Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
DESCRIÇÃO Conceitos fundamentais de Fenômenos de Transporte (FENTRAN), propriedades dos fluidos, unidades mais comuns, análise dimensional e estática dos fluidos. PROPÓSITO Compreender os Fenômenos de Transporte, a metodologia da análise dimensional e semelhança – bastante utilizada em diversas disciplinas de Engenharia – e a estática dos fluidos – fundamental para o projeto de diversas estruturas, como reservatórios, comportas e barragens. PREPARAÇÃO Calculadora científica, papel e caneta para a resolução dos exercícios. OBJETIVOS MÓDULO 1 Descrever os conceitos fundamentais de FENTRAN e as principais propriedades dos fluidos MÓDULO 2 Aplicar métodos de análise dimensional e semelhança para cálculo de estimativas MÓDULO 3 Identificar a resolução de problemas com fluidos em condição estática O QUE SÃO FENÔMENOS DE TRANSPORTE? MÓDULO 1 Descrever os conceitos fundamentais de FENTRAN e as principais propriedades dos fluidos DEFINIÇÃO DE FLUIDO, CONCEITOS E UNIDADES CONCEITO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE Uma das perguntas que você pode estar se fazendo agora é: O que são Fenômenos de Transporte? Essa é uma dúvida comum aos alunos que iniciam esse estudo, tendo em vista o título genérico. A intenção é justamente essa, pois FENTRAN (simplificação frequentemente adotada) trata do transporte de grandezas que têm naturezas físicas muito diferentes, mas mantêm entre si um aspecto em comum: o mecanismo. Em outras palavras, são os fenômenos que, apesar de parecerem não ter nenhuma correlação, podem ser explicados pelos mesmos princípios e tratados por equações análogas. APLICAÇÕES DE FENTRAN NA ENGENHARIA A explicação dada sobre o que é FENTRAN ainda está um pouco vaga? Então, vamos especificar o que será “transportado” para você aqui: QUANTIDADE DE MOVIMENTO No escoamento de fluidos, pode ocorrer “atrito” (tensão cisalhante) entre partículas. Por meio dessa força, é transferida a quantidade de movimento (produto entre velocidade e massa). PRODUTO ENTRE VELOCIDADE E MASSA Da mecânica clássica: CALOR Conforme você provavelmente aprendeu no ensino médio, calor é a transferência de energia térmica que pode ocorrer por condução, convecção e radiação. Em FENTRAN, aprofundaremos mais esse conhecimento. MASSA Quando uma substância é liberada em um meio fluido (como, por exemplo, gás metano na atmosfera e lançamento de efluentes em um rio), há a tendência de ela se espalhar, seja pelo movimento do meio (como, por exemplo, o vento na atmosfera ou a corrente do rio), seja pela agitação microscópica (como, por exemplo, a molecular). EFLUENTES Q = m ∙ v javascript:void(0) javascript:void(0) Resíduos provenientes de atividade humana, como redes de esgotos e atividades industriais. Todos esses casos envolvem fluidos, ou seja, líquidos e gases. Assim, o conhecimento sobre eles é fundamental, desde seu comportamento mecânico até suas propriedades físicas. RESUMINDO FENTRAN trata do transporte de quantidade de movimento, calor e massa. E isso constitui um tema muito vasto. Portanto, separamos aqui apenas os tópicos que são mais relevantes e necessários para a formação básica de um engenheiro, mas indicaremos fontes de informações adicionais, caso você tenha interesse por mais detalhes. A seguir, apresentaremos diversas aplicações de FENTRAN, principalmente na Engenharia, enfatizando os tipos de transporte envolvidos. METEOROLOGIA E OCEANOGRAFIA Nesses dois campos de estudo, são abordados tanto o movimento de fluidos (vento no ar da atmosfera e corrente e onda nos mares) quanto a transferência de calor. Foto: Shutterstock.com Foto: Shutterstock.com CIRCULAÇÃO SANGUÍNEA (BIOMEDICINA) O sangue é um fluido, enquanto as artérias e veias são condutos por onde ele flui. O coração, por sua vez, é uma máquina de fluxo, que provoca escoamento, caracterizado pela circulação sanguínea. Imagem: Shutterstock.com adaptado por Danielle Ribeiro Circulação do sangue. GERAÇÃO DE ENERGIA – TURBINAS HIDRÁULICAS E EÓLICAS O objetivo das turbinas é converter a energia do fluido em energia mecânica, que, posteriormente, é transformada em energia elétrica por um gerador. No caso de hidrelétricas, a energia disponível do fluido é a potencial gravitacional, correspondente à altura da barragem. Já a energia eólica é obtida a partir da energia cinética oriunda da velocidade do vento. Foto: Shutterstock.com Turbina hidráulica e eólica Foto: Shutterstock.com Turbina hidráulica e eólica AERODINÂMICA Há mais de um século, a aerodinâmica tem sido objeto de estudo, principalmente na aeronáutica. Mas, há pouco tempo, os mesmos conceitos são utilizados no projeto de drones. Foto: Shutterstock.com Aerodinâmica Foto: Shutterstock.com Aerodinâmica LAZER – JET SKI E FLYBOARD Os conhecimentos abordados em FENTRAN são utilizados até para o lazer. Os projetos de motos aquáticas (jet ski) e, mais recentemente, os flyboards se baseiam na mecânica dos fluidos para seu dimensionamento, como, por exemplo, a potência requerida pelo motor. Foto: Shutterstock.com Jet ski (moto aquática) e flyboard Foto: Shutterstock.com Jet ski (moto aquática) e flyboard LAZER Talvez você não saiba, mas FENTRAN vai continuar acompanhando você mesmo após as atividades comentadas anteriormente. Os princípios de transferência de calor estão presentes no churrasco que você prepara, na pizza que vai ao forno e até no hambúrguer grelhado na chapa. Foto: Shutterstock.com Lazer e transferência de calor Foto: Shutterstock.com Lazer e transferência de calor Foto: Shutterstock.com Lazer e transferência de calor CONSTRUÇÃO CIVIL: PONTE O colapso da ponte de Tacoma, em 1940, foi um marco para a construção civil, pois ela havia sido projetada para resistir a velocidades de vento superiores à velocidade no dia do acidente. Percebeu-se que a ação do vento pode provocar Vibrações Induzidas por Vórtices (VIVs) e levar a estrutura ao colapso devido à ressonância. Foto: Domínio Público/Wikimedia commons/licença(CC BY 3.0...) Ponte de Tacoma (1940) A. Placzek/Wikimedia commons/licença (CC BY-SA 3.0) Vibração Induzida por Vórtice (VIV) TÚNEL DE VENTO – AERODINÂMICA AUTOMOTIVA E DE AVIAÇÃO Túneis de vento são amplamente utilizados no projeto de veículos e aeronaves. O principal objetivo é medir a força de arrasto (resistência) e a sustentação. Foto: Shutterstock.com Túnel de vento Foto: Shutterstock.com Túnel de vento Foto: Shutterstock.com Túnel de vento ENGENHARIA NAVAL Seja em pequenos barcos de pesca, grandes cargueiros, petroleiros e cruzeiros ou até submarinos: é necessário garantir a flutuabilidade e o equilíbrio em todos os tipos de embarcações. Além disso, existe a força de arrasto, que impacta diretamente na velocidade e na autonomia. Esses conceitos também são abordados em mecânica dos fluidos. Foto: Shutterstock.com Submarino e cargueiro Foto: Shutterstock.com Submarino e cargueiro ESPORTES Nos esportes, também tem FENTRAN! Os motivos pelos quais a bola faz curva em chutes mais fortes e os ciclistas se abaixam para alcançar maiores velocidades são explicados por conceitos abordados em mecânica dos fluidos. Foto: Shutterstock.com Esportes Foto: Shutterstock.com Esportes HIDRÁULICA, IRRIGAÇÃO E DRENAGEM A hidráulica é uma das principais aplicações de FENTRAN para a maioria das engenharias, tanto em tubulações quanto em canais. Como desdobramento, outras disciplinas se baseiam na mesma teoria básica, como irrigação, drenagem, saneamento, instalações hidráulicas prediais e hidráulica marítima. Foto: Shutterstock.com Hidráulica e irrigação Foto: Shutterstock.com Hidráulica e irrigação ÓLEO E GÁS A indústria de óleo e gás é um ótimo exemplo para aplicação de FENTRAN, pois utiliza, praticamente, todos os tópicos abordados. Foto: Shutterstock.com Engenharia de Óleo e Gás Foto: Shutterstock.com Engenharia de Óleo e Gás REFRIGERAÇÃO Geladeiras, freezers esistemas de ar-condicionado funcionam com princípios abordados em transferência de calor. Foto: Shutterstock.com Refrigeração Foto: Shutterstock.com Refrigeração DISPERSÃO DE POLUENTES Há uma preocupação cada vez maior com o meio ambiente, o que inclui o impacto do lançamento de poluentes. A maneira como substâncias se dispersam na atmosfera ou em corpos hídricos é avaliada com base em conhecimentos da transferência de massa. Foto: Shutterstock.com Poluição Foto: Shutterstock.com Poluição SUSTENTABILIDADE Um dos termos mais valorizados na engenharia moderna é a sustentabilidade. Essa é a característica que os melhores projetos devem buscar, seja no aproveitamento da radiação solar, seja no aproveitamento das baixas temperaturas submarinas. Foto: Shutterstock.com Painel solar – sustentabilidade Foto: Microsoft Corp Data center submarino – sustentabilidade SÓLIDO X FLUIDO Neste momento, já é possível ter uma boa noção do que é FENTRAN e perceber que fluido é o tipo de matéria de nosso interesse. Por isso, é importante defini-lo. O que você lembra sobre a diferença entre sólido e fluido aprendida no ensino médio? Provavelmente, um ou mais dos itens listados a seguir estarão em sua resposta: SÓLIDO Moléculas mais próximas Maior atração molecular Tem formato definido LÍQUIDO Moléculas mais distantes Menor atração molecular Adequam-se ao ambiente Quadro: Diferenças entre sólido e líquido. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento. Essas características, obviamente, continuam válidas no curso superior. Porém, na Engenharia, precisamos de mais detalhes para representar a matéria do ponto de vista mecânico, ou seja, em termos de tensões e deformações. Quando aplicamos uma tensão cisalhante (letra grega ) em um sólido, ele se deforma e resiste a ela, com um ângulo de distorção , entrando em equilíbrio. Já o fluido não é capaz de resistir em equilíbrio. Então, o ângulo de distorção continua aumentando pelo tempo que a tensão cisalhante for aplicada, ou seja, ele “escoa”, conforme demonstra a imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Diferença entre sólido e fluido Como a distorção aumenta ao longo do tempo, não é conveniente falar em ângulo , mas sim em taxa de cisalhamento . Isaac Newton (1643-1727) mostrou que, para fluidos mais comuns (como, por exemplo, água, óleos e ar), a tensão cisalhante é proporcional à taxa de cisalhamento, ou seja: τ δθ δθ dθ/dt τ = μ (i) dθ dt Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que é uma constante chamada de viscosidade dinâmica. Apesar de ser claro para entendimento, o termo taxa de cisalhamento ( ) não é prático para se medir ou calcular em um escoamento. Por isso, vamos trocar por outro termo equivalente, conforme a dedução a seguir. Vamos recortar apenas uma porção retangular infinitesimal de um fluido que escoa, com dimensões e . Transcorrido um tempo , o retângulo (linha tracejada) passa a ser um losango (linha contínua), conforme mostra a figura seguinte: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Taxa de cisalhamento e gradiente de velocidade O deslocamento do topo será . No triângulo retângulo à esquerda, temos: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como o ângulo é muito pequeno (infinitesimal), . Portanto: μ dθ/dt δx δy δt δx2 = δu δt tan δθ = (ii) δu δt δy tanδθ ≅senδθ ≅δθ Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Substituindo na equação : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa equação representa a Lei da Viscosidade de Newton, válida para os fluidos então chamados de newtonianos. SAIBA MAIS Algumas substâncias possuem comportamento ambíguo, ou seja, dependendo da condição, classificam-se como sólidos ou fluidos. Como exemplos, podemos citar o vidro, que escoa muito lentamente (leva centenas de anos para perceber), e o solo, que, em desmoronamentos aéreos ou submarinos, pode se comportar como fluido. HIPÓTESE DO CONTÍNUO: ABORDAGENS EULERIANA E LAGRANGIANA Quando observamos a correnteza de um rio ou qualquer outro escoamento, é natural pensarmos que se trata de algo contínuo, ou seja, que preenche todo o espaço. Mas, lembrando da Química, sabemos que a água, assim como qualquer outro fluido, é composta por moléculas. Vamos avaliar o efeito desse distanciamento por meio da relação entre massa e volume ocupado, chamado de massa específica: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal ATENÇÃO Para denotar volume, adotaremos , com o intuito de diferenciar de velocidade . δθ = → = (iii) δu δt δy dθ dt du dy (i) τ = μ (iv) du dy ρ = (v) m V V V Partindo de um volume pequeno, mas que já engloba uma molécula (esfera 1 da imagem a seguir), teremos uma massa elevada, conforme o ponto 1 do gráfico a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Hipótese do contínuo Aumentando o tamanho do volume, a massa específica diminui até o ponto 2 do gráfico, na iminência de incluir mais uma molécula, quando a massa específica dá um salto (ponto 3). Esse processo se repete, mas os saltos diminuem gradativamente, pois a quantidade de moléculas adicionadas no aumento do volume perde cada vez mais proporção em relação às já incluídas. Portanto, a partir de determinado volume limite, comumente aceito como 10-12 cm³ para líquidos e gases nas condições normais de temperatura e pressão (CNTPs), essa oscilação passa a ser desprezível, e o gráfico tem comportamento contínuo. As dimensões tratadas na Engenharia são, praticamente, sempre muito superiores a esse volume limite. Portanto, daqui em diante, consideraremos o fluido como uma matéria contínua. Assim temos: HIPÓTESE As dimensões mínimas estudadas na Engenharia envolvem um número muito grande de moléculas, o que possibilita considerar o fluido como um meio contínuo, sem distinção entre moléculas e vazios. CONSEQUÊNCIA Em qualquer ponto no espaço, haverá uma partícula fluida que possui todas as grandezas inerentes a um fluido, como massa ( ), volume ( ), velocidade ( ) e temperatura ( ). A massa específica, por exemplo, será calculada por: . Tabela: Tratamento dos fluidos na Engenharia. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento Antes de começar a desenvolver equações, é necessário decidir qual abordagem será adotada – aquela que segue a matéria (lagrangiana) ou aquela que se mantém fixa ao espaço (euleriana), conforme mostra a imagem a seguir: δm δ V →V T ρ = δm δ V javascript:void(0) EULERIANA Lê-se: “óileriana”. Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Abordagem lagrangiana versus abordagem euleriana Essa decisão se resume ao que mediremos ou calcularemos em termos das grandezas físicas (ex.: velocidade, pressão e temperatura), conforme a tabela a seguir: Onde as grandezas físicas são medidas/calculadas? Lagrangiana Euleriana Em determinadas partículas de interesse, que são acompanhadas ao longo de sua trajetória no tempo. Nas partículas que passam nas posições de interesse (domínio de análise) ao longo do tempo. Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Quadro: Abordagens lagrangiana e euleriana de acordo com as grandezas físicas. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento Então, qual é a melhor abordagem? Depende. Se estamos falando de sólidos, como na análise de estruturas (por exemplo, aço e concreto), os deslocamentos fazem com que posições em que antes havia a matéria de interesse, em um momento posterior, passe a não haver nada (apenas ar) ou outro tipo de material. Isso dificulta a aplicação da abordagem euleriana, que monitora as posições do espaço. Em contrapartida, em se tratando de fluido, os deslocamentos são grandes. Normalmente, há entrada por um contorno e saída pelo outro, o que dificulta o acompanhamento das partículas,feito pela abordagem lagrangiana. DICA De maneira geral, concluímos que, para sólidos, a abordagem lagrangiana é mais apropriada, enquanto, para fluidos, a euleriana se adequa melhor. Foto: Shutterstock.com EXEMPLO O velocímetro de um automóvel se enquadra na abordagem lagrangiana ou euleriana? O velocímetro mede a velocidade do automóvel, ou seja, acompanha a “partícula” enquanto se move. Essa situação corresponde à definição da abordagem lagrangiana. E o radar? Foto: Shutterstock.com Os radares medem a velocidade dos veículos que passam em determinado local, ou seja, não acompanham a “partícula”. Nesse caso, temos uma situação correspondente à abordagem euleriana. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS, GRANDEZAS FÍSICAS E SUAS PRINCIPAIS UNIDADES A seguir, serão apresentadas e comentadas as principais propriedades dos fluidos estudadas em FENTRAN. MASSA ESPECÍFICA: É definida como a razão entre a massa e o volume de uma partícula fluida: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Por depender do volume ocupado, pode variar com a temperatura e a pressão. Por definição, fluidos incompressíveis não sofrem variação de volume para uma mesma quantidade de massa. Portanto, nesse caso, a massa específica é constante, o que pode ser considerado para os líquidos na maioria das situações e, em alguns casos, até mesmo para gases. UNIDADES kg/m³ lb/ft³ 1 lb/ft³ = 16,02 kg/m³ lb/in³ 1 lb/in³ = 27.679,9 kg/m³ oz/gal 1 oz/gal = 7,49 kg/m³ SAIBA MAIS Em inglês, o termo correspondente à massa específica é density. PESO ESPECÍFICO: É definido pela razão entre o peso e o volume de uma partícula: ρ ρ = dm d V ρ ρ → → → γ γ = dP d V Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Substituindo-se , teremos . Como : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal UNIDADES N/m³ (S.I.) kN/m³ 1 kN/m³ = 1000 N/m³ DENSIDADE: OU É a razão entre a massa específica do fluido ( ) e a de referência ( ). Portanto, é adimensional: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Normalmente, é adotada como a maior massa específica da água ( P = mg γ = dm⋅g d V ρ = dm d V γ = ρg → d δ ρ ρref d = ρ ρref ρref ), que ocorre em 4°C. SAIBA MAIS Algumas vezes, encontramos o termo densidade referindo-se à massa específica. A maneira de se assegurar do que se trata é observar a unidade que acompanha o valor. Densidade é traduzida para inglês por specific gravity (S.G.) ou relative density. VISCOSIDADE (DINÂMICA): Conforme já vimos, viscosidade é uma constante que aparece na Lei da Viscosidade de Newton, dada por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Quanto maior a viscosidade, maior será a tensão cisalhante (viscosa) necessária para manter a mesma velocidade. Imagine que, entre duas chapas metálicas, seja colocada uma camada fina de óleo. Ao deslizar as superfícies, uma tensão cisalhante será gerada, e a força necessária para manter o movimento será , conforme mostrado a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Deslizamento entre placas Quanto mais viscoso for o óleo, maior será essa força. É por isso que, para óleos lubrificantes, desejamos os que possuem a menor viscosidade. Por um lado, a viscosidade sofre pouca influência da pressão. Por outro, a temperatura, além de ter influência significativa, causa efeito diferenciado em gases e líquidos: GASES + temperatura ρágua = 1.000kg/m³ μ τ = μ du dy F = τA → javascript:void(0) + viscosidade LÍQUIDOS + temperatura - viscosidade A imagem a seguir ilustra essa influência: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Influência da temperatura na viscosidade de gases e líquidos Esse comportamento diferenciado em líquidos tem um efeito benéfico em muitos equipamentos e motores, pois o aumento da temperatura, que ocorre durante seu uso, causa diminuição da viscosidade do óleo lubrificante, redução da força resistente e, consequentemente, da potência dissipada. A tabela a seguir apresenta algumas propriedades dos fluidos: Fluido (20°C e 1atm) (Pa.s) (kg/m³) Hidrogênio 9,05 x 10-6 0,0839 Ar 1,80 x 10-5 1,20 Gasolina 2,92 x 10-4 680 Água 1,00 x 10-3 998 Álcooletílico 1,20 x 10-3 789 Mercúrio 1,56 x 10-3 13.550 Óleo SAE10 W 1.04 x 10-1 870 Óleo SAE30 W 2.90 x 10-1 891 Água domar 1,07 x 10-3 1.025 → μ ρ javascript:void(0) Fluido (20°C e 1atm) (Pa.s) (kg/m³) Glicerina 1,49 1260 Gáscarbônico 1,48 x 10-5 1,82 Azeitede oliva 84,0 x 10-3 890 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Tabela: Propriedades dos fluidos mais comuns. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento UNIDADES kg/m.s (S.I.) Pa.s: 1 Pa.s = 1 kg/m.s P (Poise): 1 P = 0,1 kg/m.s cP (Centipoise): 1 cP = 0,001 kg/m.s Viscosidade cinemática: UNIDADES m²/s (S.I.) St (Stokes): 1 St = 10-4 m²/s cSt (Centistoke): 1 cSt = 10-6 m²/s PRESSÃO: Embora a pressão não seja uma propriedade do fluido, e sim uma condição, seu conceito e a quantidade de unidades adotadas na Engenharia fazem valer mencioná-la aqui. Antes de falar de pressão, vamos relembrar de uma grandeza física parecida: a tensão normal ( ), que representa a força aplicada por unidade de área ( ). Trata-se de uma grandeza vetorial, pois tem direção e sentido, além da intensidade (módulo). μ ρ ν = μ ρ p σ σ = d →F /dA Em uma partícula, que podemos representar como um prisma infinitesimal, pode haver uma tensão normal com valor diferente para cada face, conforme mostra a imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Tensões normais em uma partícula fluida A pressão, por sua vez, é dada por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Ela constitui, então, uma grandeza escalar, ou seja, tem apenas um valor para cada partícula. A pressão também pode ser calculada pela média das tensões normais nas três direções ( , e ): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Outro detalhe importante é que a tensão normal tem referencial de tração, ou seja, é positiva quando a superfície está sendo “puxada”. Para a pressão, é o contrário: Um valor positivo significa compressão. Como fluidos não resistem à tração (eles se separam se tracionados), a pressão passa a ser uma grandeza mais adequada para avaliar a condição dos fluidos, pois estão sempre comprimidos. UNIDADES N/m² p = dF dA x y z p = σx + σy + σz 3 → 1 N/m² = 1 Pa (Pascal) mca (metro de coluna d’água) 1 mca = 9,81 kPa kgf/cm² 1 kgf/cm² 98,1 kPa bar 1 bar = 100 kPa atm 1 atm = 101,32 kPa psi (pound per square inch) 1 psi = 6,89 kPa mmHg 1 mmHg = 133,32 Pa SAIBA MAIS Muitos engenheiros dizem, simplificadamente, “quilos” para se referir a kgf/cm². Portanto, se você ouvir que a pressão de projeto deve ser de “8 quilos”, não pense em uma balança, pois o valor é 8 kgf/cm². Os manômetros são instrumentos que medem a pressão e indicam a diferença entre a pressão (absoluta) ( ) no interior da tubulação ou reservatório e a pressão no ambiente externo ( ). Por isso, chamamos de pressão manométrica ( ), calculada por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Normalmente, o ambiente externo é a atmosfera padrão. Portanto: → → → → → → p pamb pm pm = p − pamb . SAIBA MAIS A letra “g”, colocada após a unidade da pressão, refere-se a gauge, o que significa pressão manométrica, assim como a letra “a” remete à pressão absoluta. Por exemplo, se você ler em um relatório de inspeção que a pressão medida foi de 5,2 kgf/cm²g, significa que essa é a pressão manométrica. TEORIA NA PRÁTICA OS DISCOS RÍGIDOS OU HARD DRIVES (HDS) SÃO DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO UTILIZADOS EM COMPUTADORES. Foto: Shutterstock.com CONSIDERE QUE O DISCO TENHA DIÂMETRO DE 2,5”, QUE GIRE A 500 ROTAÇÕES POR SEGUNDO, E QUEHAJA UMA FOLGA DE 1MM ENTRE CADA UMA DE SUAS SUPERFÍCIES (SUPERIOR E INFERIOR) E AS FACES INTERNAS DA CAIXA, PREENCHIDA COM AR À TEMPERATURA AMBIENTE (24°C). CONSIDERANDO TODAS AS SIMPLIFICAÇÕES NECESSÁRIAS, CALCULE O TORQUE REQUERIDO PARA MANTER O DISCO GIRANDO. QUAL A POTÊNCIA REQUERIDA PARA MANTER O DISCO GIRANDO? pamb = patm QUAL A CONSEQUÊNCIA DO AUMENTO DA TEMPERATURA PARA A VISCOSIDADE DE GASES? RESOLUÇÃO O EFEITO DA VISCOSIDADE NA RESISTÊNCIA AO MOVIMENTO MÃO NA MASSA O QUE É ESTUDADO EM FENÔMENOS DE TRANSPORTE (FENTRAN)? A) A capacidade de fluxo em diferentes modais de transporte, como o rodoviário, ferroviário e aquaviário. B) Os fenômenos decorrentes do transporte de partículas sólidas, como o carregamento de grãos e areia em vagões e caminhões. C) A transferência de quantidade de movimento, energia térmica e massa. D) O fluxo de tensões em estruturas como edifícios e pontes. E) Os fenômenos decorrentes da transferência de dados em fibra óptica e ondas eletromagnéticas. QUAL SUBSTÂNCIA TEM COMPORTAMENTO AMBÍGUO ENTRE SÓLIDO E FLUIDO? A) Água B) Ar C) Aço D) Vidro E) Espuma QUAL DOS EXEMPLOS A SEGUIR CORRESPONDE À REPRESENTAÇÃO LAGRANGIANA? A) Termômetro fixado em uma tubulação de gás B) Sonda lançada em uma adutora C) Medidor ultrassônico de vazão D) Manômetro E) Detector de fumaça QUAL DAS UNIDADES A SEGUIR PODE SER UTILIZADA PARA VISCOSIDADE? A) kg/m B) Pa C) m.kg/s D) Pa.s E) m/s² QUAL DAS ALTERNATIVAS A SEGUIR REPRESENTA O FLUIDO DE MENOR VISCOSIDADE? A) Água congelada B) Ar a 60°C C) Água a 20°C D) Ar a 0°C E) Água a 90°C UM FLUIDO OCUPA UM VOLUME DE 1,5M³, E SUA MASSA É 3.000KG. DETERMINE SUA MASSA ESPECÍFICA: A) 1.000 kg/m³ B) 1 C) 2.000 kg/m³ D) 500 kg/m³ E) 2 GABARITO O que é estudado em Fenômenos de Transporte (FENTRAN)? A alternativa "C " está correta. A disciplina FENTRAN se refere ao transporte decorrente do movimento de fluidos (transporte de quantidade de movimento), da transferência de energia térmica (transporte de calor) e de massa. Qual substância tem comportamento ambíguo entre sólido e fluido? A alternativa "D " está correta. O vidro tem um comportamento peculiar, pois escoa muito lentamente, levando muitos anos para que se observe a evolução da deformação decorrente da tensão cisalhante aplicada. Portanto, analisando-os em um curto prazo, os vidros são classificados como sólidos, mas, a longo prazo, têm um comportamento de fluido. Qual dos exemplos a seguir corresponde à representação lagrangiana? A alternativa "B " está correta. Na representação lagrangiana, o referencial de coordenadas acompanha a matéria (fluido), enquanto, na euleriana, permanece fixo no espaço. Assim, a única alternativa que se enquadra na definição lagrangiana é a “sonda lançada em uma adutora”, que será levada junto com o fluido, realizando as medições (como, por exemplo, temperatura e pressão) das partículas próximas que a acompanham. Qual das unidades a seguir pode ser utilizada para viscosidade? A alternativa "D " está correta. O QUE É VISCOSIDADE E QUAIS SÃO SUAS UNIDADES USUAIS? Qual das alternativas a seguir representa o fluido de menor viscosidade? A alternativa "D " está correta. Primeiramente, devemos excluir a água congelada (gelo), pois não se trata de um fluido, mas sim de um sólido. Entre os restantes, temos água e ar. A viscosidade de gases é muito inferior à viscosidade de líquidos devido à maior distância e, consequentemente, à interação entre moléculas. Resta decidir entre ar a 0°C e 60°C. Em líquidos, o aumento da temperatura causa diminuição da viscosidade, enquanto, em gases, o efeito é o contrário. Portanto, um gás (nesse caso, ar) com maior temperatura terá maior viscosidade. Um fluido ocupa um volume de 1,5m³, e sua massa é 3.000kg. Determine sua massa específica: A alternativa "C " está correta. A massa específica é definida por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal GABARITO VERIFICANDO O APRENDIZADO EM UMA ATIVIDADE DE LABORATÓRIO, SEU GRUPO VERIFICOU COM UMA BALANÇA DE PRECISÃO QUE A QUANTIDADE DE GASOLINA QUE PREENCHEU UM RECIPIENTE DE 25ML PESAVA 17G. QUAL É A MASSA ESPECÍFICA DESSA AMOSTRA DE GASOLINA, NO S.I.? A) 0,680 kg/m³ B) 0,340 g/mL C) 340 kg/m³ ρ = = = 2000 kg/m³m V 3000 1,5 D) 0,680 g/mL E) 680 kg/m³ (PETROBRAS - ENGENHEIRO DE PETRÓLEO - 2012) USANDO UM DINAMÔMETRO, VERIFICA-SE QUE UM CORPO DE DENSIDADE E DE VOLUME POSSUI UM PESO QUE É O TRIPLO DO “PESO APARENTE” QUANDO COMPLETAMENTE MERGULHADO EM UM LÍQUIDO DE DENSIDADE . QUAL A RAZÃO ? A) 1/6 B) 1/3 C) 1 D) 2/3 E) 3/2 GABARITO Em uma atividade de laboratório, seu grupo verificou com uma balança de precisão que a quantidade de gasolina que preencheu um recipiente de 25mL pesava 17g. Qual é a massa específica dessa amostra de gasolina, no S.I.? A alternativa "E " está correta. A massa específica de um material é calculada pela razão massa por volume: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A massa medida é 17 g, que, convertida para o S.I., corresponde a: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O volume medido é : dC V = 1, 0 litro dL dC/dL ρ = m V m = 0, 017 ⋅ 10−3 kg = 0, 017 kg V = 25 mL = 25 ⋅ 10−3 L Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal (Petrobras - Engenheiro de Petróleo - 2012) Usando um dinamômetro, verifica-se que um corpo de densidade e de volume possui um peso que é o triplo do “peso aparente” quando completamente mergulhado em um líquido de densidade . Qual a razão ? A alternativa "E " está correta. A massa específica do corpo será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E pode ser substituída pela definição de densidade : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O peso aparente ( V = 25 ⋅ 10−3 dm3 = 25 ⋅ 10−3 ⋅ (10−1) 3 m3 = 25 ⋅ 10−6 m3 ρ = = 680 kg/m3 0, 017 25 ⋅ 10−6 dC V = 1, 0 litro dL dC/dL ρC = = = mC V P/g 1 P g dC = ρC/ρágua → ρC = dCρágua dCρágua = → P = dCρáguag (i) P g P ′ ) será o peso medido pelo dinamômetro quando o corpo está mergulhado, ou seja, o peso real ( ) descontado do empuxo ( ): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal De acordo com o enunciado, . Então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como V = 1 L: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Igualando as equações (i) e (ii): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal MÓDULO 2 Aplicar métodos de análise dimensional e semelhança para cálculo de estimativas SIMPLIFICANDO PROBLEMAS E EXPANDINDO HORIZONTES P E P ′ = P − E = P − ρLg V = P − dLρáguag V P = 3P ′ = P − dLρáguag V → P = dLρáguag V P 3 2 3 → P = dLρáguag (ii) 3 2 dCρáguag = dLρáguag → = 3 2 dC dL 3 2 GRUPOS ADIMENSIONAIS O conteúdo deste módulo é adotado para resolução de muitos problemas, não só em FENTRAN, mas em diversas disciplinas de Engenharia. Com esse conhecimento, podemos simplificar a análise dos fenômenos e extrapolar resultados para condições além daquelas em que há dados disponíveis. A análise do escoamento, da transferência de calor e de massa pode envolver cálculos complexos, normalmente com equações diferenciais parciais que não têm solução analítica para condições reais. Já os grupos adimensionais podem nos dizer muito sobre o fenômeno estudado, de maneira muito prática e simples, e até ajudar na solução de problemas. Eles são formados pela combinação de grandezas dimensionais, de modo que o resultado não tenha unidade. Abordaremos, a seguir, os principais adimensionais utilizados em FENTRAN. NÚMERO DE REYNOLDS ( ) É o adimensional mais conhecido de FENTRAN,relevante em quase todos os tópicos dessa disciplina. O número de Reynolds (Re) é definido como a razão entre forças de inércia e forças viscosas e calculado por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Re Re = ρV L μ Em que: = massa específica = velocidade do escoamento = dimensão de referência (por exemplo, largura ou comprimento) = viscosidade dinâmica A força inercial, proporcional a , representa a tendência que o fluido tem de manter sua velocidade, enquanto a força viscosa, proporcional a , representa o que procura resistir ao escoamento. Portanto, quanto menor o denominador (viscosidade), maior é o valor de e menos “controlado” é o escoamento. Esse é o caso dos escoamentos turbulentos, ao contrário dos laminares. Então, para que valor de há uma mudança no comportamento do escoamento? Depende do tipo de escoamento ao qual estamos nos referindo. O escoamento no interior de tubulações é um dos fenômenos de maior interesse na Engenharia. O número de Reynolds auxilia na escolha e no cálculo das equações utilizadas para prever a perda de pressão que o fluido sofre ao longo do duto. tabela a seguir apresenta a classificação desse tipo de escoamento de acordo com o número de Reynolds: Classificação Imagem < 2300 Laminar Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento 2300 < < 4000 Transição Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento 4000 < Turbulento Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Tabela: Classificação de escoamento no interior de tubulações. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento e Gabriel Burlandy Mota de Melo ρ V L μ ρVL ν Re Re Re Re Re Re Quando um fluido atravessa, transversalmente, um sólido (como, por exemplo, a corrente oceânica em um duto submarino), pode ocorrer o desprendimento de vórtices (recirculações do escoamento), que, por sua vez, tendem a ocasionar a vibração do corpo. O número de Reynolds nos permite verificar se há susceptibilidade de desprendimento de vórtices, além do cálculo da força de arrasto. A tabela a seguir apresenta a classificação desse tipo de escoamento de acordo com o número de Reynolds: Classificação Imagem < 40 Esteira laminar e permanente Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento 40 < < 150 Esteira laminar e periódica Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento 150 < < 300 Transição Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento 300 < Esteira turbulenta Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Tabela: Classificação de escoamento ao redor de cilindros. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento e Gabriel Burlandy Mota de Melo NÚMERO DE EULER ( ) Quando um fluido incide, perpendicularmente, uma superfície sólida, a velocidade (energia cinética) é convertida em acréscimo de pressão ( ) pela relação Re Re Re Re Re Eu V Δp Δp = ρV 2 1 2 . Em outros termos, esse é o máximo incremento de pressão que pode ocorrer em um escoamento, desconsiderando a gravidade. O número de Euler ( ) representa a razão entre o incremento de pressão, até determinado ponto, e o máximo valor que ele pode ter, ou seja: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que: = diferença entre a pressão local e a pressão na corrente livre (afastado da superfície sólida) = massa específica = velocidade do escoamento NÚMERO DE FROUDE ( ) O número de Froude ( ) é definido pela razão entre forças de inércia e gravitacionais, sendo calculado por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que: = velocidade do escoamento = dimensão característica (como, por exemplo, a profundidade de canais e o comprimento de navios) Eu Eu = Δp ρV 21 2 Δp = p − p0 ρ V Fr Fr Fr = V √gL V L g = gravidade O valor de tem relevância em escoamentos em que a gravidade exerce influência significativa, como em rios, em ondas e ao redor de navios. O número de Froude é utilizado para classificar o escoamento em canais, conforme a tabela a seguir: Classificação < 1 Subcrítico ou fluvial = 1 Crítico > 1 Supercrítico ou torrencial Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Tabela: Classificação de escoamento com base no número de Froude. Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento Essa classificação é importante para prever diversos aspectos do comportamento do escoamento. Na transição de um escoamento torrencial ( ) para fluvial ( ), ocorre um fenômeno chamado ressalto hidráulico, conforme ilustra a imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Ressalto hidráulico NÚMERO DE WEBER ( ) O número de Weber ( ) é definido pela razão entre forças de inércia e de tensão superficial, sendo calculado por: Fr Fr Fr > 1 Fr < 1 We We Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que: = massa específica = velocidade do escoamento = dimensão característica = tensão superficial O valor de indica se a tensão superficial tem influência significativa no escoamento e é relevante quando é da ordem de grandeza de 1 (100) ou menos. Foto: PxHere/Creative Commons Zero (CC0) license Ondas com influência da tensão superficial Se você reduzir demais o tamanho do modelo físico ( ), a tensão superficial passa a exercer uma influência que não há no tamanho original. Consequentemente, o modelo não representará, de forma adequada, o protótipo. NÚMERO DE MACH ( ) É definido pela razão entre forças de inércia e de compressibilidade. Conforme vimos em adimensionais anteriores, sabemos que a inércia é proporcional à velocidade . A compressibilidade, por sua vez, está relacionada à velocidade do som ( We = ρV 2L Γ ρ V L Γ We L Ma V ), que nada mais é do que uma onda de pressão que propaga por compressão de dilatação do fluido. Portanto, o número de Mach é equivalente à razão entre e : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O escoamento pode ser classificado com base no valor de , conforme a tabela a seguir: Classificação < 1 Escoamento subsônico = 1 Barreira do som > 1 Escoamento supersônico Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Tabela: Classificação de escoamento com base no número de Mach Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento Escoamentos supersônicos, como em aviões a jato, apresentam uma complexidade maior para sua análise, pois os efeitos de compressibilidade devem ser considerados nos cálculos. A imagem a seguir ilustra esses tipos de escoamentos: Imagem: Rchisena92/Wikimedia Commons/Licença (CC BY-SA 3.0) Escoamento subsônico (subsonic) e supersônico (supersonic) COEFICIENTE DE ARRASTO E SUSTENTAÇÃO ( c V c Ma = V c Ma Ma CD E ) É definido pela razão entre forças de arrasto ou sustentação ( ou ) e forças inerciais, sendo calculado por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que: e = força de arrasto (drag) e de sustentação (lift) = massa específica = velocidade do escoamento = área de referência Os coeficientes de arrasto e sustentação são muito úteis, por exemplo, quando há dados na literatura para seus valores sob determinada condição, como escoamento ao redor de uma esfera. Nesse caso, basta explicitar a força das equações e calcular. A área a ser considerada como referência varia com as características do problema. Quando o arrasto causado pela força de pressão é mais significativo, utiliza-se a área de projeção frontal. Se a força de “atrito” (cisalhante) é preponderante, adota-se a área que inclua a superfície ao longo da qual a tensão é aplicada, como a área planiforme (vista superior) da asa de avião. A imagem a seguir apresenta essas áreas de referência: CL FD FL CD/L = FD/ L ρV 2A12 FD FL ρ V A Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Área frontal para cálculo do arrasto ANÁLISE DIMENSIONAL Imagine que você quer desenvolver um gráfico ou ábaco que forneça a força de arrasto ( ) em um corpo com determinada geometria, como, por exemplo, um novo equipamento que deve ser anexado ao casco de um submarino. Devido à complexidade do fenômeno (escoamento turbulento), é provável que utilize um modelo físico reduzido: Uma reprodução simplificada do problema em laboratório. ÁBACO Instrumento que permite substituir cálculos numéricos por cálculos gráficos. Primeiramente, devemos avaliar as grandezas dimensionais que influenciarão no resultado. Devemos considerar a velocidade do escoamento ( ), a massa específica e a viscosidade do fluido ( e ), e a dimensão de referência da geometria ( ). Desejamos, então, obter a grandeza de interesse a partir das demais: FD V ρ μ L FD = FD(L, V , ρ,μ) javascript:void(0) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Se você deseja que seu gráfico tenha uma boa abrangência de possibilidades, é razoável assumirmos 10 valores diferentes para cada parâmetro de entrada ( , e fluido). Então, serão 10 x 10 x 10 = 1000 testes! O estagiário teria de morar no laboratório. Para contornar isso, existe um método que reduz a quantidade de variáveis e, consequentemente, de testes necessários, conforme veremos a seguir. TEOREMA PI DE BUCKINGHAM Seja um fenômeno que envolve variáveis dimensionais ( ), em que: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal De acordo com o Teorema Pi de Buckingham, é possível reduzir o número de variáveis dimensionais ( ) a um número menor ( ) de variáveis (grupos) adimensionais : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que L V n ui G (u1, u2, … , un) = 0 n k πi g (Π1, Π2, … , Πk) = 0 k = n − r é o número mínimo de grandezas básicas – como, por exemplo, comprimento ( ), massa ( ), tempo ( ) e temperatura ( ) – necessário para formar as grandezas de todas as variáveis ( ). A metodologia pode ser descrita pelos passos a seguir: 1 Listar as grandezas dimensionais envolvidas ( ) Expressar cada uma delas em função das dimensões básicas. A velocidade, por exemplo, é definida como comprimento pelo tempo ( ). 2 3 Determinar o número de termos necessários: . Obter os , escolhendo como r L M T θ ui ui L/T k Πs k = n − r Πs Π1 aquele que contém a variável de interesse. 4 5 Expressar o resultado como uma função dos demais adimensionais: . Agora, vamos voltar ao problema exemplificado da força de arrasto, seguindo esses passos. Já fizemos a listagem das grandezas dimensionais (primeiro passo), contabilizando ( , , , e ). Na tabela a seguir, realizaremos o segundo passo: Grandeza dimensional Descrição pelas grandezas básicas Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Π1 = f (Π2, … , Πk) n = 5 FD L V ρ μ FD ML/T 2 L L V L/T ρ M/L3 μ M/LT Tabela: Expressão das grandezas dimensionais em função das dimensões básicas Elaborado por: Gabriel de Carvalho Nascimento Aqui, percebemos que a quantidade r de grandezas básicas necessárias é 3 ( , e ). Então, a quantidade de adimensionais necessários será: . O próximo passo consiste em formar os dois adimensionais ( ) a partir das grandezas dimensionais. Por praticidade, escolheremos os a partir dos adimensionais mais conhecidos. Observamos, rapidamente, que os adimensionais mais oportunos são o coeficiente de arrasto e o número de Reynolds. Como , devemos escolher o que possui a variável dependente (de interesse), que é . Então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Note que substituímos a área A, do coeficiente de arrasto , por , pois ambos têm a mesma dimensão (comprimento ao quadrado). Por fim, expressaremos por , ou seja: M L T k = 5 − 3 = 2 Πs Πs Π1 FD ⎧⎪ ⎨ ⎪⎩ Π1 = CD = Π2 = Re = FD ρV L2 1 2 ρV L μ CD L2 Π1 = f (Π2, … , Πk) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Lembre-se de que, na formulação anterior, realizaríamos 1000 testes para variar 10 vezes cada parâmetro de entrada. Agora, temos um parâmetro de entrada ( ), e são necessários apenas 10 testes. O estagiário agradece! Outra vantagem dessa metodologia é mostrar do que o resultado será dependente. No exemplo demonstrado, o coeficiente de arrasto ( ) é função do número de Reynolds ( ). Então, basta construir um gráfico versus , a partir dos resultados do experimento, para obter o que desejávamos desde o início: Um gráfico que pudesse ser utilizado para obter em diversas condições. Esse gráfico já existe na literatura para diversas geometrias como esfera, conforme mostra a imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Gráfico do coeficiente de arrasto ( ) versus número de Reynolds ( ) para uma esfera lisa O procedimento final é: Calcule de seu problema, obtenha pelo gráfico e, por fim, calcule CD = f (Re) → = f ( ) FD ρV L212 ρV L μ Re CD Re CD Re FD CD Re Re CD a partir de . São cálculos bastante simples para obter o resultado de um fenômeno complexo. Todavia, lembre-se de que isso só ajudará se você tiver o gráfico. ATENÇÃO O Teorema Pi de Buckingham auxilia na obtenção de uma expressão que correlacione as variáveis, reduzindo a quantidade de repetições necessárias, mas depende de dados experimentais. TEORIA DA SEMELHANÇA Muitas vezes, precisamos saber como se comportará um fenômeno, cujas dimensões ou características inviabilizam reproduzi-lo em condições de projeto ou protótipo. Uma alternativa amplamente empregada na Engenharia é a utilização de modelos físicos em laboratório, que podem ter não apenas a escala reduzida, mas também outras condições diferentes, como o fluido utilizado (por exemplo, se o fluido de projeto é perigoso ou caro). Mas, se medirmos a grandeza física de interesse no modelo, como saberemos qual seria o valor de protótipo necessário para o desenvolvimento do projeto? Para isso, aplicamos a Teoria da Semelhança, ilustrada na imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Relação entre modelo e protótipo – semelhança O emprego da semelhança amplifica a aplicabilidade dos resultados experimentais, com base nos seguintes passos: PASSO 1 Aplique a análise dimensional para determinar os , lembrando que é o grupo adimensional que possui a variável a ser medida (dependente). PASSO 2 Seja o grupo adimensional correspondente ao protótipo e , ao modelo. PASSO 3 Faça com que, a partir do segundo, os adimensionais do modelo sejam iguais ao do protótipo: FD CD Πs Π1 Πi Πim Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa condição é obtida durante o planejamento do experimento, quando determinamos a dimensão, a velocidade, o fluido etc. PASSO 4 Se a condição anterior é garantida, a semelhança é dita completa e, consequentemente: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Lembrando que o é o que contém a variável de interesse – por exemplo, força de arrasto ( ). Isso significa que a medição feita no modelo pode ser utilizada para calcular o e, por fim, o valor da variável de protótipo. Exemplo Você está planejando medir a força de arrasto da água em uma peça do sonar a ser instalado na parte externa do submarino nuclear brasileiro. O teste será feito em laboratório, em um canal de corrente que comporta um modelo reduzido na escala 1:2. Considere que será utilizado o mesmo fluido (água do mar) e na mesma temperatura. Qual deve ser a velocidade aplicada no tanque de corrente para que haja semelhança completa ao submarino navegando a 12m/s? Qual será a força de resistência (arrasto) adicionada ao submarino se a medida no modelo reduzido é 250N? SOLUÇÃO A partir da análise dimensional, o que fizemos no tópico anterior foi: ⎧⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪⎩ Π2m = Π2 Π3m = Π3 ⋯ Πkm = Πk Π1 = Π1m Π1 FD Π1m Π1 = CD javascript:void(0) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Para haver semelhança completa: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como o fluido e a temperatura do modelo são os mesmos do protótipo, as propriedades ( e ) também serão: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como a escala é de 1:2, , então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa é a condição necessária para que haja a semelhança completa neste problema. De acordo com a Teoria da Semelhança, teremos: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Com a fórmula de e substituindo Π2 = Re Π2m = Π2 → Rem = Re → = ρmVmLm μm ρV L μ ρ μ VmLm = VL → Vm = V ( ) L Lm L/Lm = 2 Vm = 12 (2) = 24 m/s Π1 = Π1m → CD = CDm CD por : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Por fim: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal TEORIA NA PRÁTICA UM GRUPO DE ESTUDANTES ESTÁ DESENVOLVENDO UMA TURBINA EÓLICA DE 5,0 KW. O LOCAL ONDE SERÁ INSTALADA TEM VELOCIDADE DE VENTO MÉDIA DE 5M/S. APÓS DIVERSAS ANÁLISES EM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD), OU FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL, O GRUPO DECIDE VALIDAR OS RESULTADOS OBTIDOS ATÉ ENTÃO, TESTANDO O DESENHO ELABORADO COM UM MODELO REDUZIDO EM TÚNEL DE VENTO, QUE TEM TAMANHO SUFICIENTE PARA TESTAR UM MODELO REDUZIDO COM 1:5 DO TAMANHO DO PROTÓTIPO (ESCALA DE PROJETO). FOI ADOTADA A MESMA VELOCIDADE DE ROTAÇÃO ( A L2 = FD ρV 2L212 FDm ρmV 2 mL 2 m 1 2 → = → FD = FDm( ) 2 ( ) 2 FD V 2L2 FDm V 2mL 2 m V Vm L Lm FD = 250( ) 2 (2) 2 = 250 N 12 24 ). Foto: Shutterstock.com CONSIDERANDO QUE, ALÉM DAS VARIÁVEIS JÁ MENCIONADAS, A MASSA ESPECÍFICA DO AR TAMBÉM É RELEVANTE PARA A ANÁLISE: QUAIS OS ADIMENSIONAIS NECESSÁRIOS PARA ANÁLISE DO REFERIDO FENÔMENO FÍSICO? PARA QUE HAJA SEMELHANÇA COMPLETA, QUAL DEVE SER A VELOCIDADE NO TÚNEL DE VENTO? RESOLUÇÃO MODELO REDUZIDO APLICADO PARA ENERGIA EÓLICA ω MÃO NA MASSA QUAL DOS ADIMENSIONAIS A SEGUIR CORRESPONDE A UMA RELAÇÃO ENTRE FORÇAS INERCIAIS E FORÇAS VISCOSAS? A) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A) B) C) D) E) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E) EM UM PROBLEMA EM QUE AS GRANDEZAS DIMENSIONAIS RELEVANTES SÃO , , , E , DE ACORDO COM O TEOREMA PI DE BUCKINGHAM, QUANTOS ADIMENSIONAIS SÃO NECESSÁRIOS? A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5 Eu = Δp/(0, 5ρV 2) Fr = V /√gL Re = ρV L/μ We = ρV 2L/σ CD = FD/(0, 5ρV 2A) ρ μ V L F QUAL DOS ADIMENSIONAIS A SEGUIR CORRESPONDE A UMA RELAÇÃO ENTRE FORÇA INERCIAL E FORÇA GRAVITACIONAL? A) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A) B) C) D) E) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E) QUANTOS ADIMENSIONAIS SÃO NECESSÁRIOS PARA AVALIAR A PERDA DE PRESSÃO CAUSADA POR UMA VÁLVULA? A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5 PARA O PROBLEMA DA QUESTÃO ANTERIOR (PERDA DE CARGA EM UMA VÁLVULA), QUAL(IS) É (SÃO) O(S) ADIMENSIONAL(IS) NECESSÁRIO(S)? A) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A) B) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal B) Eu = Δp/(0, 5ρV 2) Fr = V /√gL Re = ρV L/μ We = ρV 2L/σ CD = FD/(0, 5ρV 2A) , e Δp 0, 5ρV 2 V √gL ρVD μ e V √gL Δp 0, 5ρV 2 C) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal C) D) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal D) E) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E) SE O EXPERIMENTO FOR REALIZADO EM ESCALA 1:10 COM O MESMO FLUIDO, NA MESMA PRESSÃO E TEMPERATURA, QUAL DEVE SER A RAZÃO ENTRE A VELOCIDADE DO ESCOAMENTO DE MODELO PARA O PROTÓTIPO, CONSIDERANDO SEMELHANÇA COM O NÚMERO DE REYNOLDS? A) 10 B) 0,1 C) 2 D) 0,5 E) 1 GABARITO Qual dos adimensionais a seguir corresponde a uma relação entre forças inerciais e forças viscosas? A alternativa "C " está correta. Ao analisarmos a alternativa C (número de Reynolds), observamos que há a divisão de por . O primeiro ( ) pode ser interpretado pelo produto entre “massa” e velocidade, o que remete à inércia, enquanto o segundo ( ) é a viscosidade do fluido, diretamente relacionado à força viscosa. Portanto, nesse adimensional, há a divisão entre força inercial e força viscosa. Em um problema em que as grandezas dimensionais relevantes são , Δp 0, 5ρV 2 e Δp 0, 5ρV 2 ρVD μ ρVD μ ρVL μ ρVL μ ρ , , e , de acordo com o Teorema Pi de Buckingham, quantos adimensionais são necessários? A alternativa "B " está correta. Pelo Teorema Pi de Buckingham, a quantidade de adimensionais necessários será , em que é a quantidade de grandezas dimensionais, e é a quantidade de grandezas básicas (como, por exemplo, comprimento, tempo, massa e temperatura) necessárias para formar todas as demais grandezas. No problema em questão, temos grandezas dimensionais, que podem ser formadas com grandezas básicas (comprimento, massa e tempo). Portanto, a quantidade de adimensionais será . Qual dos adimensionais a seguir corresponde a uma relação entre força inercial e força gravitacional? A alternativa "B " está correta. Ao analisarmos a alternativa B (número de Froude), observamos que é a divisão entre a velocidade, diretamente relacionada com a inércia (quantidade de movimento), e a raiz da gravidade. Esse adimensional é relevante em problemas em que a gravidade tem influência no comportamento do fluido, como escoamentos com superfície livre (como, por exemplo, rios). Quantos adimensionais são necessários para avaliar a perda de pressão causada por uma válvula? A alternativa "B " está correta. Pelo Teorema Pi de Buckingham, a quantidade de adimensionais necessários será , em que é a quantidade de grandezas dimensionais, e é a quantidade de grandezas básicas (como, por exemplo, comprimento, tempo, massa e temperatura) necessárias para formar todas as demais grandezas. No problema em questão, são relevantes as seguintes variáveis dimensionais: Perda de pressão ( μ V L F k = n − r n r n = 5 r = 3 k = 5 − 3 = 2 k = n − r n r Δp ); Velocidade ou vazão de escoamento ( ou ); Diâmetro de conexão da válvula ( ); Massa específica do fluido ( ); Viscosidade do fluido ( ). Portanto, temos grandezas dimensionais, que podem ser formadas com grandezas básicas (comprimento, massa e tempo). Logo, a quantidade de adimensionais será . Para o problema da questão anterior (perda de carga em uma válvula), qual(is) é (são) o(s) adimensional(is) necessário(s)? A alternativa "D " está correta. APLICANDO A ANÁLISE DIMENSIONAL NA HIDRÁULICA Se o experimento for realizado em escala 1:10 com o mesmo fluido, na mesma pressão e temperatura, qual deve ser a razão entre a velocidade do escoamento de modelo para o protótipo, considerando semelhança com o número de Reynolds? A alternativa "A " está correta. Para que haja semelhança completa, todos os adimensionais devem ter o mesmo valor no modelo e protótipo. Portanto, baseando-se no número de Reynolds: V Q D ρ μ n = 5 r = 3 k = 5 − 3 = 2 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como o fluido é o mesmo e na mesma pressão e temperatura, temos e . Então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal GABARITO VERIFICANDO O APRENDIZADO PARA O CÁLCULO DA PERDA DE PRESSÃO POR COMPRIMENTO ( ), CAUSADA PELA TENSÃO CISALHANTE COM AS PAREDES AO LONGO DE UM TUBO, SÃO NECESSÁRIOS COMO DADOS DE ENTRADA: O DIÂMETRO DO TUBO( ); A VELOCIDADE MÉDIA DO ESCOAMENTO ( ); Rem = Rep → = ρmVmLm μm ρpVpLp μp ρm = ρp μm = μp VmLm = VpLp → = = = 10 Vm Vp Lp Lm 10 1 ΔpL D V A MASSA ESPECÍFICA ( ); A VISCOSIDADE DO FLUIDO ( ); A RUGOSIDADE DA PAREDE DO TUBO ( ). QUAL DAS ALTERNATIVAS A SEGUIR APRESENTA UM CONJUNTO MÍNIMO DE ADIMENSIONAIS SUFICIENTE PARA A ANÁLISE DIMENSIONAL? A) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A) B) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal B) C) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal C) D) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal D) E) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E) ρ μ ε ; ; ; εV ρ μ Δp 0, 5ρV 2 ε D ρVD μ ; ; Δp 0, 5ρV 2 ε D ρVD μ ; Δp 0, 5ρV 2 ρVD μ ; ; V √gD Δp 0, 5ρV 2 ρVD μ ; Δp 0, 5ρV 2 ε D A FORÇA DE ARRASTO SOBRE UM MODELO DE AVIÃO EM ESCALA 1:20 MEDIDA EM LABORATÓRIO FOI DE 1,5N PARA UMA VELOCIDADE DE 50M/S. QUAL SERÁ A FORÇA SOBRE O PROTÓTIPO A 100M/S, CONSIDERANDO QUE A PRESSÃO E A TEMPERATURA SERÃO AS MESMAS? A) 120N B) 30N C) 2,4kN D) 3,0N E) 600N GABARITO Para o cálculo da perda de pressão por comprimento ( ), causada pela tensão cisalhante com as paredes ao longo de um tubo, são necessários como dados de entrada: O diâmetro do tubo ( ); A velocidade média do escoamento ( ); A massa específica ( ); A viscosidade do fluido ( ); A rugosidade da parede do tubo ( ). Qual das alternativas a seguir apresenta um conjunto mínimo de adimensionais suficiente para a análise dimensional? A alternativa "B " está correta. Pelo Teorema Pi de Buckingham, a quantidade de adimensionais necessários será , em que é a quantidade de grandezas dimensionais, e ΔpL D V ρ μ ε k = n − r n r é a quantidade de grandezas básicas (como, por exemplo, comprimento, tempo, massa e temperatura) necessárias para formar todas as demais grandezas. No problema em questão, temos ( , , , , e ), que podem ser formadas com (comprimento, massa e tempo). Portanto: . Entre as alternativas apresentadas, a única que possui 3 adimensionais, todos formados apenas com as variáveis envolvidas no problema, é a letra B. A força de arrasto sobre um modelo de avião em escala 1:20 medida em laboratório foi de 1,5N para uma velocidade de 50m/s. Qual será a força sobre o protótipo a 100m/s, considerando que a pressão e a temperatura serão as mesmas? A alternativa "C " está correta. Contemplando a variável de interesse, ou seja, a força de arrasto ( ), o adimensional mais conhecido é: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O adimensional com a variável de interesse deve ter o mesmo valor para modelo e protótipo. Portanto: n = 6 ΔpL D V ρ μ ε r = 3 k = 6 − 3 = 3 FD CD = FD 0, 5ρV 2A CDp = CDm Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como a pressão e a temperatura são as mesmas, também será a massa específica ( ): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como a razão entre áreas é igual à razão entre o quadrado do comprimento de referência ( ): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal MÓDULO 3 = FDp 0, 5ρpV 2 p Ap FDm 0, 5ρmV 2 mAm ρp = ρm = FDp V 2p Ap FDm V 2mAm → FDp = FDm( ) 2 ( ) Vp Vm Ap Am L FDp = FDm( ) 2 ( ) 2 Vp Vm Lp Lm → FDp = 1, 5( ) 2 ( ) 2 = 2, 4 kN 100 50 20 1 Identificar a resolução de problemas com fluidos em condição estática SOLUÇÃO DE PROBLEMAS COM FLUIDO ESTÁTICO FLUIDO ESTÁTICO Neste módulo, estudaremos o fluido quando ele se encontra imóvel (estático). Apesar de ser uma particularização expressiva, pois quase sempre os fluidos têm algum movimento, ainda assim, há uma grande variedade de situações na Engenharia em que essa simplificação é válida. Ao calcular a pressão da água do mar em determinada profundidade, por exemplo, sabemos que há correnteza e ondas, mas essa hidrodinâmica tem efeito desprezível nas profundidades em que, normalmente, queremos calcular a pressão. Portanto, podemos considerar que a água do mar está parada. O mesmo ocorre em barragens, aquários e eclusas. ECLUSAS Pequeno canal em águas onde há grandes desníveis a fim de possibilitar a descida ou a subida de embarcações. Fonte: Dicionário Houaiss eletrônico da língua portuguesa. PRESSÃO MANOMÉTRICA, PRESSÃO ATMOSFÉRICA E PRESSÃO ABSOLUTA Como já vimos no módulo 1, os manômetros informam a pressão manométrica (ou relativa) (p_m), que é definida por: Equação 1 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que: = pressão absoluta (real) pm = p − pamb p javascript:void(0) = pressão do ambiente, ou seja, pressão do meio externo A pressão ambiente corresponde, normalmente, à pressão atmosférica ( ), cujo valor varia ao longo da altitude, conforme a representação típica exemplificada no gráfico abaixo: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Pressão ao longo da atmosfera De acordo com Porto (2006), para altitudes acima do nível do mar e até 2.000m, a pressão atmosférica pode ser estimada por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que: = altitude (em metros) = pressão atmosférica (em kPa) Exemplo O manômetro instalado na “árvore de Natal” de um poço de produção de gás a 1.500m de profundidade mede 26,40barg de pressão. Se a água do mar na região tem = 1.026,5 kg/m³, qual é a pressão absoluta, em kgf/cm²? SOLUÇÃO A letra “g” ao final da unidade se refere a gauge, que significa pressão manométrica, e 1bar = 100kPa: pamb patm patm = 10, 8 ⋅ (9, 38 − ) (kPa) h 1000 h patm ρ pm = 26, 4 ⋅ 100 kPa = 2640 kPa javascript:void(0) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A pressão ambiente, por sua vez, é calculada pela coluna de água acima do ponto considerado: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Explicitando da equação (1): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Agora, basta converter para kgf/cm². Conforme vimos no primeiro módulo, 1kgf/cm² = 98,1kPa, ou seja, 1kPa = 1/98,1kgf/cm². Fazendo a conversão do resultado anterior: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A letra “a” ao final da unidade indica pressão absoluta. EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DA FLUIDOSTÁTICA, TEOREMA DE PASCAL E TEOREMA DE STEVIN Existem dois tipos de forças que podem atuar em um fluido: FORÇAS DE CAMPO Atuam em toda a massa fluida sem que haja necessidade de contato, como, por exemplo, a força gravitacional; FORÇAS DE CONTATO Atuam por meio de determinada superfície e se subdividem em força proveniente da tensão normal ( ) e cisalhante (viscosa) ( ). pamb = ρgh = 1026, 5 ⋅ 9, 8 ⋅ 1500 = 15.090 kPa p p = pm + pamb = 2640 + 15090 = 17.730 kPa p = 17.730 kPa = kgf/cm2a = 181, 1kfg/cm2a 17.730 98, 1 σ τ javascript:void(0) javascript:void(0) A tensão viscosa (“atrito”) pode ser obtida pela Lei da Viscosidade de Newton, que estudamos no módulo 1, definida por . Quando um fluido está estático, não há velocidade. Consequentemente, o gradiente de velocidade é nulo ( ), e não há tensão cisalhante ( ). Nessa condição, a pressão será igual à tensão normal ( ). Portanto, nos próximos tópicos, adotaremos apenas pressão. Uma partícula fluida pode ser representada por um elemento infinitesimal, conforme mostra a imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Elemento infinitesimal e pressões nas faces perpendiculares ao eixo Adotando como a pressão na face esquerda, a pressão na face oposta será . Para calcular a força, devemos multiplicar a pressão pela área. As faces perpendiculares a têm área . Portanto,a força resultante da pressão na direção será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Multiplicando e dividindo a expressão anterior por : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal τ = μ du/dy du/dy τ = 0 p = σ x p(x) p(x + dx) x dAx = dydz x dFpx = p (x) dAx − p (x + dx) dAx = [p (x) − p (x + dx)] dAx dydz dx dFpx =[ ]dxdydz d V = −[ ]d Vp (x ) −p (x+dx ) dx p (x+δ ) −p (x ) dx Em que é o volume do elemento. O termo significa , que tende a zero. Logo: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O termo entre colchetes dessa equação é a definição da derivada da função . Então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Analogamente: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal O vetor resultante pode ser expresso em uma única linha: Equação 2 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A força gravitacional (força de campo), por sua vez, é calculada por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal d V dx δx dFpx = −[ lim δx→0 ]d Vp (x+δ ) −p (x ) δx p(x) dFpx = − d V ∂p ∂x ⎧⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩ dFpx = − d V dFpy = − d V dFpz = − d V ∂p ∂x ∂p ∂y ∂p ∂z d → F p = −∇p d V → = −∇p d → F p d V d →F g = dm →g A massa ( ) pode ser obtida a partir da massa específica : Equação 3 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Somando as equações (2) e (3), temos: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como não há movimento, a aceleração é nula e : Equação 4 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Normalmente, opta-se por alinhar o eixo contrário à gravidade. Assim, o vetor da equação (4) não terá componentes nas direções e : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A componente dm ρ = dm/d V → dm = ρd V d → F g = ρ d V → g → = ρ → g d → F g d V ∑ d →F = d →F p + d →F g = −∇p + ρ→g ∑ d →F = 0 ∇p = ρ→g z x y = ρgz dp dz será igual a (eixo contrário à gravidade): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa equação mostra que, na condição estática, a pressão varia apenas na direção vertical, ou seja, pontos em uma mesma altura terão a mesma pressão. Integrando-se à expressão anterior: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Lembrando que : Equação 5 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa é conhecida como Equação Fundamental da Fluidostática, pois se aplica a qualquer fluido estático e é utilizada para desenvolver todas as demais equações da Estática. Uma particularização importante ocorre para fluidos incompressíveis ( e constantes), pois ocorre para maior parte dos problemas na Engenharia. Então: gz −g = −ρg dp dz → dp = −ρgdz → ∫ p2 p1 p = − ∫ z2 z1 ρ g dz → p2 − p1 = − ∫ z2 z1 ρ g dz p2 = p1 − ∫ z2 z1 ρ g dz ρg = γ p2 = p1 − ∫ z2 z1 γ dz ρ γ Equação 6 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Considerando que, do ponto 1 ao 2, há um aprofundamento ( ) de uma altura , então, : Equação 7 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Conforme as considerações feitas no desenvolvimento, essa fórmula só se aplica para fluidos incompressíveis. Caso seu problema envolva um fluido compressível, será necessário aplicar a equação 5. TEOREMA DE STEVIN O cálculo da pressão de um ponto que se encontra na profundidade h de um líquido (fluido incompressível) é um problema muito comum, conforme mostra a imagem a seguir: p2 = p1 − γ ∫ z2 z1 dz → p2 = p1 − γ (z2 − z1) → p2 − p1 = −γ (z2 − z1) → Δp = − γ ρg Δz z2 < z1 h Δz = −h Δp = p2 − p1 = ρgh Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Pressão em um ponto submerso na profundidade Para resolvê-lo, podemos aplicar a equação 7, considerando e : Equação 8 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa fórmula é conhecida como Teorema de Stevin. Se quisermos calcular a pressão manométrica , então: Equação 9 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal h p1 = patm p2 = p p − patm = ρgh → p = patm + ρgh pm = p − patm pm = ρgh Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Dois pontos em um fluido incompressível PRINCÍPIO DE PASCAL Sejam dois pontos fixos no interior de um fluido incompressível, conforme mostra a imagem a seguir: Imagine, agora, que a pressão no ponto 1 seja elevada de para , por um motivo qualquer, como, por exemplo, a atuação de um compressor. Aplicando a equação 7 para as duas situações, antes e depois da elevação da pressão: ANTES DEPOIS Lembre-se de que (fluido incompressível), assim como a gravidade e a altura . Subtraindo essas duas equações: p1 p′1 p2 − p1 = ρgh p′2 − p ′ 1 = ρgh ρ = cte h p2 − p ′ 2 Δp2 − (p1 − p ′ 1 Δp1 ) = 0 javascript:void(0) javascript:void(0) Equação 10 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Essa equação nos diz que, em um fluido estático e incompressível, a elevação de pressão em um ponto será igual à elevação em todos os demais pontos, o que é conhecido como Princípio de Pascal, ilustrado na imagem a seguir: Imagem: Anna Carollina Chaves Braz/Wikimedia Commons/Licença (CC BY-SA 4.0) Representação de uma prensa hidráulica – Princípio de Pascal Exemplo Uma prensa hidráulica manual é utilizada para romper corpos de prova (cp) de concreto com capacidade de até 15 toneladas. Se a razão das áreas entre o êmbolo menor, em que é aplicada a força da haste, e o êmbolo maior, que aplica a carga dos cp, é 1/20, qual é a força requerida no êmbolo menor? Foto: Shutterstock.com SOLUÇÃO Tendo em vista que o processo é realizado lentamente, podemos assumir condição estática. Consequentemente, é válido o Princípio de Pascal: . Como , considerando 1 o êmbolo maior, temos: → Δp1 = Δp2 Δp1 = Δp2 p = F/A javascript:void(0) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Além da compensação hidráulica, a haste funciona como um braço de alavanca, reduzindo ainda mais a força que o operador deve realizar. MÚLTIPLOS FLUIDOS Há situações em que mais de um fluido entra em equilíbrio estático em camadas diferentes, genericamente representados na imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Cálculo da pressão ao longo de um percurso com múltiplos fluidos Para calcular a pressão , vamos aplicar a equação 6 sucessivamente, partindo do ponto 0 e atravessando todas as camadas: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em caso de descida, a diferença no -ésimo trecho será igual a , pois = → ΔF2 = ΔF1 = 15 ton ⋅ = 0, 75 ton ΔF1 A1 ΔF2 A2 A2 A1 1 20 pn pn = p0 − γ1Δz0,1 z1−z0 −h1 − γ2Δz1,2 z2−z1 −h2 − ⋯ − γnΔzn−1,n zn−zn−1 −hn Δzk−1,k = zk − zk−1 k −hk . Ao realizar essa substituição: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Caso o percurso seja de subida, a parcela resultante será negativa ( ). Portanto, a expressão anterior pode ser representada por: Equação 11 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Exemplo Em um reservatório contendo combustível adulterado, houve acúmulo de: 50cm de gasolina ( = 680 kg/m³); 10cm de etanol ( = 789 kg/m³); 20cm de água ( = 998 kg/m³). Calcule a pressão manométrica no fundo do reservatório. SOLUÇÃO Esse é um problema típico para se resolver com a equação (11), pois se trata de múltiplos fluidos. Comoponto 0 (partida), definiremos a superfície, em que a pressão manométrica é nula ( ), e n-ésimo ponto o fundo do tanque. Como esse trajeto (superfície até o fundo) é apenas de descida, todas as parcelas serão somadas: zk < zk−1 → pn = p0 + γ1h1 + γ2h2 + ⋯ + γnhn −γkhk → pn = p0 + n ∑ k=1 ±γkhk ⎧⎪ ⎨ ⎪⎩ ↓ +γkhk ↑ −γkhk γk = ρkg ρ ρ ρ p0m = 0 javascript:void(0) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Embora a ordem das parcelas não altere a soma, os fluidos se estabilizarão de acordo com sua massa específica, ficando os mais densos em baixo. Como , então: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal De acordo com o Teorema de Stevin, um dispositivo que medisse a quantidade de gasolina pela pressão no fundo do tanque marcaria de gasolina, quando, de fato, há apenas 50cm. FORÇAS SOBRE SUPERFÍCIE PLANA SUBMERSA Quando uma peça está submersa em um fluido estático, ela sofre a pressão ao longo de toda a sua superfície. É necessário calcular a força resultante para avaliar o equilíbrio da peça e dimensionar seus apoios, o que pode ser feito por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Para evitar essa integral, apresentaremos uma metodologia simplificadora. Considere que uma placa plana é submersa em um fluido, conforme mostra a imagem a seguir: pn = 0 + γ1h1 + γ2h2 + γ3h3 γ = ρg pn = 0 + 998 ⋅ 9, 8 ⋅ 0, 2 + 789 ⋅ 9, 8 ⋅ 0, 1 + 680 ⋅ 9, 8 ⋅ 0, 5 = 6, 1 kPa h = = = 0, 91m = 91cm p ρg 6, 1 ⋅ 103 680 ⋅ 9, 8 F = ∫ s p dA Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Placa plana submersa De acordo com o Teorema de Stevin, a pressão variará linearmente do ponto mais alto até o mais baixo. Estamos interessados em saber qual é a força ( ) resultante dessa pressão, que é aplicada em determinado ponto da placa, chamado de Centro de Pressão ( ), conforme mostra a imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Força aplicada em uma superfície submersa Posicionaremos a origem do sistema de coordenadas no Centro Geométrico (CG), também conhecido como Centroide da Geometria. As coordenadas do centroide da superfície S são determinadas por: Equação 12 →F CP ⎧⎪ ⎨ ⎪⎩ xCG = yCG = ∫ S x dA A ∫ S y dA A Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Analogamente, a profundidade do CG será: Equação 13 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Para o sistema de coordenadas adotado (origem coincidente com CG), teremos e . A placa tem um ângulo com a horizontal. A distância de um ponto qualquer na placa com coordenada ( , ) até a linha d’água pode ser medida ao longo da direção da placa, por , ou ao longo da vertical, por . Começando pela definição da força de pressão e aplicando o Teorema de Stevin (equação 8): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Como é constante, pode ser retirada da integral: hCG = ∫ S h dA A xCG = 0 yCG = 0 θ x y ξ = ξ(x, y) h = h(x, y) F = ∫ S p dA = ∫ S (patm + γh) dA = ∫ S patm dA + ∫ S γh dA patm F = patm ∫ S dA + ∫ S γh dA = patmA + ∫ S γh dA Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Considerando fluido incompressível (líquido), ou seja, e constantes: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Com base na equação 13, a segunda parcela da equação anterior pode ser substituída por : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Lançando mão, mais uma vez, do Teorema de Stevin, , então: Equação 14 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Exemplo Qual é a força que a água do mar ( = 1.025 kg/m³) faz em uma janela circular vertical de 40cm de diâmetro, cujo ponto mais alto está a 2,00m de profundidade e o mais baixo, a 2,40m? SOLUÇÃO A profundidade do CG de um círculo é em seu centro, que fica na profundidade média ρ γ F = patmA + γ ∫ S h dA hCGA F = patmA + γhCGA = (patm + γhCG)A patm + γhCG = pCG F = pCGA ρ hCG = (2 + 2, 4) /2 = 2, 2m javascript:void(0) . A pressão manométrica no CG, por sua vez, será: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A área da janela é: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Aplicando a equação 14: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Isso equivale a 2780/9,8 = 284 kgf. De um lado da janela atua a pressão da água, enquanto, do outro, a pressão atmosférica. A diferença entre elas, que gera a força resultante, é equivalente à pressão manométrica. Por isso, a pressão manométrica costuma ser adotada nesse tipo de problema. Ainda não sabemos onde a força F é aplicada, ou seja, a posição do CP. Para isso, avaliaremos, em seguida, o momento. Assim como a intensidade da força F deve ser igual à resultante da pressão distribuída ao longo da placa, o momento também. Algumas dimensões devem ser destacadas, conforme mostra a imagem a seguir: de um ponto qualquer na placa; do Centro de Pressão ( ); = distância oblíqua medida ao longo da direção da placa, de um ponto qualquer até a superfície; pCGm = ρghCG = 1025 ⋅ 9, 8 ⋅ 2, 2 = 22, 1kPa A = = = 0, 126m² πD2 4 π(0, 4) 2 4 F = pCG ⋅ A = (22, 1 ⋅ 103) ⋅ 0, 126 = 2, 78kN y yCP CP ξ ξCG = distância oblíqua medida ao longo da direção da placa, do até a superfície, igual a ; Por relação trigonométrica, observamos que . Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Dimensões para dedução da posição do CP O momento provocado pela força deve ser igual ao da pressão distribuída ao longo da placa: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Desenvolvendo p pelo Teorema de Stevin: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Lembrando que estamos assumindo fluido incompressível ( CG ξCG = y + ξ h = ξsenθ Fp FyCP = ∫ S y p dA FyCP = ∫ S y (patm + γh) dA = ∫ S y patm dA + ∫ S y γ h dA ρ e constantes), e que é constante: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Comparando com a equação 12, observamos que pode ser substituído por . Como o sistema de coordenadas adotado tem sua origem no , , portanto: Equação 15 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A profundidade , por sua vez, pode ser substituída por (imagem anterior): Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal γ patm FyCP = patm ∫ S y dA + γ ∫ S y h dA ∫ S y dA yCGA CG yCG = 0 ∫ S y dA = 0 h ξsenθ FyCP = γ ∫ S y ξsenθ dA = γsenθ ∫ S y ξ dA Como : Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Conforme a equação 15, a primeira parcela dessa expressão é nula. A segunda corresponde à definição do momento de inércia de área . Por fim: Equação 16 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Resumo Quando uma superfície plana está submersa, a intensidade e a posição da força resultante são obtidas pelas seguintes fórmulas: ξ = ξCG − y FyCP = γsenθ ∫ S y (ξCG − y) dA = γsenθ [∫ S y ξCG dA − ∫ S y2 dA] = γsenθ [ξCG ∫ S y dA − ∫ S y2 dA] Ixx = ∫ S y2dA FyCP = −γsenθIxx → yCP = − γsenθIxx F F = pCGA Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que: = pressão no centroide = momento de inércia de área A posição de CG e o cálculo de para as geometrias mais comuns são mostrados na imagem a seguir: Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento Centroide ( ) e fórmula do momento de inércia de área ( ) para geometrias mais comuns Imagem: Gabriel de Carvalho Nascimento yCP = − γsenθIxx F pCG Ixx Ixx CG Ixx Exemplo A comporta AB da imagem a seguir tem 1,20m de largura, está articulada
Compartilhar