𝑅2 𝑙 𝐹𝑤 = 𝛾𝑅 2𝑙 − 𝛾 1 4 𝜋𝑅2 𝑙 Onde: R = raio; l = extensão. 𝐹2 = 𝛾𝑅 2𝑙 Como: Fv = F2 – Fw 𝐹𝑤 = 𝛾𝑅 2𝑙 − 𝛾𝑅2𝑙 − 𝛾 1 4 𝜋𝑅2 𝑙 𝐹𝑤 = 𝛾 1 4 𝜋𝑅2 𝑙 Situação particular – líquido real (abaixo) = líquido imaginário (acima) Roteiro para cálculo da força resultante: 1) Diagrama do corpo livre teórico→ Fh, dh; Fv, dv; Fw, dw; Fext, dext. 2) Identificar os momentos (ponto de articulação/superfície livre) 3) Projetar a superfície curva em plano vertical e calcular a COMPONENTE HORIZONTAL nessa superfície → Fh 4) Calcular o braço de força da componente horizontal→ dh (igual a superfície plana) 5) Considerar o plano horizontal de atuação da pressão e calcular a COMPONENTE VERTICAL nessa superfície → Fv 6) Calcular o braço de força da componente vertical→ dv 7) Calcular o peso do “bloco de líquido” isolado→ Fw 8) Calcular o braço de força do peso do “bloco de líquido”→ dw 9) Combinar as duas forças e determinar a força resultante ou aplicar os momentos para determinar a força externa/braço de força (Fext, dext) 45 Exercício 03 • Determinar o módulo e o ponto de aplicação das componentes horizontal e vertical da força exercida pela água sobre a comporta AB da figura, sabendo que sua largura é 0,3m, o raio é 1,8m e a comporta está articulada em C. 46 Exercício 03 • Determinar o módulo e o ponto de aplicação das componentes horizontal e vertical da força exercida pela água sobre a comporta AB da figura, sabendo que sua largura é 0,3m, o raio é 1,8m e a comporta está articulada em C. 47 Fx Exercício 03 • Determinar o módulo e o ponto de aplicação das componentes horizontal e vertical da força exercida pela água sobre a comporta AB da figura, sabendo que sua largura é 0,3m, o raio é 1,8m e a comporta está articulada em C. 48 Fx Exercício 03 • Determinar o módulo e o ponto de aplicação das componentes horizontal e vertical da força exercida pela água sobre a comporta AB da figura, sabendo que sua largura é 0,3m, o raio é 1,8m e a comporta está articulada em C. 49 Fx 𝟐 𝟑 𝑳 𝑭𝒙 = 𝜸𝒉𝑪𝑮𝑨 Exercício 03 • Determinar o módulo e o ponto de aplicação das componentes horizontal e vertical da força exercida pela água sobre a comporta AB da figura, sabendo que sua largura é 0,3m, o raio é 1,8m e a comporta está articulada em C. 50 Fx 𝟐 𝟑 𝑳 𝑭𝒙 = 𝜸𝒉𝑪𝑮𝑨 𝑭𝒙 = 𝟏𝟎 𝟒. 𝟎, 𝟗. 𝟏, 𝟖. 𝟎, 𝟑 𝑭𝒙 = 𝟒𝟖𝟔𝟎𝑵 𝒚𝑪𝑷 = 𝒉𝑪𝑮 + 𝑰𝑪𝑮 𝒉𝑪𝑮𝑨 DA BARRA = L/2 𝒚𝑪𝑷 = 𝟎, 𝟗 + 𝟎, 𝟏𝟒𝟓𝟖 𝟎, 𝟗. 𝟏, 𝟖. 𝟎, 𝟑 𝒚𝑪𝑷 = 𝟏, 𝟐𝐦 Exercício 03 • Determinar o módulo e o ponto de aplicação das componentes horizontal e vertical da força exercida pela água sobre a comporta AB da figura, sabendo que sua largura é 0,3m, o raio é 1,8m e a comporta está articulada em C. 51 𝑭𝒚 = 𝐆 𝑭𝒚 = 𝜸∀ 𝑭𝒚 = 𝜸 𝝅𝑹𝟐 𝟒 𝑳 𝒙𝑪𝑷 = 𝒙𝑪𝑮 G Fy CM 𝑭𝒚 = 𝟏𝟎 𝟒 𝝅𝟏,𝟖𝟐 𝟒 𝟎, 𝟑 𝑭𝒚 = 𝟕𝟔𝟑𝟒𝑵 𝒙𝑪𝑷 = 𝟒𝑹 𝟑𝝅 𝒙𝑪𝑷 = 𝟒. 𝟏, 𝟖 𝟑𝝅 𝒙𝑪𝑷 = 𝟎, 𝟕𝟔𝟒𝒎 Bibliografia: BRUNETTI, F. (2008). Introdução, definição e propriedade dos fluidos, capítulo 1. Mecânica dos Fluidos. Editora Pearson. 2ª ed. 52 OBRIGADO NOME DO APRESENTADOR CONTATOSCARGO E-mail: cleber.albuquerque@sereducacional.com Instagram: @acquacast