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MECÂNICA DOS FLUIDOS PROF. DR. RICARDO CARDOSO DE OLIVEIRA Reitor: Prof. Me. Ricardo Benedito de Oliveira Pró-Reitoria Acadêmica Maria Albertina Ferreira do Nascimento Diretoria EAD: Prof.a Dra. Gisele Caroline Novakowski PRODUÇÃO DE MATERIAIS Diagramação: Alan Michel Bariani Thiago Bruno Peraro Revisão Textual: Fernando Sachetti Bomfim Marta Yumi Ando Produção Audiovisual: Adriano Vieira Marques Márcio Alexandre Júnior Lara Osmar da Conceição Calisto Gestão de Produção: Aliana de Araújo Camolez © Direitos reservados à UNINGÁ - Reprodução Proibida. - Rodovia PR 317 (Av. Morangueira), n° 6114 Prezado (a) Acadêmico (a), bem-vindo (a) à UNINGÁ – Centro Universitário Ingá. Primeiramente, deixo uma frase de Sócrates para reflexão: “a vida sem desafios não vale a pena ser vivida.” Cada um de nós tem uma grande re- sponsabilidade sobre as escolhas que fazemos, e essas nos guiarão por toda a vida acadêmica e profissional, refletindo diretamente em nossa vida pessoal e em nossas relações com a socie- dade. Hoje em dia, essa sociedade é exigente e busca por tecnologia, informação e conhec- imento advindos de profissionais que possuam novas habilidades para liderança e sobrevivên- cia no mercado de trabalho. De fato, a tecnologia e a comunicação têm nos aproximado cada vez mais de pessoas, diminuindo distâncias, rompendo fronteiras e nos proporcionando momentos inesquecíveis. Assim, a UNINGÁ se dispõe, através do Ensino a Distância, a proporcionar um ensino de quali- dade, capaz de formar cidadãos integrantes de uma sociedade justa, preparados para o mer- cado de trabalho, como planejadores e líderes atuantes. Que esta nova caminhada lhes traga muita experiência, conhecimento e sucesso. Prof. Me. Ricardo Benedito de Oliveira REITOR 33WWW.UNINGA.BR U N I D A D E 01 SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO ................................................................................................................................................................5 1. UNIDADES, DIMENSÕES E ANÁLISE DIMENSIONAL ...........................................................................................6 2. HOMOGENEIDADE DIMENSIONAL ....................................................................................................................... 10 3. DEFINIÇÃO DE FLUIDO E CONCEITOS FUNDAMENTAIS EM MECÂNICA DOS FLUIDOS ................................ 12 2. ESTÁTICA DOS FLUIDOS .........................................................................................................................................26 2.1 PRESSÃO, LEI DE STEVIN E PRINCÍPIO DE PASCAL .........................................................................................26 2.1.1. PRESSÃO .............................................................................................................................................................26 2.1.2. TEOREMA DE STEVIN ........................................................................................................................................28 2.1.3. O PRINCÍPIO DE PASCAL .................................................................................................................................. 31 2.2 MANOMETRIA E APLICAÇÕES ............................................................................................................................32 2.3 EMPUXO ................................................................................................................................................................35 CONSIDERAÇÕES BÁSICAS E ESTÁTICA DOS FLUIDOS PROF. DR. RICARDO CARDOSO DE OLIVEIRA ENSINO A DISTÂNCIA DISCIPLINA: MECÂNICA DOS FLUIDOS 4WWW.UNINGA.BR 2.3.1. PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES ........................................................................................................................... 36 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................................................................... 37 5WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO A mecânica dos fluidos é a ciência que analisa o comportamento dos fluidos em repouso ou em movimento. O conhecimento e a compreensão dessa ciência são de fundamental importância em muitas engenharias, meteorologia, oceanografia, hidrologia, dentre outras áreas. A mecânica dos fluidos é, de fato, uma disciplina muito importante e de alta tecnologia, pois, nos últimos 50 anos, permitiu o desenvolvimento de muitos campos da Engenharia, bem como fora dela. Os engenheiros usam a mecânica dos fluidos para o projeto de bombas, compressores, turbinas, sistemas de processos, equipamentos de resfriamento e calefação, projeto de turbinas eólicas e projeto de dispositivos de aquecimento solar. A mecânica dos fluidos se divide em três áreas: a hidrostática, que estuda as forças que atuam em um fluido em repouso; a cinemática dos fluidos, que estuda a geometria do movimento do fluido; e a dinâmica dos fluidos, que estuda as forças que causam a aceleração do fluido. Nesta primeira unidade, discutiremos os conceitos básicos em mecânica dos fluidos, assim como os principais conceitos em estática dos fluidos. Nessa seara, nossos objetivos nesta unidade são: definir fluido; definir e aplicar algumas propriedades importantes, como massa específica, peso específico, tensão superficial e viscosidade; apresentar as diversas formas de se medir pressão; medir pressão em fluidos estáticos; e calcular forças hidrostáticas. Convido você para efetuar uma leitura minuciosa desta unidade e, em seguida, resolver os exercícios propostos. Seja bem-vindo e bons estudos! 6WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 1. UNIDADES, DIMENSÕES E ANÁLISE DIMENSIONAL Uma grandeza física é uma propriedade de um corpo ou particularidade de um fenômeno, passível de ser medida e à qual ainda se pode atribuir um valor numérico. A medição de uma grandeza pode ser efetuada por comparação direta com um padrão ou com um aparelho de medida (medição direta), além de poder ser calculada por meio de uma expressão conhecida, à custa das medições de outras grandezas (medição indireta). Uma dimensão é uma medida de uma grandeza física (sem os valores numéricos), e a unidade é uma forma de atribuir um número a essa dimensão. A Tabela 1 apresenta as dimensões primárias (ou dimensões fundamentais). Dimensão Símbolo Unidades SI Unidade inglesa Massa M kg (quilograma) lb (libra) Comprimento L m (metro) ft (pé) Tempo T s (segundo) s (segundo) Temperatura k (kelvin) R (rankine) Corrente elétrica I A (ampére) A (ampére) Quantidade de luz C cd (candela) cd (candela) Quantidade de matéria N mol mol Tabela 1 – As dimensões primárias e suas unidades. Fonte: O autor. Exemplo 1 A velocidade (V) de um objeto é dada pela razão entre o deslocamento do objeto em determinado tempo. Pode ser considerada a grandeza que mede o quão rápido o objeto se desloca. Usando colchetes [ ] para denotar “a dimensão de”, a dimensão da grandeza velocidade é Já a aceleração (a) é a grandeza que determina a variação da velocidade em relação ao tempo. Em outras palavras, ela indica o aumento ou a diminuição da velocidade com o passar do tempo. Assim, a dimensão da grandeza aceleração é Exemplo 2 Considere a Segunda Lei de Newton, que diz . Assim, temos que a grandeza força tem dimensão de . 7WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 3 O termo pressão é utilizado em diversas áreas da ciência como uma grandeza escalar que mensura a ação de uma ou mais forças sobre um determinado espaço, podendo este ser líquido, gasoso ou, até mesmo, sólido. A pressão é uma propriedade intrínseca a qualquer sistema. Para problemas que envolvem gases e sólidos, a expressão matemática utilizada para expressar pressão é dada por , em que F é a força normal, e A é a área.Assim, temos que a grandeza pressão tem dimensão de . Exemplo 4 Em Engenharia, energia é um conceito extremamente importante e representa a capacidade de produzir trabalho. Esse conceito é também usado em outras áreas científicas, como a biologia, a física e a química. Energia potencial é a energia que pode ser armazenada em um sistema físico e tem a capacidade de ser transformada em energia cinética. A energia potencial é a energia que corresponde ao trabalho que a força peso realiza. A energia potencial pode ser equacionada como , em que m é a massa do corpo, g é a aceleração gravitacional e h é a altura em que se encontra o objeto de massa m em relação a um nível de referência. Dessa forma, a dimensão de energia potencial é Por outro lado, a energia cinética é a forma de energia que os corpos em movimento possuem e é proporcional à massa e à velocidade da partícula que se move. A energia cinética é equacionada como , em que m é a massa do objeto, V a velocidade e é uma constante adimensional. Dessa forma, a dimensão de energia cinética é Observe que tanto a energia potencial como a energia cinética apresentam a mesma dimensão – o que já era de se esperar, pois se trata da mesma grandeza física. Exemplo 5 (ITA) Certa grandeza física A é definida como o produto da variação de energia de uma partícula pelo intervalo de tempo em que esta variação ocorre. Outra grandeza, B, é o produto da quantidade de movimento da partícula pela distância percorrida. A combinação que resulta em uma grandeza adimensional é (A) AB (B) A/B (C) A/B2 (D) A2/B (E) A2B Solução: Segue do enunciado que A = ∆E.∆t, em que ∆E é a variação de energia e ∆t é a variação do tempo. Por outro lado, temos que B = Q.d, em que Q é a quantidade de movimento e d é a distância percorrida. Assim, a dimensão da grandeza A é [A] = M.L2.T– 2.T = M.L2.T–1 e a da grandeza B é [B] = M.L.T–1.L = M.L2.T–1. Como [A] = [B], segue que a razão entre as grandezas A e B resulta em uma grandeza adimensional. 8WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 6 (ITA) Considere um corpo esférico de raio R totalmente envolvido por um fluido com velocidade média V. De acordo com a lei de Stokes, para baixas velocidades, esse corpo sofrerá a ação de uma força de arrasto viscoso dado pela equação , em que é uma constante adimensional e é uma propriedade do fluido. A dimensão de é (A) (B) (C) (D) (E) Solução: Do enunciado, segue que , em que F é força (cuja dimensão é ); R é o raio (cuja dimensão é L); V é a velocidade (cuja dimensão é ) e é a grandeza cuja dimensão se deseja avaliar. Assim, Ou seja, a dimensão da grandeza é , e responde à questão a alternativa (E). O conhecimento acerca das dimensões e unidades de algumas grandezas físicas ajuda e muito no entendimento de algumas grandezas físicas. Na tabela a seguir, são apresentadas algumas grandezas físicas, suas dimensões e unidades no SI e no sistema inglês de unidades. Grandeza Dimensão Unidades SI Unidades inglesas Área L2 m2 ft2 Volume L3 m3 ft3 Velocidade L T-1 m s-1 ft s-1 Aceleração L T-2 m s-2 ft s-2 Força M L T-2 kg m s-2 lb ft s-2 Pressão M L2 T-2 kg m2 s-2 lb ft2 s-2 Tensão M L2 T-2 kg m2 s-2 lb ft2 s-2 Massa específica M L3 kg m-3 lb ft-3 Viscosidade M L-1 T-1 kg m-1 s-1 lb ft-1 s-1 Energia M L2 T2 kg m2 s-2 lb ft2 s-2 Trabalho M L2 T2 kg m2 s-2 lb ft2 s-2 Potência M L2 T3 kg m2 s-3 lb ft2 s-3 Vazão volumétrica L3 T-1 m3 s-1 ft3 s-1 Vazão mássica M T-1 kg s-1 lb s-1 Tabela 2 - Grandezas físicas: dimensões e unidades. Fonte: O autor. 9WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 7 (CESGRANRIO) O Sistema Internacional de Unidades (SI) é o padrão de medidas recomendado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas, sendo, atualmente, o mais utilizado no Brasil e no mundo. São unidades do Sistema Internacional: (A) metro, quilograma, segundo e kelvin. (B) metro, quilograma, hora e Celsius. (C) metro, grama, minuto e Celsius. (D) milha, libra, segundo e fahrenheit. (E) jarda, quilograma, hora e fahrenheit. Solução: Da Tabela 1, depreende-se que são unidades do SI o metro, quilograma, segundo e kelvin, os quais, por sua vez, são unidades das grandezas comprimento, massa, tempo e temperatura, respectivamente. Logo, responde à questão a alternativa (A). Exemplo 8 (CESGRANRIO) A unidade do Sistema Internacional (SI) para medidas de pressão corresponde a: (A) kgf/m2 (B) (kg.m/s2)/m2 (C) (kgf.m/s2)/m2 (D) (kg.m2)/(m/s2) (E) (kgf.m2)/(m/s2) Solução: No exemplo 3, vimos que a dimensão de pressão é . Assim, a unidade de pressão no SI é . Assim, responde à questão a alternativa (B). Algumas unidades recebem nomes especiais, a saber: 1 kg m-1 s-2=1 Pa (lê-se: 1 Pascal); 1 M L2 T-2=1 J (lê-se: 1 Joule); 1 M L2 T-3 =1 W (lê-se: 1 Watt). 10WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 9 No século XIX, Osborne Reynolds estudou a transição entre os regimes laminar e turbulento em um tubo. O parâmetro que determinou o regime de escoamento, mais tarde, recebeu o nome de número de Reynolds, indicado por Re. O número de Reynolds é definido por: em que é a massa específica do fluido, V é a velocidade de escoamento, D é o diâmetro do tubo, e a viscosidade. Com base nessas informações, prove que o número de Reynolds é adimensional. Solução: Do enunciado, segue que . Assim, Logo, o número de Reynolds é adimensional. 2. HOMOGENEIDADE DIMENSIONAL Todos conhecemos a expressão: “não podemos somar três maçãs com duas melancias”. Isso porque se trata de coisas distintas. Na verdade, é uma expressão simplificada de uma lei matemática mais fundamental e global – a lei da homogeneidade dimensional, enunciada como: Todo termo aditivo de uma equação deve ter as mesmas dimensões. Todas as equações teóricas, em qualquer ciência física, são dimensionalmente homogêneas. Analisemos os casos seguintes: Eq. (01) Eq. (02) em que as unidades de V e Vo (m/s), g (m/s 2) e t (s). Vejamos, primeiramente, para a equação (01), segue que: [ . Agora, para a equação (02), segue que: [ . Note que a equação (01) é dimensionalmente consistente, enquanto que (02) não o é. 11WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 10 A equação de Bernoulli é, provavelmente, a equação mais discutida e utilizada em Mecânica dos Fluidos. Essa equação, para um escoamento irrotacional de um fluido incompressível, é dada por: , tal que P é a pressão, é a massa específica, g a aceleração da gravidade, V a velocidade e z a cota referente à altura em relação à horizontal. Analisemos as dimensões de cada termo aditivo da equação de Bernoulli. Assim, Como a dimensão de cada termo aditivo da equação de Bernoulli é a mesma, e igual a L, segue que essa equação segue o princípio da homogeneidade dimensional. Caso as dimensões de qualquer um dos termos fossem diferentes das outras, isso indicaria que um erro foi cometido em alguma parte da análise. Para serem dimensionalmente homogêneos, os termos de uma equação devem ter a mesma unidade. 12WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 11 Uma importante equação na teoria das vibrações é em que m é a massa, e x é a posição no instante t. Para uma equação dimensionalmente consistente, determine as dimensões de c, k e Solução: Sabemos que é a derivada segunda da posição em relação ao tempo, ou seja, é a aceleração. Sabemos também que é a derivada primeira da posição em relação ao tempo, ou seja, é a velocidade. Assim, o termo tem dimensão de , ou seja, tem dimensão de força. Assim, os termos e deverão ter dimensão de força para que a equação diferencial dada tenha consistência dimensional. Daí, Portanto, as dimensões de c, k e f(t) são, respectivamente, e 3. DEFINIÇÃO DE FLUIDOE CONCEITOS FUNDAMENTAIS EM MECÂNICA DOS FLUIDOS Em Física, estuda-se que a matéria existe em três estados fundamentais: sólido, líquido e gasoso. Uma substância que se encontra no estado líquido ou gasoso é denominada fluido, e o que distingue um sólido de um fluido é a capacidade de a substância resistir à aplicação de uma tensão de cisalhamento. Dessa forma, um sólido é toda substância que resiste à tensão de cisalhamento aplicada nele e que se deforma. Por outro lado, um fluido é toda substância que, ao ser submetida a uma tensão de cisalhamento, deformar-se-á continuamente, independentemente da magnitude do valor da tensão de cisalhamento. 13WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Sabemos que toda matéria é constituída de átomos, os quais, segundo alguns modelos atômicos, são constituídos por núcleo e eletrosfera. Daí, de acordo com essas considerações, a matéria é amplamente espaçada, em particular no estado gasoso. No entanto, para facilitar nosso estudo em Mecânica dos Fluidos, assumiremos que a matéria é um meio contínuo e homogêneo. E, a partir daí, podemos definir algumas propriedades dos fluidos. A massa específica do fluido é a massa do fluido por unidade de volume Assim, Eq. (03) A análise das dimensões dessa grandeza nos permite afirmar que as possíveis unidades são: , , etc. O volume específico do fluido é o volume do fluido ocupado por unidade de massa Assim, Eq. (04) A análise das dimensões dessa grandeza nos permite afirmar que as possíveis unidades são: , , etc. O peso específico do fluido é o produto da massa específica com a aceleração gravitacional Assim, Eq. (05) Considere que uma força de intensidade F seja aplicada sobre uma superfície cuja área é A, como indicado na Figura 1. Essa força pode ser decomposta de acordo com a direção normal à superfície e da tangente, dando origem a uma componente normal (FN) e outra tangencial (Ft), como ilustrado na figura a seguir. Figura 1 – Decomposição do vetor força. Fonte: O autor. Dessa maneira, a pressão é o resultado do quociente entre a força normal (FN) e a área A onde é aplicada. Por outro lado, a tensão de cisalhamento é o resultado do quociente entre a força tangencial (Ft) e a área A onde é aplicada. 14WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA com . A análise das dimensões dessa grandeza nos permite afirmar que as possíveis unidades: etc. A densidade do fluido é a razão do valor da massa específica do fluido com o valor da massa específica de um fluido padrão. O fluido padrão para líquidos é a água e, para gases, é o ar. Assim, Eq. (06) A análise das dimensões dessa grandeza nos permite afirmar que essa grandeza é adimensional. Exemplo 12 Um recipiente de 7,5 m3 é parcialmente preenchido com 900 kg de um líquido cuja massa específica é 2.400 kg/m3. O restante do volume do recipiente contém gás com massa específica igual a 3,6 kg/m3. Nessa situação, determine a massa de gás, em kg, no interior do recipiente. Solução: Do enunciado, depreende-se que parte do recipiente está preenchida com líquido, e a outra parte, com gás. Assim, pela Eq. (01), podemos determinar o volume do líquido contido no interior do recipiente, ou seja, Como o volume do recipiente é 7,5 m3, segue que o volume de gás é igual a Aplicando-se, novamente, a Eq. (01), determina-se o valor da massa de gás no interior do tanque. Assim, Portanto, a massa de gás no interior do recipiente é igual a 25,65 kg. Há que se ter cuidado com a nomenclatura estabelecida nesta apostila. O que é, normalmente, definido nos livros de Física como “densidade” é, aqui, definido como “massa específica”, vez que “densidade” é uma medida relativa. 15WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 13 Dois líquidos X e Y possuem massas específicas a 25°C de 1000 kg/m3 e 1200 kg/m3, respectivamente. Em um tanque mantido à temperatura constante de 25°C, serão misturados 160 m3 do líquido X com 240 m3 do líquido Y. Se os líquidos formarem uma mistura ideal, determine a massa específica média da mistura a 25°C, em kg/m3. Solução: Do enunciado, depreende-se que, para o líquido X, 1000 kg/m3 e V = 160 m3. Já para o líquido Y, 1200 kg/m3 e V = 240 m3. Como a mistura é ideal, segue que o volume final da mistura é igual à soma dos volumes dos líquidos X e Y, ou seja, 400 m3. Aplicando-se a Eq. (01), determinamos a massa dos líquidos X e Y na mistura. Assim, A massa total da mistura é igual a 448.000 kg, e a massa específica da mistura é determinada aplicando-se a Eq. (01). Assim, Logo, a massa específica da mistura é igual a A viscosidade do fluido é a propriedade que mede sua resistência em escoar. Para se obter uma equação para a viscosidade, considere que uma camada fluida seja colocada entre duas placas planas, paralelas e infinitas. Considere, ainda, que as placas estejam separadas por uma distância . No instante t = 0, considere que uma força F, constante e tangencial, seja aplicada sobre a placa superior, enquanto que a placa inferior permanece parada. Após um tempo, verifica-se que a placa superior se move continuamente sob a influência da força F, com velocidade constante V, tal como apresentado na Figura 2. Lembre-se de que essa força F horizontal está sendo aplicada sobre uma área A da placa. A razão entre F e A é denominada tensão de cisalhamento . Figura 2 - Comportamento de um fluido entre placas quando a placa superior está em movimento. Fonte: O autor. 16WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O fluido em contato com a placa superior prende-se à superfície da placa e passa a deslocar-se com ela na mesma velocidade V. Aqui, temos a atuação da tensão de cisalhamento agindo sobre a camada fluida. Por outro lado, o fluido que está aderido à placa inferior assume a velocidade dessa placa; logo, a velocidade é nula, porque a placa está parada. Assim, para um escoamento laminar e estacionário, temos entre as duas placas a criação do gradiente de velocidade, denotado por . O fato está ilustrado na Figura 3. Figura 3 – Criação do gradiente de velocidade devido ao escoamento de um fluido entre placas quando a placa su- perior está em movimento. Fonte: O autor. Os fluidos para os quais o gradiente de velocidade criado é proporcional ao cisalhamento aplicado são denominados fluidos newtonianos. A constante de proporcionalidade entre essas grandezas é denominada viscosidade. Dessa forma, os fluidos newtonianos seguem a Lei de Newton da Viscosidade, que é escrita como Eq. (07) em que é a tensão de cisalhamento, é o gradiente de velocidade ou taxa de deformação, e é a viscosidade. A análise das dimensões da grandeza viscosidade nos permite afirmar as possíveis unidades: etc. A maior parte dos fluidos comuns (como água, ar, gasolina e óleo) são fluidos newtonianos. Creme dental, piche, tintas e soluções de amido são exemplos de fluidos que não seguem a lei de Newton da viscosidade, sendo denominados fluidos não newtonianos. Para os fluidos newtonianos, há uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação; para os fluidos não newtonianos, a relação é não linear, como pode ser observado na Figura 4. 17WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 4 – Fluidos newtonianos e não newtonianos. Fonte: O autor. Os fluidos não newtonianos apresentam viscosidade aparente . Os fluidos pseudoplásticos são aqueles para os quais os valores da viscosidade aparente diminuem à medida que se aumenta a taxa de deformação. São exemplos de fluidos pseudoplásticos as soluções com partículas em suspensão e as soluções poliméricas. Os fluidos dilatantes têm os valores da viscosidade aparente aumentados à medida que se aumenta a taxa de deformação. São exemplos de fluidos dilatantes aareia em suspensão e a solução de amido. Existem fluidos, como o creme dental, que, inicialmente, resistem a baixos valores de taxa de cisalhamento (e se comportam como sólidos, inicialmente), mas que, ao excederem um valor limite de tensão, passam a escoar como um fluido. Esse tipo de fluido é denominado plástico de Bingham. A viscosidade em líquidos e gases é fortemente afetada pela temperatura. Em líquidos, o aumento da temperatura ocasiona diminuição no valor da viscosidade. Isso se deve ao fato de que, em líquidos, a viscosidade é causada pela coesão entre as moléculas e, à medida que se tem a temperatura aumentada, há distanciamento entre as moléculas, o que, por sua vez, diminui a coesão e, por consequência, há diminuição no valor da viscosidade. Já nos gases, a viscosidade é causada pelos choques entre as moléculas gasosas. Dessa maneira, o aumento na temperatura ocasionará aumento no número de colisões entre as moléculas, o que, consequentemente, aumentará o valor da viscosidade. A viscosidade cinemática do fluido é a razão entre os valores da viscosidade absoluta do fluido e sua massa específica. Assim, Eq. (08) A análise das dimensões dessa grandeza nos permite afirmar que as possíveis unidades são: etc. 18WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 14 Um experimento consiste em um sistema de duas placas. Uma está imóvel (v1 = 0); a outra é puxada com uma força horizontal por unidade de área igual a 15 Pa, como ilustrado na Figura 5. Figura 5 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Um fluido viscoso ocupa o espaço entre as duas placas que se situam a D = 15 mm uma da outra. Devido à viscosidade do fluido, a placa de cima se move paralelamente à primeira, com v2 = 300 cm/s. Determine a viscosidade absoluta do fluido. Solução: Admitindo que o fluido em apreço seja newtoniano, podemos usar a Eq. (05) e determinar o valor da viscosidade absoluta desse fluido. Note que a referida equação é, na verdade, uma equação diferencial ordinária de primeira ordem, que pode ser resolvida por separação de variáveis. Assim, Viscosidade absoluta, viscosidade aparente e viscosidade cinemática?! E agora, professor?? A viscosidade é a propriedade inerente ao fluido, segundo a qual ele oferece resistência ao cisalhamento; isto é, trata-se da medida da resistência do fluido à fluência quando, sobre ele, atua uma força exterior. Dessa maneira, não se pode confundir viscosidade absoluta, viscosidade aparente e viscosidade cinemática. A viscosidade absoluta (ou dinâmica) é a viscosidade apresentada por fluidos que seguem a Lei de Newton da Viscosidade (fluidos Newtonianos) e é constante, independentemente dos valores da tensão de cisalhamento e da taxa de deformação às quais o fluido está submetido. Por outro lado, os fluidos não newtonianos (aqueles que não seguem a Lei de Newton da Viscosidade) apresentam viscosidade aparente, cujo valor varia de acordo com a tensão de cisalhamento e com a taxa de deformação às quais esse fluido está submetido. Por fim, a viscosidade cinemática é a razão entre o valor da viscosidade (absoluta ou aparente) e a massa específica do fluido. 19WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Resolvendo-se as integrais anteriores, resulta que Dessa forma, a viscosidade do fluido pode ser calculada por meio da equação Como e substituindo na equação anterior, temos que a viscosidade de um fluido newtoniano pode ser determinada por meio da equação Do enunciado, depreende-se que , D = 15 mm = 0,015 m e V = 300 cm/s = 3 m/s. Substituindo, temos Logo, o valor da viscosidade absoluta do fluido é igual a 0,075 Pa.s. Exemplo 15 Na Figura 6, observa-se uma placa quadrada cuja área da base é 2 m2 e massa de 2 kg, que desliza sobre uma lâmina de óleo depositada sobre um plano inclinado em 30º em relação à horizontal. A viscosidade desse óleo é 0,4 Pa.s, e a espessura da lâmina é de 10mm. Admita que a lâmina de óleo não escorra pelo plano inclinado, que o escoamento entre a placa e o plano seja laminar e que a aceleração da gravidade local seja igual a 10 m/s2. Nessas condições, determine a velocidade terminal da placa escoando pelo plano inclinado. A decomposição de forças em um plano inclinado é de grande importância para entendermos alguns fenômenos; além disso, isso nos auxiliará na resolução do próximo exemplo. Assista ao vídeo Dinâmica - entendendo o plano inclinado antes de passar para o próximo exemplo. O link de acesso é https://www.youtube.com/watch?v=99uVkglDDn0. 20WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 6 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Solução: Como o fluido em apreço é óleo, que é fluido Newtoniano, a Eq. (05) pode ser empregada. No exemplo 3, já resolvemos essa equação diferencial e escrevemos a equação para determinar o valor da viscosidade. Agora, vamos reescrever a equação do exemplo 3 para determinar a velocidade, ou seja, que pode ser reescrita como em que é a espessura da camada de óleo. Do enunciado, temos que ; . A força que atua nesse sistema é a força peso, ou seja, . No entanto, devemos considerar apenas a componente da força que atua paralelamente ao escoamento. Assim, efetuando-se a decomposição dessa força, resulta que a força paralela ao escoamento será Assim, a velocidade terminal da placa é Logo, a velocidade terminal da placa é igual a 0,125 m/s. Exemplo 16 A placa da Figura 7 está apoiada no topo de um filme fino de água, que está a 25ºC. Quando uma força F é aplicada, o perfil de velocidade através da espessura de fluido é descrito por em que V está em m s, e y em m. Nessa situação, considerando que o fluido em escoamento seja newtoniano, de viscosidade cinemática e massa específica 1000 , determine: A) o valor do módulo da tensão de cisalhamento no ponto localizado sobre a superfície fixa. B) o valor do módulo da tensão de cisalhamento no ponto localizado sobre a placa móvel. 21WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 7 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Solução: Por hipótese, o fluido em escoamento é newtoniano e, dessa maneira, podemos aplicar a lei de Newton da viscosidade – Eq. (05). Assim, Note que a taxa de deformação – – é a derivada do perfil de velocidade em relação ao raio, isto é, Assim, a expressão que calcula o valor em módulo da tensão de cisalhamento é dada por: Como segue que Do enunciado, depreende-se que substituindo na equação anterior, segue que Logo, o valor do módulo da tensão de cisalhamento na superfície fixa (y = 0) é Temos, ainda, que a tensão de cisalhamento em um ponto localizado sobre a placa móvel (y = 15 mm = 0,015 m) é Note que o maior valor de tensão de cisalhamento se desenvolveu sobre a superfície fixa, e não sobre a superfície móvel, pois o gradiente de velocidade é máximo na superfície fixa. 22WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O líquido mantém sua forma devido à atração de suas moléculas por forças de coesão, que é um tipo de força que faz com que os líquidos resistam à tensão por tração e, dessa forma, criam uma tensão superficial. O fenômeno da tensão superficial é explicado quando observamos as forças coesivas que atuam em moléculas de líquidos. Na Figura 8, observe que uma molécula localizada profundamente em um meio líquido possui forças coesivas atuando em todo o seu redor; como consequência, a força resultante que atua sobre ela é nula. Por outro lado, uma molécula localizada na superfície do meio líquido possui forças de coesão vindas de moléculas que estão abaixo dela e, também, de moléculas vizinhas. Na superfície livre, não há forças de coesão e, por conseguinte, teremos uma força resultante para baixo, que tentará puxar a superfície para baixo. Figura 8 – Tensãosuperficial em moléculas. Fonte: Hibbeler (2016). O estudo reológico de diversas substâncias tem sido o foco de pesquisa de alguns pesquisadores. O estudo reológico nada mais é do que o estudo do comportamento da viscosidade de fluidos. Assim, ficam como indicação de leitura os artigos científicos a seguir: - OLIVEIRA, R. C. de et al. Extraction of passion fruit seed oil using supercritical CO²: a study of mass transfer and rheological property by Bayesian inference. Grasas y Aceites, Sevilla, v. 64, n. 4, 2013. Disponível em: http://grasasyaceites.revistas. csic.es/index.php/grasasyaceites/article/view/1446/1448. - OLIVEIRA, R. C. de; ROSSI, R. M.; BARROS, S. T. D. Estudo reológico da polpa de morango (Fragaria vesca) em diferentes temperaturas. Acta Scientarium, Maringá, v. 34, n. 3, 2012. Disponível em: https://pdfs.semanticscholar.org/c408/ e173784f30dd5948be3d00b4a84a18297bf3.pdf. 23WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A separação das moléculas da superfície exige uma força de tração. Essa força de tração que surge na superfície gera uma tensão que atua no sentido paralelo à superfície e ocorre devido às forças atrativas entre as moléculas desse líquido, como apresentado na Figura 9. Essa força de tração por unidade de comprimento é denominada tensão superficial e é, em geral, expressa em N/m ou lbf/ft. O valor numérico dessa grandeza, em geral, depende da temperatura do líquido. Figura 9 – Tensão superficial na superfície livre. Fonte: Hibbeler (2016). A tensão superficial em líquidos muda consideravelmente conforme o valor da temperatura. Para água a 0ºC, seu valor é 0,076 N/m e, para água a 300ºC, seu valor é 0,014 N/m. Isso ocorre, porque, quanto maior a temperatura, maior o grau de agitação dessas moléculas e, portanto, menor a tensão superficial. A tensão superficial também muda conforme a pureza do material. Para diminuir o valor da tensão superficial de líquidos, certos produtos químicos são adicionados, visando à redução dessa tensão superficial. Essas substâncias adicionadas são denominadas de agentes tensoativos. Por exemplo, sabões e detergentes diminuem a tensão superficial da água e permitem que ela entre em pequenas aberturas com vistas à lavagem mais eficiente de roupas. Separar as moléculas e quebrar a tensão superficial de um líquido exige trabalho, e a energia produzida por esse trabalho é chamada de energia de superfície livre. O método da gota pendente (Figura 10) é bastante utilizado para se determinar a tensão superficial de materiais. O método da gota pendente baseia-se na determinação do perfil de uma gota pendente em ar em equilíbrio mecânico, como ilustrado pela figura a seguir. Figura 10 – O método da gota para determinação da tensão superficial. Fonte: O autor. 24WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A coesão também é responsável pela formação de gotas líquidas que se formam quando um líquido é borrifado. Essas forças de coesão tendem a minimizar o formato de qualquer gota líquida, reduzindo a gota ao formato esférico. A diferença de pressão entre as partes interna e externa dessa gotícula é calculada por meio da equação: Eq. (09) em que R é o raio da gotícula. Outra consequência da tensão superficial é o efeito capilar, que é a ascensão ou depressão de um líquido em um tubo de pequeno diâmetro imerso em líquido. Esses tubos finos são denominados de capilares, e a superfície livre curva de um líquido em um capilar é denominada menisco, como ilustrado pelas Figuras 11 e 12. A capilaridade depende das forças de coesão e adesão. O valor da ascensão capilar (h) é calculado por meio da equação: Eq. (10) em que é a massa específica do fluido; g a aceleração gravitacional; R é o raio do capilar e é o ângulo de contato, definido como o ângulo que a tangente à superfície do líquido faz com a superfície sólida no ponto de contato. O mercúrio é um líquido não umectante, ou seja, as forças de adesão das moléculas da superfície são menores que as forças de coesão, e seu menisco será convexo. Por outro lado, a água é um líquido umectante, ou seja, as forças de adesão das moléculas da superfície são maiores que as forças de coesão, e seu menisco será côncavo. Figura 11 – Líquido umectante e não umectante. Fonte: Hibbeler (2016). 25WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 12 – Ascensão capilar. Fonte: Adaptado de Hibbeler (2016). Exemplo 17 Devido à tensão superficial do líquido de massa específica r, o líquido sobe dentro dos tubos 1 e 2, como mostrado na figura a seguir. Sabe-se que , com base nessas informações determine . Figura 13 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Solução: Temos a ascensão capilar de um mesmo líquido em capilares de diferentes diâmetros. Assim, as grandezas , e são idênticas nos dois capilares. Logo, as ascensões capilares nos tubos são e, Logo, Portanto, 26WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 2. ESTÁTICA DOS FLUIDOS 2.1 Pressão, Lei de Stevin e Princípio de Pascal 2.1.1. Pressão As forças aplicadas em corpos rígidos por fluidos, tanto em repouso quanto em movimento, são situações estudadas em Estática dos Fluidos, e a propriedade do fluido responsável por tal fenômeno é denominada pressão, que nada mais é do que a força normal aplicada por um fluido por unidade de área. Pressão é um termo empregado quando discorremos sobre líquidos e gases (fluidos), ao passo que o termo equivalente para os sólidos é tensão normal. Eq. (11) A grandeza pressão tem como unidades: Pa, bar, atmosfera padrão (atm), mm de Hg, psi, dentre outras. Uma das áreas de materiais que mais tem despertado a atenção no mundo é a que inclui as chamadas blendas poliméricas. A tensão interfacial é o parâmetro chave no controle da compatibilidade entre os constituintes de uma mistura de polímeros. No artigo Comparação entre o Método da Gota Pendente e o Método da Gota Girante para Medida da Tensão Interfacial entre Polímeros, um estudo comparativo entre métodos diferentes é realizado para determinação da tensão interfacial entre polímeros. As autoras são Nicole R. Demarquette, da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, e Musa R. Kamal, da McGill University, Chemical Engineering Department. O artigo está disponível em http://www.scielo.br/pdf/po/v7n3/8889.pdf. 27WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A pressão em uma dada posição é denominada pressão absoluta e é medida em relação ao vácuo absoluto. No entanto, a maioria dos dispositivos medidores de pressão é calibrada para efetuar a leitura do zero na pressão atmosférica. Essa pressão é denominada de pressão manométrica, como pode ser observado na Figura 15. Na Figura 16, são apresentados alguns manômetros industriais. Assim, Eq. (12) Figura 15 – Pressão absoluta e pressão manométrica. Fonte: O autor. Figura 16 – Manômetros industriais. Fonte: O autor. Observe a charge da Figura 14 e note que pressão e área são grandezas inversamente proporcionais. Figura 14 – A relação de proporcionalidade entre pressão e área. Fonte: O autor. 28WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A pressão é uma grandeza escalar, isto é, ela tem uma intensidade, e não uma direção específica. Dessa forma, a pressão, em qualquer ponto de um fluido, é igual em todas as direções. A magnitude do valor da pressão em fluidos aumenta com o aumento do valor da profundidade. Esse fato é apresentado pelo Teorema de Stevin. 2.1.2. Teorema de Stevin O valor da diferença de pressão entre dois pontos, em um fluido em repouso, é igual ao produto do peso específico desse fluido pela diferença de altura entre esses dois pontos. Escrevendoo Teorema de Stevin como uma equação, temos Eq. (13) em que é a diferença de altura entre dois pontos. Segundo Brunetti (2008), o Teorema de Stevin tem como consequências: I. na diferença de pressão entre dois pontos, não interessa a distância entre eles, mas a diferença de cotas. II. a pressão dos pontos em um mesmo plano ou nível horizontal é a mesma. III. o formato do recipiente não é importante para o cálculo da pressão em algum ponto (princípio dos vasos comunicantes). IV. em gases, como o peso específico é pequeno, se a diferença de cota entre dois pontos não é muito grande, pode-se desprezar a diferença de pressão entre eles. Os vasos comunicantes são recipientes geralmente em formato de U, empregados na análise das relações entre as massas específicas de líquidos imiscíveis e na execução de estudos sobre a pressão exercida por colunas de líquidos. A Figura 17 apresenta um vaso comunicante preenchido com água com corante. Figura 17 – Os vasos comunicantes. Fonte: O autor. 29WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 18 Um tanque cilíndrico é preenchido por um óleo cuja massa específica é igual a 2500 kg/m3. O óleo ocupa o tanque até a altura de 5 m, sendo que, na superfície do óleo, a pressão é a atmosférica, que foi estimada em 105 Pa. Determine a pressão absoluta na base do tanque, em kPa. Solução: Da Eq. (08), segue que a pressão absoluta é a soma da pressão atmosférica, que no enunciado é dita ser 105 N/m2, com a pressão hidrostática, que é calculada pela Lei de Stevin. Assim, a pressão hidrostática é Logo, a pressão absoluta no fundo do tanque é Exemplo 19 A pressão absoluta medida em um ponto no fundo do oceano Atlântico foi de 100 atm. Sabe-se que: (i) a pressão atmosférica local equivale a 1 atm = 105 Pa; (ii) a massa específica da água do mar vale 1,05 x 103 kg/m3 e (iii) a aceleração da gravidade local é de 9,8 m/s2. Determine a profundidade, em relação ao nível do mar, onde foi feita a medição da pressão. Solução: Sabemos que a pressão absoluta é a soma da pressão manométrica (ou hidrostática) com a pressão atmosférica. Dessa forma, depreende-se do enunciado que a pressão hidrostática no fundo do oceano é igual a . Aplicando a lei de Stevin, podemos determinar o valor da altura na qual ocorre esse valor de pressão hidrostática. Logo, a profundidade, em relação ao nível do mar era de, aproximadamente, 962,1 m. Os vasos comunicantes são dispositivos, em geral, com formato em U, empregados para analisar a relação entre massa específica de líquidos imiscíveis e a pressão exercida por colunas de líquidos. O vídeo Vasos Comunicantes apresenta o que são e como funciona o princípio dos vasos comunicantes. O link de acesso é https://www.youtube.com/watch?v=ZDTyfitx4A4. 30WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 20 Em uma barragem, uma comporta quadrada, de 1 m de lado, está posicionada a 2 m de profundidade, como ilustrado pela Figura 18. Figura 18 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Sabendo que a massa específica da água é 1000 kg/m3 e a aceleração gravitacional é 10 m/ s2, determine a força que a água exerce sobre essa comporta. Solução: Sabemos que a pressão é a razão entre a força perpendicular que atua em um objeto pela área de atuação da força. Pela Lei de Stevin, a pressão hidrostática é Observe que e não 2 m. Isso, pois temos que recordar que a pressão atuará no centro de gravidade da comporta, que, nesse caso, está a 2,5 m abaixo do nível da água na placa. Temos que a área da comporta é igual a 1 m2. Daí, a força que atua na placa é Logo, a força que atua na comporta é igual a 25 kN. 31WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 2.1.3. O Princípio de Pascal O princípio de Pascal, enunciado no século XVII, por Blaise Pascal, enuncia que: o aumento da pressão exercida em um líquido em equilíbrio é transmitido integralmente a todos os pontos do líquido bem como às paredes do recipiente em que ele está contido. Para ficar clara a importância desse princípio, considere um recipiente que contenha um líquido, em cujo interior vamos marcar pontos: A, B e C. Considere que as pressões nesses pontos sejam A = 20 Pa, B = 30 Pa e C = 40 Pa, como ilustrado na Figura 19 (a). Considere que um êmbolo ideal seja acoplado ao recipiente e que esse êmbolo tenha área de A=0,5 m2. Considere, também, que uma força perpendicular de 100 N seja exercida sobre o êmbolo, o que produz uma pressão adicional sobre o sistema de 200 Pa. O Princípio de Pascal afirma que essa pressão de 200 Pa é, agora, transmitida a todos os pontos no interior do tanque. Assim, as pressões nos pontos A, B e C serão iguais a A = 220 Pa, B = 230 Pa e C = 240 Pa, como ilustrado na Figura 19 (b). Figura 19 – Ilustração do Princípio de Pascal. Fonte: O autor. O princípio de Pascal tem muita importância para resolver problemas de dispositivos que transmitem e ampliam força por meio da pressão aplicada em fluidos, como a prensa hidráulica. Exemplo 21 Em uma oficina, um carro encontra-se suspenso por meio de uma prensa hidráulica, como apresentado na Figura 20. Figura 20 – Representação do exercício. Fonte: O autor. 32WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O diâmetro, D, do êmbolo maior que sustenta o carro é igual a 30 cm, enquanto que o diâmetro, d, do êmbolo menor é igual a 2,5 cm. Considere que o fluido interno na prensa seja ideal e as massas dos êmbolos, desprezíveis. Se a massa do carro suspenso no êmbolo de maior diâmetro é de 2000 kg, determine o da força a ser desenvolvida pelo compressor de ar (B) para subir o macaco (A) à velocidade constante. Solução: Segue, do Princípio de Pascal, que a pressão exercida pelo compressor é transmitida igualmente a todos os pontos no interior da prensa. Dessa forma, como o sistema está em equilíbrio estático, escrevemos em que P é a pressão, F a força normal e A, a área. Como a força que atua no sistema é o peso, que é o produto da massa do objeto com a gravidade, segue, após simplificações algébricas, que em que m é a massa e d, D são diâmetros dos êmbolos menor e maior, respectivamente, e g é a aceleração gravitacional. Daí, Logo, a força a ser desenvolvida pelo compressor é de 138,9 N. 2.2 Manometria e Aplicações O manômetro é o instrumento empregado para a medição do valor da pressão. Em geral, esse dispositivo é constituído de um tubo em U de plástico ou vidro. A Figura 21 ilustra alguns exemplos de manômetros com a forma em U. Figura 21 – Exemplos de manômetros em U. Fonte: O autor. A técnica da medida de pressão, por meio de um manômetro em U, é denominada de manometria. Os fluidos que estão no interior desses manômetros são denominados fluidos manométricos e, em geral, são empregados mercúrio, água ou óleo, com massas específicas diferentes e não miscíveis com o fluido do sistema cujo valor da pressão se medirá. 33WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Para a determinação do valor da pressão manométrica em uma das extremidades do manômetro, faz-se uso da seguinte regra prática: à medida que se desce em uma coluna de fluido, a pressão tem seu valor aumentado e, à medida que se sobe em uma coluna de fluido, a pressão tem seu valor diminuído. Aplicando a regra prática, a equação obtida é denominada de equação manométrica. Exemplo 22 Considere o manômetro em U da Figura 22 e determine a equação manométrica que permite o cálculo da diferença de pressão entre os pontos A e B. Na figura, considere que , e são os pesos específicos dos fluidos 1, 2 e 3, respectivamente, e que , e são, respectivamente, os valores das alturas das colunas de fluidos 1, 2 e 3. Figura 22 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Solução: Admita que e sejam os valores das pressões nas tubulações nospontos A e B, respectivamente. Para determinar a equação manométrica dessa instalação, vamos iniciar as tomadas das medidas das pressões das colunas de fluidos a partir do lado esquerdo. Assim, • No ponto A e no ponto 1, as pressões são as mesmas (lembre-se de que para pontos onde o fluido é o mesmo, na mesma cota as pressões são iguais). • Entre os pontos 1 e 2, descemos uma coluna, contendo o fluido 1, de altura h1. Logo, essa pressão é positiva e, pela Lei de Stevin, seu valor é calculado por meio de . • Nos pontos 2 e 3, as pressões são idênticas. • Entre os pontos 3 e 4, subimos uma coluna, contendo o fluido 2, de altura h2. Logo, essa pressão é negativa e, pela Lei de Stevin, seu valor é calculado por meio de . • Entre os pontos 4 e 5, subimos uma coluna, contendo o fluido 3, de altura h3. Logo, essa pressão é positiva e, pela Lei de Stevin, seu valor é calculado por meio de . • Nos pontos 5 e B, as pressões são as mesmas. 34WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Assim, juntando esses valores, temos a equação manométrica, escrita como: Assim, a diferença de pressão entre os pontos A e B é dada por: Exemplo 23 O sistema ilustrado na Figura 23 foi utilizado para medir a pressão do gás contido no interior de um botijão de gás doméstico. O fluido manométrico é o mercúrio (Hg), cuja massa específica é 13600 kg.m–3. Figura 23 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Sabendo-se que, no local, a aceleração da gravidade é 10 m.s–2 e a pressão atmosférica é 8,00 x 104 Pa, determine o valor da pressão exercida pelo gás, em Pa. Solução: Admita que seja o valor da pressão no interior do botijão. Assim, escrevemos a equação manométrica para o sistema da seguinte maneira: Logo, a pressão absoluta no interior no botijão é igual a 134,4 kPa. Caso queiramos determinar apenas a pressão hidrostática, fazemo-lo na equação manométrica anterior Assim, a pressão manométrica correspondente é 35WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 24 No manômetro ilustrado na Figura 24, instalado em uma aula prática de mecânica dos fluidos, o fluido manométrico é o mercúrio, de massa específica 13,6 g/cm3. Há água, de massa específica 1,00 g/cm3, no ramo esquerdo, e óleo, de massa específica 0,80 g/cm3, no ramo direito. Considerando a aceleração da gravidade local g = 10 m/s2, determine diferença de pressão, PB – PA, em kPa. Figura 24 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Solução: Sejam e os valores das pressões nas tubulações nos pontos A e B, respectivamente. Segue do enunciado que os pesos específicos do mercúrio, água e óleo são iguais a 136000; 10000 e 8000 N/m3. Assim, escrevemos a equação manométrica: Lembre-se de que, ao usarmos as medidas que constam na figura, as quais estão em centímetros, temos de transformá-las para metro. Daí, resolvendo a equação, temos que Logo, a diferença de pressão entre os pontos B e A é igual a 38,7 kPa. 2.3 Empuxo Acredito que todos que fazem a leitura deste material já entraram em uma piscina ou em um riacho. Ao fazê-lo, você já observou que nos sentimos mais leves quando estamos dentro da piscina? Pois bem, esse fato é explicado em virtude do surgimento de uma força normal orientada para cima, denominada empuxo. Note que o empuxo é um tipo de força, e suas unidades são: N, dyna, dentre outras. 36WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 2.3.1. Princípio de Arquimedes Todo corpo, quando imerso em um fluido, sofre ação da força empuxo, orientada verticalmente para cima, cuja intensidade é igual ao peso do fluido que esse corpo desloca. Escrevendo o princípio de Arquimedes como uma equação, temos Eq. (14) em que é o empuxo; a massa específica do fluido; g a aceleração gravitacional e é o volume de fluido deslocado. O peso aparente de um corpo submerso em um fluido é calculado como: Eq. (15) Exemplo 25 Um bloco no formato de um cubo de 10 cm de aresta é parcialmente submerso em um fluido até1/4 de sua altura. Dado que a massa específica do fluido é 900 kg/m3 e a aceleração gravitacional é igual a 10 m/s2, determine o empuxo sobre o bloco em N. Solução: Segue, do enunciado, que o volume de fluido deslocado é Assim, o valor do empuxo, é Logo, o valor do empuxo é igual a 37WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA CONSIDERAÇÕES FINAIS Nesta Unidade I, completamos nossos estudos quanto a alguns conceitos fundamentais da mecânica dos fluidos, tais como: força de cisalhamento, forças normais, tipos de fluidos e as propriedades de fluidos (massa específica, viscosidade, peso específico, tensão superficial e densidade). Discutimos, também, conceitos fundamentais em estática dos fluidos, a exemplo da lei de Stevin, princípio dos vasos comunicantes, princípio de Pascal e o princípio de Arquimedes. Por fim, foram apresentados alguns exercícios para fixação do conteúdo estudado. O objetivo geral desses exercícios de fixação é auxiliar você na estruturação da sua aprendizagem. Lembre-se de que a aprendizagem deve se iniciar de dentro para fora. Espero que você tenha apreciado os conteúdos estudados. Abraços e até a Unidade II! 3838WWW.UNINGA.BR U N I D A D E 02 SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO ...............................................................................................................................................................39 1. CARACTERIZAÇÃO DO MOVIMENTO DOS FLUIDOS ............................................................................................40 2. VELOCIDADE MÉDIA E VAZÃO ...............................................................................................................................46 3. A EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE ........................................................................................................................... 51 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...........................................................................................................................................59 CINEMÁTICA DOS FLUIDOS PROF. DR. RICARDO CARDOSO DE OLIVEIRA ENSINO A DISTÂNCIA DISCIPLINA: MECÂNICA DOS FLUIDOS 39WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Na maior parte das situações industriais, os fluidos não permanecem parados: eles escoam. A cinemática dos fluidos é a parte da mecânica dos fluidos que vai se preocupar com o fluido em movimento. Esse movimento, muitas vezes, é ocasionado por forças e/ou momentos. Nossos objetivos nesta unidade são: definir a velocidade e a aceleração de um fluido segundo as visões Lagrangiana e euleriana; definir vazão em volume e em massa; classificar os diversos tipos de escoamento e discutir como eles ocorrem; definir e aplicar a equação da continuidade para escoamentos em regime permanente. Convido a você para efetuar uma leitura minuciosa desta unidade e, em seguida, resolver os exercícios propostos. Agarre sua xícara de café, aperte o cinto e bons estudos! 40WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 1. CARACTERIZAÇÃO DO MOVIMENTO DOS FLUIDOS Em se tratando da cinemática dos fluidos, as grandezas deslocamento, velocidade e aceleração são de interesse de estudo. Ao realizarmos este estudo, precisamos definir um referencial. Em mecânica dos fluidos, há dois tipos de referenciais: o Lagrangiano e o Euleriano. De acordo com Potter e Wiggert (2004), o deslocamento, a velocidade e a aceleração das partículas são relacionados por meio de , e , respectivamente. O ponto define o ponto a partir do qual o movimento será estudado para cada partícula. Essa descrição do movimento é denominada de lagrangiana e, nela, a descrição do movimento das partículas individuais é observada em função do tempo. No entanto, essa versão de observação é um tanto trabalhosa,pois teríamos de acompanhar o movimento de todas as partículas fluidas ao longo do escoamento. Para facilitar os estudos, a versão euleriana foi desenvolvida. Nela, pontos são marcados no espaço e, daí, observam-se as partículas passando em cada ponto. Assim, por exemplo, podemos analisar as taxas de variação das grandezas com a posição e tempo. Assim, a região de escoamento é denominada de campo de escoamento e podemos expressar as grandezas deslocamento, velocidade e aceleração como função da posição e tempo: , e . O comportamento das funções deslocamento, velocidade e aceleração é descrito de maneira similar ao do cálculo vetorial. Exemplo 1 Um campo de velocidade tridimensional, incompressível e permanente, é dado pela equação onde as coordenadas x, y e z estão em centímetro e a velocidade, em cm/s. Para esse campo de escoamento, resolva os itens a seguir. A) Determine a velocidade de escoamento no ponto P(0,0,0). B) Um ponto de estagnação é aquele no qual a velocidade é identicamente nula. Para o escoamento em apreço, verifique a existência de ponto de estagnação e, em caso afirmativo, determine onde ele ocorre. Solução: A) Segue que, no ponto P(0,0,0), o vetor velocidade é . Assim, a velocidade é . Assim, no ponto P(0,0,0), a velocidade é, aproximadamente, igual a B) Como, no ponto de estagnação, a velocidade é identicamente nula, segue que isso ocorrerá quando as componentes do vetor velocidade forem identicamente nulas. Assim, temos que que pode ser reescrito como: 41WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA que, por sua vez, é um sistema de equações lineares. Aplicando-se a regra de Cramer, encontramos x = 3, y = 1 e z = 2. Logo, nesse campo de escoamento, há apenas um ponto de estagnação, o qual ocorre em E = (3, 1, 2). No exemplo 1, vimos a aplicação de um campo de escoamento para a velocidade. O campo de velocidade é escrito como em que , e são as componentes do vetor vecidade nas direções , e . O campo de aceleração é calculado por meio da equação em que , e são as componentes do vetor aceleração e dadas por: Exemplo 2 Considere o campo de velocidade descrito por meio da equação: em que as coordenadas x, y e z estão em centímetro e a velocidade, em cm/s. Determine o vetor campo de aceleração para o escoamento e determine a aceleração do escoamento no ponto P(0,0,0). Solução: Temos que , e . Assim, 42WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Dessa forma, o vetor aceleração é escrito como: e o vetor aceleração no ponto P(0,0,0) é Logo, a aceleração no ponto P(0,0,0) é 39,8 cm s2. Um fluido escoando pode ser entendido como um conjunto de partículas de fluidos em movimento. À medida que uma dessas partículas descreve sua trajetória, ela pode girar. As situações em que as partículas fluidas entram em rotação são de interesse da mecânica dos fluidos. Tais escoamentos são ditos rotacionais. Os escoamentos que não são rotacionais são denominados de irrotacionais. Em escoamentos rotacionais, temos a formação de vórtices. O vetor taxa de rotação , ou velocidade angular, é definido, matematicamente, como: Eq. (02) A vorticidade ( do escoamento é a medida da rotação da partícula fluida e é definida como o dobro do valor da velocidade angular e, matematicamente, é definida como: Eq. (03) 43WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 3 Um campo de velocidade tridimensional, incompressível e permanente, é dado pela equação onde as coordenadas x, y e z estão em centímetro e a velocidade, em cm/s. Verifique se esse campo de escoamento é rotacional ou irrotacional. Solução: Temos que , e . Para decidir se o escoamento é rotacional ou irrotacional, podemos aplicar a Eq. (03). Assim, o vetor vorticidade é e, para o escoamento em apreço, segue que Como o vetor vorticidade é diferente do vetor nulo, segue que o escoamento é rotacional. Em mecânica dos fluidos, um escoamento está em regime permanente quando a variável de interesse não depende do tempo em um ponto P do campo. Caso contrário, dizemos que o regime é transiente. No regime permanente, o fenômeno é descrito por uma equação algébrica, ao passo que, no regime transiente, o fenômeno é descrito por uma equação diferencial. Para ilustrar a situação, considere água escoando em um canal e água sendo drenada de um tanque cilíndrico, como ilustra a Figura 1. Se a vazão for constante e a geometria do canal não for alterada, podemos afirmar que a velocidade de escoamento no canal é constante ao longo de todo o canal, e isso ilustra o regime permanente. Considere, agora, o caso da drenagem do tanque: se não houver reposição de água no tanque, a altura do nível de água no interior do tanque diminuirá, fato que ocasionará diminuição do valor da velocidade de saída da água na parte inferior do tanque, o que ilustra o regime transiente. Os vórtices são movimentos espirais ou circulares ao redor de um centro de rotação. O vídeo Introdução à dinâmica dos fluidos: experimentos - escoamento numa pia vórtice mostra o vórtice em um escoamento. O link de acesso é https://www.youtube.com/watch?v=16iCr_kfZIo. 44WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 1 – Escoamento de água em um canal e drenagem de um tanque. Fonte: O autor. Um escoamento é unidimensional quando apenas uma coordenada espacial é requerida para especificar o campo de velocidades. Quando duas ou três coordenadas espaciais são requeridas para especificar o campo de velocidade de um escoamento, tais escoamentos são ditos bidimensionais ou tridimensionais, respectivamente. A Figura 2 ilustra as situações descritas. Figura 2 – Escoamento uni, bi e tridimensional. Fonte: Brunetti (2008). Em mecânica dos fluidos, é comum caracterizarmos um escoamento como sendo laminar, de transição ou turbulento. Para isso, recorremos ao número de Reynolds, que é um número adimensional definido pela Eq.(04): Eq. (04) em que é a massa específica do fluido; é a velocidade média de escoamento do fluido; D é o diâmetro da tubulação e é a viscosidade do fluido. O número de Reynolds é uma razão entre forças. O numerador desse número – – quantifica forças de inércia; o denominador – – quantifica as forças viscosas do escoamento. Um escoamento é dito laminar quando Re < 2000; quando 2000 < Re < 2400, o escoamento é dito de transição; quando Re > 2400, o escoamento é dito turbulento. O número de Reynolds é um número adimensional muito empregado em Mecânica dos Fluidos para caracterizar um escoamento laminar, de transição ou turbulento. No entanto, na equação desse número, aparece a grandeza diâmetro. A pergunta que surge é: “como determinar o número de Reynolds para tubulações que não apresentam seção transversal circular?”. E a resposta é simples: para essas situações, fazemos uso do diâmetro hidráulico. Assim, o diâmetro hidráulico é definido como a razão entre a área molhada e o perímetro molhado de uma dada seção transversal. 45WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA No escoamento laminar, as partículas fluidas movimentam-se ao longo de trajetórias bem definidas, apresentando lâminas. A viscosidade do fluido atua no sentido de amortecer a tendência de surgimento da turbulência. Esse tipo de escoamento é visto em situações em que o fluido apresenta baixa velocidade e altos valores de viscosidade. No escoamento turbulento, as partículas fluidas movimentam-se em trajetórias irregulares e com movimento aleatório, o que produz transferência da quantidade de movimento entre regiões do fluido. A distinção entre escoamento laminar e turbulento é ilustrada na Figura 3. Figura 3 – Escoamento laminar e turbulento. Fonte: O autor. Exemplo 4 Considere figura a seguir, que representa o aparato utilizado para reproduzir o experimentode Reynolds. Figura 4 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Na Figura 4: 1 - reservatório de 20 L; 2 - visor de nível de água; 3 – união; 4 - reservatório de corante; 5 - tubo de vidro, 13 mm de diâmetro interno; 6 - mangueira plástica. Considere que dois experimentos, realizados nesse módulo experimental, tenham as seguintes características: Experimento 1: água, massa específica = 1000 kg m3; viscosidade = 1cP; V = 0,02 m s. Experimento 2: água, massa específica = 1000 kg m3; viscosidade = 1cP; V = 0,22 m s. Para cada um dos experimentos, calcule o número de Reynolds e os classifique em laminar ou turbulento. Solução: Segue, da Eq.(04), que o número de Reynolds é definido por Dessa forma, para o experimento 1, temos que ; ; e V = 0,02 m s. Daí, 46WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Como Re < 2000, para o experimento 1, conclui-se que o escoamento é laminar. Por outro lado, no experimento 2, temos que ; ; e V = 0,22 m s. Daí, Como Re > 2000, para o experimento 2, conclui-se que o escoamento é turbulento. 2. VELOCIDADE MÉDIA E VAZÃO A vazão mássica é a quantidade de massa (m) que atravessa a seção transversal de uma tubulação por unidade de tempo (t), como ilustrado na Figura 5. Dessa forma, matematicamente, escrevemos: Eq. (04) Figura 5 – Escoamento de um fluido numa tubulação. Fonte: Brunetti (2008). A vazão volumétrica é o volume de fluido (Vol) que atravessa a seção transversal de uma tubulação por unidade de tempo (t). Dessa forma, matematicamente, escrevemos: Eq. (05) Note, na Figura 4, que, em um dado intervalo de tempo t, uma quantidade de massa m, que atravessou a seção transversal de área A, percorreu uma distância na tubulação, denotada por s. O produto entre as grandezas área (A) e a distância percorrida (s) define o volume de fluido na seção em observação. Assim, a Eq. (05) pode ser reescrita como: 47WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA No entanto, o quociente entre distância percorrida e tempo define, em física, a grandeza velocidade. Assim, Eq. (06) em que V é a velocidade média de escoamento do fluido no interior da tubulação. É obvio que a Eq. (06) só é verdadeira quando a velocidade na seção é uniforme. No entanto, a maior parte dos escoamentos não é unidimensional, e a aplicação da Eq. (06) fica comprometida. Daí, para resolvermos esse impasse, tomemos um elemento infinitesimal de área (dA), que corresponde a uma parte infinitesimal de volume (dQ), como ilustrado na Figura 6. Figura 6 – Elemento infinitesimal do escoamento. Fonte: Brunetti (2008). Assim, a Eq. (06) pode ser reescrita como: Ou, ainda, Eq. (07) Igualando-se as Eq. (06) e (07), segue que Resolvendo a equação para a velocidade média, temos que Eq. (08) 48WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A Figura 7 ilustra o perfil de velocidade e o significado da velocidade média para um fluido escoando em uma tubulação. Figura 7 – Perfil de velocidade em escoamento de fluidos em tubos. Fonte: Brunetti (2008). Exemplo 5 Uma torneira leva 200 s para encher um tanque de água de volume 10 litros. Considerando que a área de saída da torneira é A = 5 cm2, determine a velocidade de saída Vs da água na torneira, em m/s. Solução: Considerando regime permanente e aplicando-se a Eq. (05), temos que a vazão volumétrica é igual a Agora, aplicando-se a Eq. (06), segue que a velocidade de saída da água será igual a Logo, a velocidade de saída da água pela torneira é igual a Exemplo 6 (FGV) Considerando uma rede de esgotos que escoa por uma tubulação circular de 100 mm de diâmetro, determine a vazão desse esgoto, sendo a velocidade do fluido de 1,5 m/s: (A) 0,0118 L/s. (B) 11,8 L/s. (C) 117,8 L/s. (D) 5,54 L/s. (E) 15,54 L/s. Solução: Considerando o regime permanente e aplicando-se a Eq. (06), segue que Logo, a vazão volumétrica é, aproximadamente, igual a . Logo, responde à questão a alternativa (B). 49WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 7 O perfil de velocidade em um escoamento laminar, incompressível e completamente desenvolvido entre em um tubo circular de 15 m de comprimento é dado pela expressão: em que R é o raio do tubo, r é a distância radial do centro do tubo e é a velocidade máxima do escoamento que ocorre no centro do tubo, como mostrado na Figura 8. Figura 8 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Nessa situação, considerando que o fluido em escoamento seja newtoniano de massa específica 1000 , e que o raio da tubulação é R = 10 cm, determine a velocidade média desse escoamento, em . Solução: Considerando regime permanente e fluido incompressível, temos, do enunciado, que o perfil de velocidade do escoamento pode ser escrito como: Da Eq. (08), temos que Na situação descrita, como a tubulação apresenta seção transversal na forma de círculo, segue que e, daí, . Assim, reescrevemos a Eq. (08) como: Alguns problemas em Engenharia são resolvidos de maneira satisfatória ao se admitir que o fluido apresenta comportamento incompressível. Diz-se que um fluido é incompressível, tanto para escoamento em regime permanente como transiente, quando a relação entre a massa ocupada pelo fluido e o seu volume é constante; isto é, a massa específica tem valor constante na pressão e na temperatura de trabalho. Esse fato é observado com frequência em líquidos que apresentam pouca variação de volume quando comprimidos. Por outo lado, os gases, quando comprimidos, podem ter seu volume variado de forma significativa, o que, por sua vez, acarretará variação da massa específica. 50WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Na integral anterior, como o escoamento é unidimensional, a variação da velocidade é na direção radial, e o raio está variando de 0 a 0,10m. Assim, Portanto, a velocidade média de escoamento é igual a . Da Unidade I, sabemos que . Daí, substituindo na Eq. (04), segue que Substituindo a Eq. (05), a equação anterior resulta em Eq. (09) Substituindo a Eq. (06) na Eq. (09), resulta-se em Eq. (10) Exemplo 8 Calcule a vazão mássica e volumétrica de um líquido que escoa por uma tubulação de 0,3 m de diâmetro, sendo que a velocidade de escoamento é igual a 1,0 m/s e a massa específica do fluido é igual a 950 kg m3. Solução: Admitindo regime permanente, fluido incompressível e aplicando a Eq. (10), segue que Logo, a vazão mássica de escoamento é, aproximadamente, igual a 51WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 9 Um fluido incompressível escoa, permanentemente, com velocidade de 0,8 m s em uma tubulação cilíndrica com 5,0 cm de diâmetro. Se a massa específica do fluido é igual a 750 kg m3, determine a vazão mássica do escoamento. Solução: Admitindo regime permanente, fluido incompressível e aplicando a Eq. (10), segue que Logo, a vazão mássica de escoamento é, aproximadamente, igual a 3. A EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE Considere um fluido escoando em uma tubulação, como apresentado na Figura 9. De acordo com a lei da conservação da massa, esta não pode ser criada nem destruída, o que implica sua conservação. Dessa forma, toda massa que entra no sistema em (1) deve sair em (2). Figura 9 – Escoamento de fluido em tubulação e lei de conservação da massa. Fonte: Brunetti (2008). Esse fato fica equacionado como: Eq. (10) Substituindo a Eq. (10), segue que Eq. (11) 52WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 10 Um gás escoa, em regime permanente, no trecho de uma tubulação como apresentado na Figura 10. Figura 10 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Na seção (A), tem-se área igual a 20 cm2, massa específica 4 kg/m3 e velocidade igual a 30 m/s. Na seção (B), tem-seárea igual a 10 cm2, massa específica 12kg/m3. Qual a velocidade na seção (B)? Solução: Admitindo regime permanente e aplicando a Eq. (11), segue que Substituindo os valores apresentados no enunciado, temos Logo, a velocidade na seção B é igual a . Exemplo 11 Considere o escoamento de um fluido de processo industrial em um tubo convergente- divergente, tal como o da Figura 11. Considerando-se o escoamento do fluido em regime permanente através do tubo de Venturi apresentado e que o índice 1 se refere à seção de entrada do tubo e o 2, à seção da garganta, tem-se, para a velocidade na seção de entrada, em m/s, Figura 11 – Representação do exercício. Fonte: O autor. (A) 2 (B) 4 (C) 6 (D) 12 (E) 18 Solução: Admitindo regime permanente, fluido incompressível e aplicando a Eq. (11), segue que Como o fluido em apreço é incompressível, segue que sua massa específica não será modificada no escoamento. Assim, temos que 53WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Daí, Logo, a velocidade na seção 1 é igual a . Caso o sistema da Figura 7 apresentasse n entradas e m saídas, a Eq. (11) fica reescrita como Eq. (12) A Eq. (12) é conhecida como equação da continuidade, ou lei da conservação da massa, e é sempre empregada quando o sistema em observação está em regime permanente. O transporte do petróleo do oceano até às refinarias e indústrias é feito por meio de oleodutos, gasodutos, navios petroleiros e terminais marítimos. O vídeo Escoamento de óleo por oleodutos apresenta esse transporte realizado pela Petrobras. O link de acesso é o https://www.youtube.com/watch?v=BmZnA4CjN1o. As tubulações em série são formadas por trechos de características distintas, interligadas nas extremidades e que conduzem vazão constante de um dado fluido. Por outro lado, as tubulações em paralelo são aquelas que possuem as extremidades de montante reunidas em um só ponto, e as de jusante, em outro ponto. 54WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 12 A Figura 12 ilustra dois sistemas com múltiplos tubos. Com relação à vazão (Q) dos dois sistemas, verifica-se que Figura 12 – Representação do exercício. Fonte: O autor. (A) Sistema 1: Q=Q1=Q2=Q3; Sistema 2: Q=Q1+Q2+Q3. (B) Sistema 1: Q=Q1+Q2+Q3; Sistema 2: Q=Q1=Q2=Q3. (C) Sistema 1: Q=Q1=Q2=Q3; Sistema 2: Q=(Q1+Q2+Q3)/3. (D) Sistema 1: Q=(Q1+Q2+Q3)/3; Sistema 2: Q=Q1=Q2=Q3. (E) Sistema 1: Q=Q1=Q2=Q3; Sistema 2: Q=Q1=Q2=Q3. Solução: Para o sistema 1 de tubulações, temos três tubos em série, e a vazão é igual nos três tubos. Assim, no sistema 1: Q=Q1=Q2=Q3. Para o sistema 2 de tubulações, temos três tubos em paralelo. Admitindo-se que os diâmetros sejam iguais, temos que as vazões em cada ramo são iguais. Daí, para o sistema 2, Q=Q1+Q2+Q3. Portanto, responde à questão a alternativa (A). Exemplo 13 Um propulsor a jato queima 1,5 kg s de combustível quando o avião está à velocidade de 200 , como ilustrado pela Figura 13. Considerando que a massa específica do ar é igual a 1,2 kg , dos gases de combustão de 0,5 kg e que, na figura A1 = 0,45m 2 e A2 = 0,30 m2, determine a velocidade de saída dos gases de combustão (V2). Figura 13 – Representação do exercício. Fonte: O autor. 55WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Solução: Considerando regime permanente e fluido incompressível, a equação da continuidade para múltiplas entradas e saídas é escrita como Como temos duas entradas e uma saída, a equação fica reescrita como: em que os subíndices 1 e 2 denotam as entradas, e 3 denota a saída. Como as massas específicas das duas entradas e da saída são distintas, não podemos simplificar a expressão anterior. Substituindo-se os valores, segue que Logo, a velocidade de saída dos gases de combustão é igual a . Exemplo 14 Considere o escoamento em estado estacionário de um fluido incompressível com massa específica igual a 3,0 × 103 kg/m3 através da tubulação da Figura 14. Admitindo que as vazões mássicas nos pontos 2 e 3 (da figura a seguir) equivalem a 4,5 kg/s e 3 kg/s, respectivamente, determine a vazão volumétrica no ponto 1, em m3/h. Figura 14 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Solução: Considerando o regime permanente, fluido incompressível e aplicando a Eq. (12), segue que Aplicando a Eq. (09), segue que a vazão volumétrica é Portanto, a vazão volumétrica no ponto é igual a . 56WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Exemplo 15 Considere o escoamento permanente de água em uma junção em T que une três tubos. As áreas das seções dos tubos são iguais a 0,15 m2, 0,2 m2 e 0,1 m2, respectivamente. Sabe-se, também, que a água entra apenas pela seção de área 0,15 m2. Há um vazamento para fora na junção, com vazão volumétrica estimada em 0,05 m3/s. As velocidades médias nas seções de 0,15 m2 e 0,1 m2 são de 15 m/s e 10 m/s, respectivamente. Qual o módulo da velocidade de escoamento no tubo de seção 0,2 m2, em m/s? (A) 1,5 (B) 2 (C) 3 (D) 5 (E) 6 Solução: Considerando regime permanente e fluido incompressível, a equação da continuidade para múltiplas entradas e saídas é escrita como Como temos uma entrada e três saídas (a terceira saída é a perda devido ao furo), a equação fica reescrita como: em que os subíndices 2 e 3 denotam saídas, 1 denota entrada e p, as perdas pelo vazamento. Como o fluido é o mesmo (água) e é incompressível, a equação anterior é reescrita como: Logo, a velocidade de saída na seção 2 é igual a , e responde à questão a alternativa (E). Exemplo 16 (CESGRANRIO) Um fluxo de água de 8,0 litros/s entra em uma extremidade de uma tubulação de raio R. O fluxo se divide e sai por duas extremidades de raio R/2. Na saída 1, o fluxo é de 2,0 litros/s, como ilustrado na Figura 15. Figura 15 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Nessas condições, qual é a razão entre a velocidade na saída 2 e a velocidade na saída 1? 57WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA (A) 0,33 (B) 0,50 (C) 1,0 (D) 2,0 (E) 3,0 Solução: Considerando regime permanente e fluido incompressível, a equação da continuidade para múltiplas entradas e saídas é escrita como Como temos uma entrada e três saídas (a terceira saída é a perda devido ao furo), a equação fica reescrita como: em que os subíndices 1 e 2 denotam saídas. Como o fluido é o mesmo (água) e é incompressível, a equação anterior é reescrita como: Daí, a razão entre as velocidades 1 e 2 é calculada como na Eq. (06): Observe que . Daí, Portanto, responde à questão a alternativa (E). Exemplo 17 Um fluido de processo industrial ( = 1000 kg/m³.) é descarregado do reservatório (1) para os reservatórios (2) e (3), como ilustrado na Figura 16. Figura 16 – Representação do exercício. Fonte: O autor. Sabendo-se que Q2 = 3/4Q3 e que Q1 = 10 l/s: A) Determine os diâmetros das tubulações (2) e (3), sabendo-se que a velocidade de saída é v2 = 1m/s e v3 = 1,5m/s. B) Determine o tempo necessário para se encherem completamente os reservatórios (2) e 58WWW.UNINGA.BR M EC ÂN IC A DO S FL UI DO S | U NI DA DE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA (3). Solução: Considerando o regime permanente, fluido incompressível e aplicando-se a Eq. (12), segue que Ou, ainda, e, ainda, . Aplicando a Eq. (06), temos que Admitindo que as seções transversais sejam circulares, segue que os diâmetros das tubulações 2 e 3 são iguais a Logo, os diâmetros das tubulações 2 e 3 são, respectivamente, aproximadamente iguais a e Para determinarmos os tempos necessários para encher os tanques 2 e 3, usaremos a Eq. (05). Assim, Logo, os tempos necessários para encher os tanques 2 e 3 são, aproximadamente, iguais a e , respectivamente. Em sua oitava edição, Introdução à Mecânica dos Fluidos, dos
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