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Unidade II ESTÁTICA DOS FLUIDOS Profa. Thaís Cavalheri 1. Estática dos fluidos Regras da estática aplicam-se aos fluidos em repouso. Fluido em repouso: Desconsidera-se tensão de cisalhamento. Somente forças normais à superfície. Elemento do fluido em repouso: elemento em equilíbrio. Soma das componentes das forças é zero. Soma dos momentos das forças em qualquer ponto é zero. Fonte: livro-texto 1.1 Empuxo Princípio físico: um corpo imerso na água aparenta peso menor do que quando inserido no ar. Se ρcorpo < ρfluido o corpo flutua. Princípio de Arquimedes. Corpo parcial ou completamente imerso em um fluido: Fluido exerce a força de empuxo sobre o corpo; Sempre debaixo para cima; Igual ao peso do volume do fluido deslocado pelo corpo. fluido fluido fluido fluido fluido fluido m mρ = → = ρ ⋅∀ ∀ fluido fluido fluidoE m g E g= ⋅ → = ρ ⋅∀ ⋅ 1.1 Empuxo Densidade do objeto determina se ele flutua. Situação A: ρcorpo = ρfluido FRcorpo = 0 (posição de equilíbrio). Situação B: ρcorpo > ρfluido Frcorpo = ↓ (fundo do reservatório). Situação C: ρcorpo < ρfluido Frcorpo = ↑ (corpo flutua). Quanto maior for ρfluido menor será a parte submersa. Fonte: livro-texto 1.1 Empuxo Expressão para definir a fração submersa do objeto: Sendo: ∀sub = volume submerso do objeto. ∀fl = volume de fluido deslocado. ∀sub = ∀fl Sendo: ρobj = densidade do objeto. ρfl = massa específica do fluido. Objeto flutua mobj = mfl deslocado. Razão < 1 objeto flutua. Razão > 1 objeto afunda. Razão = 1 objeto suspenso no fluido. subfl obj obj ∀∀ = ∀ ∀ fl fl fl objobj obj m m ∀ ρ = ∀ ρ obj fl fração submersa ρ = ρ 1.1 Empuxo Peso real e peso aparente Quando o objeto está submerso em um fluido, ele parecerá mais leve. O objeto sofre uma perda de peso igual ao peso do fluido deslocado. Exemplo: Moeda submersa em água. água água moeda água m ∀ = = ∀ ρ moeda moeda moeda m ρ = ∀ águam 8,630 7,800= − Fonte: livro-texto 1.2 Pressão A pressão é uma grandeza escalar. Dimensão: Sistema MLT ML-1T-2 Sistema FLT FL-2 Unidades: N/m2 = Pascal (Pa) 1 bar = 105 Pa 1 atm = 1,01x105 Pa F ForçaP A Área = → Fonte: livro-texto 1.3 Lei de Stevin Considere um reservatório: Pressão exercida no fundo do reservatório: [1] Massa do fluido: [2] Volume do fluido: [3] A: a área da base do reservatório; h: a altura do fluido. Substituindo [3] em [2]: [4] Substituindo [4] em [1]: P a uma h no fluido depende somente da h. m gP A ⋅ = m = ρ ⋅∀ A h∀ = ⋅ m A h= ρ ⋅ ⋅ A h gP P h g A ρ ⋅ ⋅ ⋅ = → = ρ ⋅ ⋅ Fonte: livro-texto 1.3 Lei de Stevin Considere um reservatório: Pressão na superfície do fluido y1 P1 = pressão atmosférica. Pressão na profundidade y2 Sendo , a pressão no ponto y2 representa a pressão absoluta, em ponto e determinada profundidade. 2 2P y g= ρ ⋅ ⋅ 2 1P P P∆ = − 2 1 2P P P y g∆ = − = ρ ⋅ ⋅ 2 atm 2P P y g= + ρ ⋅ ⋅ entre pressão absoluta e pressão atmosférica = pressão manométrica. P∆ Fonte: livro-texto 1.4 Vasos comunicantes Tubo em forma de U: Preenchido com dois fluidos imiscíveis; Encontram-se em equilíbrio hidrostático; Pressões pontos no mesmo nível são iguais; Fluido B mais alto que fluido A ρB < ρA. Lado direito: Lado esquerdo: Sendo: int atm AP P L g= + ρ ⋅ ⋅ int atm BP P (L d) g= + ρ ⋅ + ⋅ int intP (lado direito) P (lado esquerdo)= atm A atm BP L g P (L d) g+ ρ ⋅ ⋅ = + ρ ⋅ + ⋅ A BL (L d)ρ ⋅ = ρ ⋅ + Fonte: livro-texto Observações importantes: Relação final: Alturas medidas a partir da separação entre os fluidos são inversamente proporcionais às suas ρ. Não dependência da Patm e de g. Vasos comunicantes: utilizados para estabelecer relações entre ρ de dois ou mais tipos de fluidos. A BL (L d)ρ ⋅ = ρ ⋅ + 1.4 Vasos comunicantes Fonte: livro-texto 1.5 Princípio de Pascal Fluido em um sistema fechado pressão aumentada por uma força aplicada. O que acontece? Átomos do fluido livres para se movimentar; Transmitem a pressão para todas as partes do fluido; Transmitem a pressão às paredes do recipiente; Portanto, a pressão transmitida não se altera. ∴ Lei de Pascal uma mudança na pressão aplicada a um fluido fechado é transmitida, sem diminuir, a todas as porções do fluido e também às paredes do recipiente. 1.5 Princípio de Pascal Aplicações do Princípio de Pascal sistema hidráulico: Sistema de fluido fechado utilizado para exercer forças. Sistemas mais comuns: Freios de carros; Prensas hidráulicas. Sistema hidráulico típico: Dois cilindros; Cheios de fluido; Fechados com pistões; Ligados por um linha hidráulica. Fonte: livro-texto 1.5 Princípio de Pascal Aplicando a Lei de Pascal ao sistema hidráulico: Pressão no pistão esquerdo: Pressão no pistão direito: Pressão é transmitida pelo fluido: Exemplo: F1 = 100 N; A2 = 5.A1 1 1 1 FP A = 2 2 2 FP A = 1 2 1 2 1 2 F FP P A A = → = 2 2 1 1 F100 F 500N A 5A = → = 1 2 1 2 F F A A = Fonte: livro-texto Interatividade A figura representa vasos comunicantes, com dois fluidos imiscíveis e homogêneos. Sabendo que o sistema encontra-se em equilíbrio hidrostático, determine a razão entre as massas específicas do fluido B e do fluido A. a) 0,56 b) 2,79 c) 0,65 d) 0,83 e) 1,24 Fonte: livro-texto Resposta A figura representa vasos comunicantes, com dois fluidos imiscíveis e homogêneos. Sabendo que o sistema encontra-se em equilíbrio hidrostático, determine a razão entre as massas específicas do fluido B e do fluido A. a) 0,56 b) 2,79 c) 0,65 d) 0,83 e) 1,24 Fonte: livro-texto Solução da interatividade Solução: A 1 2 B 3g (h h ) g hρ ⋅ ⋅ − = ρ ⋅ ⋅ B 1 2 A 3 (h h ) h ρ − = ρ B B A A (22 12) 0,83 12 ρ ρ− = → = ρ ρ Fonte: livro-texto 2. Medidores de pressão Divididos em dois grupos: Barômetros: Medidor de pressão atmosférica. Manômetros: Medidor de pressão relativa à atm: pressão manométrica. Fonte: http://global.britannica.com/technology/barometer Fonte: http://www.clasohlson.com/uk/Manometer-- 0-6-bar/50-8987 2.1 Barômetro Princípio de Funcionamento: Força que a Patm exerce sobre a superfície livre do fluido; Consequência: o fluido subirá pelo tubo; Altura da coluna: Pressão barométrica pressão absoluta; Como altímetro: pressão varia com a altitude. Fonte: http://ecalculo.if.usp.br/historia/torricelli.htm Torricelli (1643) atm HgP g h= ρ ⋅ ⋅ PC = PB Patm = PA + ρHg.g.h = 0 + 1,36.104.9,8.0,68 Patm = 90630 N/m2 = 90,63 kPa Fonte: livro-texto Pressão no ponto A Pressão no ponto B 2.2 Manômetros Manômetro de tubo piezométrico: Medidor muito simples. Tubo aberto na parte superior ligado a um recipiente contendo fluido a uma pressão maior que a atmosférica. Aberto à atmosfera pressão relativa à atmosférica. Limitações: Usado somente para líquidos; Tamanho adequado: acusar as alterações na pressão. A 1P g h= ρ ⋅ ⋅ B 2P g h= ρ ⋅ ⋅ Fonte: livro-texto Exemplo de aplicação Considere um piezômetro com uma inclinação de 30o em relação à horizontal. Sabendo que o fluido A é água eo B é mercúrio, determine a pressão P1. Dados: ρH2O = 1,00.103 kg/m3 ρHg = 1,36.104 kg/m3 Fonte: livro-texto Exemplo de aplicação h1 = C1.sen30o h2 = C2.sen30o P1 = ρH2O.g.h1 + ρHg.g.h2 P1 = ρH2O.g. C1.sen30o + ρHg.g. C2.sen30o P1 = 1,00.103.10.(0,15.sen30o) +1,36.104.10.(0,15.sen30o) P1 = 7550 P1 = 7,5 kPa Fonte: livro-texto Manômetro metálico ou manômetro de Bourdon: Amplamente utilizado na indústria. Tubo flexível com formato em “C”. Aplica-se pressão sobre o tubo ele se flexiona. Transmite o movimento deflete o ponteiro. Região interna P1 Região externa P2 Manômetro P1 – P2 Fonte: https://pt.wikipedia.org /wiki/Tubo_Bourdon 2.2 Manômetros Fonte: livro-texto As câmaras estão pressurizadas com ar comprimido. Determine a leitura do manômetro 1. Dado: ρH2O = 1,00.103 kg/m3 Manômetro 2 PM2 = PAR2 – Patm 200000 = PAR2 – Patm PAR2 = 200000 + Patm PM1 = PAR2 – PAR1 PM1 = (200000 + Patm) – (Patm + 2000) PM1 = 198000 N/m2 = 198 kPa Exemplo de aplicação Manômetro 1 PAR1 = Patm + ρH2O.g.h PAR1 = Patm + 1000.10.0,2 PAR1 = Patm + 2000 N/m2 Fonte: livro-texto Interatividade Determine a leitura do manômetro metálico. Dados: ρM = 600 kg/m3 e ρH2O = 1,00.103 kg/m3 a) 400 N/m2 b) 40 N/m2 c) 0,40 N/m2 d) 400 kN/m2 e) 4,00 N/m2 Fonte: livro-texto Resposta Determine a leitura do manômetro metálico. Dados: ρM = 600 kg/m3 e ρH2O = 1,00.103 kg/m3 a) 400 N/m2 b) 40 N/m2 c) 0,40 N/m2 d) 400 kN/m2 e) 4,00 N/m2 Fonte: livro-texto Solução da interatividade PAR + ρM.g.h = Patm + ρH2O.g.(h3 – h2) PAR = Patm + ρH2O.g.(h3 – h2) - ρM.g.h PM = Patm + ρH2O.g.(h3 – h2) - ρM.g.h – Patm = ρH2O.g.(h3 – h2) - ρM.g.h PM = 1000.10.(0,3 – 0,2) - 600.10.0,1 PM = 400 N/m2 Sabendo que: PM = PTOMADA(PAR) - PEXTERNA(Patm) Fonte: livro-texto Manômetro de tubo em U: Medidor de pressão de líquidos e gases. O tubo em U é conectado ao reservatório e preenchido com fluido manométrico. Fluidos do reservatório e do tubo imiscíveis. Fonte: http://www.radongas.com/troubleshooting.htm Tubo em U medindo Tubo em U não medindo 2.2 Manômetros Lado esquerdo: Lado direito: A pressão em um fluido estático é a mesma em qualquer nível horizontal (PB = PC). B A 1P P g h= + ρ ⋅ ⋅ C man 2P g h= ρ ⋅ ⋅ A 1 man 2P g h g h+ ρ ⋅ ⋅ = ρ ⋅ ⋅ A man 2 1P g h g h= ρ ⋅ ⋅ − ρ ⋅ ⋅ Se o fluido a ser medido for um gás: (ρgás << ρman ) A man 2P g h= ρ ⋅ ⋅ 2.2 Manômetros Fonte: livro-texto Exemplo de aplicação Considere um tubo em U e, no seu interior, estão três líquidos imiscíveis. Sabendo que as massas específicas dos fluidos 1, 2 e 3 são: ρ1, ρ2 e ρ3, respectivamente, determine o valor da cota L. A B ρ1.g.L1 + ρ2.g.(L – L1) = ρ3.g.L ρ1.L1 + ρ2.L – ρ2.L1 = ρ3.L ρ2.L – ρ3.L = ρ2.L1 - ρ1.L1 L.(ρ2 – ρ3) = L1(ρ2 - ρ1) ( ) ( ) 2 1 1 2 3 L L – ρ − ρ = ρ ρ Fonte: livro-texto 2.3 Equação manométrica Determinar a pressão de um dos reservatórios. Determinar a diferença de pressão entre os dois reservatórios. Sistema em equilíbrio pressão no mesmo nível será a mesma. Pressão fundo-lado esquerdo = pressão fundo-lado direito. Pfe = Pfd Exemplo: manômetro diferencial Fonte: livro-texto No equilíbrio 2.3 Equação manométrica Exemplo: manômetro diferencial fe A A 1 2 M 2P P (h h ) h= + γ ⋅ − + γ ⋅ fd B B 4 3 M 3P P (h h ) h= + γ ⋅ − + γ ⋅ fe fdP P∴ = A A 1 2 M 2 B B 4 3 M 3P (h h ) h P (h h ) h+ γ ⋅ − + γ ⋅ = + γ ⋅ − + γ ⋅ A B B 4 3 M 3 A 1 2 M 2P P (h h ) h (h h ) h− = γ ⋅ − + γ ⋅ − γ ⋅ − − γ ⋅ Lado esquerdo Lado direito Fonte: livro-texto 2.4 Escolha do manômetro Vantagens: Eles são muito simples; Não é necessário calibração: a pressão pode ser calculada a partir dos princípios físicos. Desvantagens: Resposta lenta: úteis para pressões que variam lentamente; Difícil medir pequenas variações de pressão; Não indicados para medidas de grandes pressões. Manômetros frente a outros medidores de pressão: Interatividade Determinar a PA em kPa, sabendo que o fluido 2 é mercúrio e o fluido 1, água. Dados: ρHg = 1,36.104 kg/m3 e ρH2O = 1,00.103 kg/m3 a) 2,67 b) 26,7 c) 267 d) 0,267 e) 0,027 Fonte: livro-texto Resposta Determinar a PA em kPa, sabendo que o fluido 2 é mercúrio e o fluido 1, água. Dados: ρHg = 1,36.104 kg/m3 e ρH2O = 1,00.103 kg/m3 a) 2,67 b) 26,7 c) 267 d) 0,267 e) 0,027 Fonte: livro-texto Solução da interatividade PC = PD PA + ρH2O.g.h2 = ρHg.g.(h3 – h1) PA = ρHg.g.(h3 – h1) - ρH2O.g.h2 Na medida da pressão manométrica, pode-se desconsiderar a pressão atmosférica. PA = 1,36.104.10.(0,3 – 0,1) – 1,00.103.10.(0,05) PA = 26700 PA = 26,7 kPa Fonte: livro-texto Força em uma superfície plana: Todas as forças agindo podem ser representadas por uma. Força resultante atuará perpendicularmente à superfície. Ponto de atuação = centro de pressão (CP). FCP: força resultante aplicada no centro de pressão. Pressão é igual em todos os pontos da superfície. F = pressão x área da superfície plana. 3. Comporta – superfície plana 3. Comporta – superfície plana Distribuições de força e pressão que um líquido exerce sobre uma superfície submersa plana vertical: Fonte: livro-texto A pressão pode variar desde zero (superfície livre) até MN. Pressão: variação linear com a profundidade do plano. Portanto, a pressão varia de ponto a ponto. FR do lado do plano vertical em que está contido o líquido: sendo: dA = área elementar da superfície em que age P. FR = age no CP, abaixo do centro de gravidade (CG). 3. Comporta – superfície plana F P dA= Σ ⋅ Superfície plana submersa: Antes: vertical Após: inclinada (θ) em relação à superfície. A fim de determinar FR, considere: h = profundidade qualquer; y = distância de h até a superfície livre. 3. Comporta – superfície plana Fonte: livro-texto No elemento de área dA, a pressão é CTE: Por definição: Combinando as equações: ∴Força independe de θ entre a superfície livre e a superfície plana submersa. 3. Comporta – superfície plana dF P dA P h h y sen= ⋅ → = γ ⋅ = ⋅ θ dF y sen dA= γ ⋅ ⋅ θ ⋅ F sen y dA= γ ⋅ θ ⋅∫ CG 1y y dA A = ⋅∫ CGF sen y A= γ ⋅ θ ⋅ ⋅ CG CG e CG CG CGh y sen P h F P A= ⋅ θ = γ ⋅ ⇒ = ⋅ Centro das Pressões (CP): Força elementar: Momento de uma força: F aplicada a yCP do polo: Momento de inércia Substituindo IO na equação anterior: 3. Comporta – superfície plana dF y sen dA= γ ⋅ ⋅ θ ⋅ 2y dF y( y sen dA) y dF y sen dA⋅ = γ ⋅ ⋅ θ ⋅ → ⋅ = γ ⋅ ⋅ θ ⋅ 2 2 CP CPy dF y sen dA y F sen y dA⋅ = γ ⋅ ⋅ θ ⋅ → ⋅ = γ ⋅ θ ⋅∫ 2 OI y dA= ⋅∫ CP Oy F sen I⋅ = γ ⋅ θ ⋅ Teorema dos eixos paralelos: F aplicada a yCP do polo: 3. Comporta – superfície plana O O CP CG sen I sen Iy F sen y A γ ⋅ θ ⋅ γ ⋅ θ ⋅ = → γ ⋅ θ ⋅ ⋅ O CP CG Iy y A = ⋅ 2 O CG CGI I y A= + ⋅ 2 O CG CG CG CP CP CG CG CG CG I I y A Iy y y y A y A y A + ⋅ = → → = + ⋅ ⋅ ⋅ Momentos de inércia para geometrias comuns em relação ao eixo que passa no CG e paralelo ao eixo x: 3.1 Momento de inércia Fonte: livro-texto Exemplo de aplicação Uma comporta quadrada pode girar ao redor do ponto D. Determine a força F para que o sistema permaneça em equilíbrio, sabendo que o fluido é água. Fonte: livro-texto Exemplo de aplicação CG encontra-se no centro da comporta: Força de pressão aplicada no CP: yy ' 1,2m 2 = = 2 2 PF P A g y ' y 10000 1,2 2,4 64120N= ⋅ → ρ ⋅ ⋅ ⋅ → ⋅ ⋅ = 4 CG CP CP 2 y I 12yy ' y y ' yy ' A y2 − = → − = ⋅ ⋅ 4 CP 2 (2,4) 12y y ' 0,4m2,4 (2,4)2 − = = ⋅ Fonte: livro-texto Exemplo de aplicação ...continuando: CP yx (y y ') 0,8m 2 = − − = P P F xF y F x F y ⋅ ⋅ = ⋅ → = P 69120 0,8F y F x F 2,4 ⋅ ⋅ = ⋅ → = F 23040N= Fonte: livro-texto Interatividade A comporta vista de perfil permanece fechada devido à ação da força F, sabendo que a pressão no fundo do reservatório é de 4,8.104 N/m2. A comporta possui dimensões quadradas e contém um fluido com γ = 3,0. 104 N/m2. Encontre o valor de F. a) 2035 kN b) 3048 N c) 20035 N d) 2035 N e) 12487 N Fonte: livro-texto Resposta A comporta vista de perfil permanece fechada devido à ação da força F, sabendo que a pressão no fundo do reservatório é de 4,8.104 N/m2. A comporta possui dimensões quadradas e contém um fluido com γ = 3,0. 104 N/m2. Encontre o valor de F. a) 2035 kN b) 3048 N c) 20035 N d) 2035 N e) 12487 N Fonte: livro-texto Solução da interatividade Força de pressão aplicada no CP: 2 4 2 PF P A y ' y 3,0.10 0,8 1,6 61440N= ⋅ → γ ⋅ ⋅ → ⋅ ⋅ = 4 CG CP CP 2 y I 12y y ' y y ' yy ' A y2 − = → − = ⋅ ⋅ 4 CP 2 (1,6) 12y y ' 0,2667m1,6 (1,6)2 − = = ⋅ Fonte: livro-texto Solução da interatividade ... continuando: CP yx (y y ') 0,53m 2 = − − = P P F xF y F x F y ⋅ ⋅ = ⋅ → = P 61440 0,53F y F x F 1,6 ⋅ ⋅ = ⋅ → = F 2035N= Fonte: livro-texto ATÉ A PRÓXIMA! Slide Number 1 1. Estática dos fluidos 1.1 Empuxo 1.1 Empuxo 1.1 Empuxo 1.1 Empuxo 1.2 Pressão 1.3 Lei de Stevin 1.3 Lei de Stevin 1.4 Vasos comunicantes 1.4 Vasos comunicantes 1.5 Princípio de Pascal 1.5 Princípio de Pascal 1.5 Princípio de Pascal Interatividade Resposta Solução da interatividade 2. Medidores de pressão 2.1 Barômetro 2.2 Manômetros Exemplo de aplicação Exemplo de aplicação 2.2 Manômetros Exemplo de aplicação Interatividade Resposta Solução da interatividade 2.2 Manômetros 2.2 Manômetros Exemplo de aplicação 2.3 Equação manométrica 2.3 Equação manométrica 2.4 Escolha do manômetro Interatividade Resposta Solução da interatividade 3. Comporta – superfície plana 3. Comporta – superfície plana 3. Comporta – superfície plana 3. Comporta – superfície plana 3. Comporta – superfície plana 3. Comporta – superfície plana 3. Comporta – superfície plana 3.1 Momento de inércia Slide Number 45 Exemplo de aplicação Exemplo de aplicação Exemplo de aplicação Interatividade Resposta Solução da interatividade Solução da interatividade Slide Number 53
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