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MECÂNICA DOS FLUIDOS AULA 1 Profª Carina Pedrozo 2 CONVERSA INICIAL O entendimento dos primeiros conceitos, do conhecimento, da interpretação e da utilização dos estudos sobre mecânica dos fluidos é fundamental para o engenheiro. Nesta disciplina, será possível analisar algumas interpretações físicas de atividades cotidianas e observar de maneira científica algumas movimentações naturais, como as ondas do mar, mergulho em piscina ou abertura de um tanque, bem como as forças envolvidas na decolagem de um avião, na navegação de uma balsa ou na utilização de aerofólio em carros de corrida. Nesta aula, serão apresentados os seguintes tópicos: • Histórico da mecânica dos fluidos; • Introdução e aplicações; • Revisão das leis do movimento; • Unidades utilizadas; • Modelagem e técnicas de resolução. Os objetivos esperados para esta aula são: conhecer a história da mecânica dos fluidos, as regiões de crescimento e os primeiros estudiosos, como também as principais aplicações desta disciplina. A seguir, será realizada uma pequena revisão da interpretação das leis de movimento e classificação de escoamentos, bem como uma análise das principais unidades utilizadas na disciplina. TEMA 1 – HISTÓRICO Quando se estuda a criação de cidades e o desenvolvimento da humanidade, a necessidade de estudar o comportamento da água se torna evidente, visto que as primeiras comunidades e agrupamentos humanos ocorreram perto de corpos hídricos, como rios e lagos. As análises dos rios auxiliaram o transporte de pessoas e mercadorias, além de alimentar as pessoas com peixes e fornecer água para manutenção da vida. Com base nessa visão, é possível analisar a necessidade de utilizar a água para irrigar as primeiras plantações, desenvolvendo a agricultura. As civilizações da antiguidade já manipulavam, mesmo que de forma instintiva, a água para melhoria da vida. 3 1.1 Civilizações da Antiguidade • Mesopotâmia Alguns dos primeiros registros de civilização remetem à Mesopotâmia, na região dos rios Tigre e Eufrates, havendo registros de desenvolvimento da agricultura e pecuária, utilizando os conhecimentos adquiridos com base na observação do comportamento dos rios. As regiões férteis eram garantidas pelas cheias dos rios, o que garantia solos úmidos e com material orgânico propício a plantações e criação de animais. Há registros de que os sumérios, que viveram em 5.000 a.C., desenvolveram técnicas de barramento de água, reservatórios e irrigação. Figura 1 – Região histórica rio Eufrates Créditos: Allamimages/Shutterstock. • Egito A civilização egípcia fundou suas principais cidades ao longo do rio Nilo, em que as estações de cheias auxiliavam na fertilização do solo, pois o território egípcio está situado em uma região árida. Os egípcios desenvolveram sistemas de canais para aproveitar as cheias do Nilo, e também utilizaram diques para formar pequenas bacias hidrográficas para armazenar água. Para momentos de estiagem, desenvolveram mecanismos de bombear água, chamados em inglês de shaduf, ou picota, em português. Por volta de 360 a.C., desenvolveram um tipo de moinho, chamado de nora. 4 Figura 2 – Shaduf no antigo Egito Créditos: Marzolino/Shutterstock. Figura 3 – Ilustração de canais de irrigação no Antigo Egito Créditos: Artmari/Shutterstock. • Romanos Os romanos, quando as cidades da civilização aumentaram de forma expressiva, desenvolveram uma forma de manter a higiene e aumentar a qualidade de vida de seus moradores: a água corrente. Esta utilização mudou o cotidiano dos romanos. Ainda hoje, é possível observar a quantidade de fontes e torneiras espalhadas por Roma. Para fazer a água chegar a todos os pontos necessários, foram desenvolvidos os aquedutos, que são estruturas que transportam água dos lugares mais elevados aos pontos mais baixos. Assim, o movimento da água ocorria por gravidade. 5 Figura 4 – Aqueduto Romano Créditos: Jens_Bee/Shutterstock. Ao sair do aqueduto, a água abastece fontes públicas, banhos, além de abastecer as classes que podiam pagar por água corrente. Outro ponto importante do Império Romano era a preocupação com a água depois de utilizada, sendo direcionada a esgotos e afastada das cidades. Figura 5 – Fonte na Aventine Hill – Roma Créditos: Javarman/Shutterstock. 6 1.2 Primeiros estudiosos O primeiro estudioso que abordou de forma científica a mecânica dos fluidos foi Arquimedes (287-212 a.C), que formulou as primeiras equações referentes a flutuabilidade e empuxo. O parafuso de Arquimedes, desenvolvido para retirar água de barcos, foi uma encomenda do rei Hieron. A ferramenta consiste em um parafuso rotativo, que pode ser acionado manualmente. Esta invenção é considerada uma das mais importantes da Antiguidade e pode ser encontrada atualmente sendo utilizada para bombeamento. No link a seguir, você pode conferir um exemplo de aplicação do parafuso de Arquimedes: disponível em: <https://cdn.portalsaofrancisco.com.br/wp- content/uploads/2016/08/Parafu9.jpg>. Acesso em: 24 set. 2021. Outros físicos e matemáticos também se dedicaram ao estudo da mecânica dos fluidos, como Isaac Newton, Euller, Bernoulli, Pascal, Navier Stokes, Reinolds, entre outros. TEMA 2 – INTRODUÇÃO Mecânica dos fluidos é uma ramificação da mecânica, estudo específico do transporte e armazenagem de energia. Suas aplicações podem ser observadas em diversas etapas do cotidiano. Analisando água, ar ou outro fluido, diversas atividades e processos são baseados em leis da mecânica. Mecânica dos fluidos é o estudo das leis que causam e se opõem ao movimento dos fluidos. 2.1 Aplicações São apresentadas neste subcapítulo diversas aplicações da mecânica dos fluidos, entre elas: • Construção Civil O dimensionamento de grandes edificações é possível com o conhecimento do comportamento de fluidos, no estado gasoso ou líquido, e a interferência destes objetos de estudo na estrutura final. 7 O maior prédio do mundo está localizado em Dubai. Ele foi construído entre os anos de 2004 e 2009 e tem 828 metros de altura. Para a segurança na utilização do espaço, foram desenvolvidos ensaios em laboratório para medição do vento e novas análises de estabilidade, para minimizar os efeitos de rupturas ocasionadas em obras tão altas. Mesmo o bombeamento de água foi verificado de diversas formas para garantir o abastecimento em todo prédio. Figura 7 – Burj Kalifa Créditos: Kirill Neiezhmakov/Shutterstock. • Grandes estruturas A barragem de Koldbrein é a maior barragem da Áustria. Com 200 metros de altura, foi construída de 1971 a 1979, fazendo parte de um conjunto de reservatórios que possuem barragens, usinas hidrelétricas e condutos forçados. Figura 8 – Barragem Koldbrein Créditos: Michael Wapp/Shutterstock. 8 • Infraestrutura A ponte Akashi Kaikyo foi concluída em 1998, com 3.911 metros, sendo 1.991 metros de vão-livre, o maior vão-livre de pontes até a construção da ponte turca. A ponte está localizada onde a profundidade pode chegar a 100 metros, com velocidade de correntes de água de 14 km/h em média. Os ventos nesta região também podem ser bem acentuados. Por conta disso, o tabuleiro da ponte foi dimensionado com treliças, que conferem boa resistência e rigidez à ponte, mas não oferecem obstrução a passagem do vento. Foram instaladas de forma complementar placas para direcionar o vento e não interferir na estabilidade da estrutura. Figura 10 – Ponte Akashi Kaikyo Créditos: Sean Pavone/Shutterstock. • Tratamento de água Para tratamento de água, há diversas soluções viáveis e todas utilizam conhecimento em física, química, mecânica dos fluidos, hidráulica, topografia, entre outras disciplinas. A estação da figura representa um tanquede decantação e circulação de lodo. 9 Figura 11 – Vista aérea de The Solid Contact Clarifier tipo tanque de recirculação de lamas na estação de tratamento de água Créditos: People Image Studio/Shutterstock. • Outras aplicações Figura 12 – Geração de energia – Aeolian corridor of the Isthmus of Tehuantepec, Oaxaca, Mexico Créditos: Santiago Navarro F/Shutterstock. 10 Figura 13 – Sustentação de voos Créditos: Motive56/Shutterstock. Figura 14 – Desenvolvimento de veículos terrestres Créditos: Imagin Studio/Shutterstock. Figura 15 – Navegação Créditos: Mate Karoly/Shutterstock. 11 TEMA 3 – LEIS DA FÍSICA Antes de iniciar o estudo da mecânica dos fluidos, serão revisados alguns conceitos de física e mecânica abordados anteriormente. A análise mecânica que estuda corpos estacionários e em movimento é a parte da ciência física que identifica, calcula e interpreta as forças que atuam neles. A análise de corpos em repouso é chamada de estática e a análise de corpos em movimento é chamada de dinâmica. A mecânica dos fluidos é uma subcategoria que trata do comportamento dos fluidos e da interação entre fluidos e sólidos. São categorias da mecânica dos fluidos: hidrostática, hidrodinâmica, dinâmica dos gases, aerodinâmica, além de meteorologia, oceanografia e hidrologia estas ultimas analisam os escoamentos que ocorrem na natureza. Com base nessa abordagem, é natural analisar os fluidos como casos particulares na aplicação das leis de Newton para movimento. 3.1 Primeira lei de Newton A Primeira Lei de Newton aborda o princípio da inércia: “um corpo em repouso tende a permanecer em repouso e um corpo em movimento tende a permanecer em movimento”. Para corpos sólidos, a análise de repouso e movimento é realizada de forma visível. No entanto, para fluidos, é preciso fazer uma análise baseada em uma região previamente determinada, chamada de volume de controle, a qual é limitada pela superfície de controle. Essas definições serão abordadas futuramente. Figura 16 – Vista de reservatório: Repouso e Movimento Créditos: Darrell Evans/Shutterstock. 12 3.2 Segunda lei de Newton A segunda lei de Newton aborda o princípio fundamental da dinâmica e postula: “a mesma força aplica para corpos de massa diferentes produzem acelerações diferentes”. Esta lei está representada na equação: 𝐹 = 𝑚. 𝑎, Em que: • F – força resultante aplicada ao corpo (N); • m – massa do corpo em que age a força (kg); • a – aceleração adquirida (m²/s). As unidades apresentadas representam o sistema internacional de unidades, em que a unidade de força é N (Newton). Como citado anteriormente, na análise em corpos sólidos, fica evidente a força e a aceleração adquirida. Figura 16 – Ilustração da segunda lei de Newton – sólido Crédito: Elias Aleixo. 13 Figura 17 – Ilustração da segunda lei de Newton – fluidos Créditos: Studio Peace/Shutterstock. 3.3 Terceira Lei de Newton A terceira lei de Newton estipula: “as forças atuam em pares, para toda força de ação, existe uma força de reação”. A análise de forças de reação na mecânica dos fluidos é analisada em conjunto com as análises de quantidade de movimento, e as forças que atuam em determinado volume de controle. Podem-se citar como exemplo as estruturas necessárias para ancoragem de condutos forçados em usinas hidrelétricas, como a figura a seguir. Figura 18 – Estruturas de Ancoragem em condutos forçados – Itaipu Créditos: Marcoaaaraujo/Shutterstock. 14 3.4 Lei da termodinâmica A primeira lei da termodinâmica acompanha os estudos de mecânica dos fluidos e das derivadas, como hidráulica e hidrologia. Essa lei se refere à conservação de energia: “a energia total de um sistema sempre se mantém constante, a energia não é criada nem perdida, apenas transformada”. Verificando-se a transformação de energia, percebe-se que a variação da energia interna de um sistema corresponde à diferença entre a quantidade de calor absorvida e a quantidade de trabalho que esse sistema realiza. A equação da primeira lei da termodinâmica é expressa da seguinte forma: ∆𝑈 = 𝑄 − 𝜏 Em que: • ΔU – variação da energia interna do sistema (J); • Q – calor (J); • 𝜏 – trabalho Realizado; Diversos sistemas em mecânica dos fluidos são estudados a partir das análises de energia e cargas de energia mecânica, desenvolvidas a partir da primeira lei da termodinâmica, como a perda de carga por atrito. TEMA 4 – UNIDADES As representações dos resultados físicos experimentados podem ser caracterizadas por uma dimensão, e estas grandezas que representam tais dimensões são chamadas de unidades. Para um bom resultado que expresse o mais próximo a realidade do sistema, é necessário que a utilização das unidades seja coerente e correta, pois um erro de unidade pode representar o mau funcionamento de uma central hidrelétrica ou a ruptura de uma estrutura. Com o objetivo de melhor representar os sistemas e o objeto de estudo em mecânica dos fluidos, esta aula abordará as unidades mais utilizadas. 15 4.1 Sistema Internacional A comunidade científica e a engenharia se esforçaram ao longo dos anos para uniformizar as unidades utilizadas em projetos e em representações de sistemas de engenharia. Contudo, é possível observar a utilização do sistema inglês (USCS), que compreende expressões de unidade como galões, polegadas, milhas ou pés, entre outras. Na tentativa de unificar unidades, o sistema métrico foi criado em 1790, na França. O sistema de medidas contava com relação decimal. No entanto, o sistema Internacional (SI) como utilizamos hoje só foi aprovado em 1960, baseado em seis quantidades fundamentais. O SI é um sistema lógico e simples em que as unidades têm relação entre si, e será, em sua maioria, o sistema adotado nesta disciplina. 4.2 Unidades fundamentais As unidades fundamentais representam as bases de análises no sistema, como representado no quadro a seguir. Quadro 1 – Unidades fundamentais Como as unidades têm relações decimais, é importante relembrar os prefixos mais utilizados para representar as variações destas unidades. Os principais estão representados no quadro a seguir. GRANDEZA FÍSICA Unidade de Medida Símbolo Tempo segundo s Massa kilograma kg Comprimento metro m Temperatura kelvin K Quantidade de substância mol Mol Corrente Elétrica ampére A Intensidade Luminosa candela cd 16 Quadro 2 – Principais prefixos Fonte: INMETRO, 2000. 4.3 Outras unidades no SI No Sistema Internacional, a unidade de força é representada por N (Newton), sendo definida como a força necessária pra acelerar uma massa de 1 kg a uma taxa de 1 m/s². Outra unidade comum de força é kgf, que representa o peso de uma massa de 1 kg ao nível do mar. Veremos as unidades específicas das propriedades dos fluidos nas próximas aulas, quando serão abordados estes conceitos. Por ora, é importante lembrar que a massa de um corpo independe da localização, mas o seu peso se altera conforme a aceleração gravitacional a qual está sujeito. Figura 19 – Peso na superfície lunar 17 Créditos: Vadim Sadovski/Shutterstock. A energia pode ser expressa em joule (J), que é definido pelo produto da força pela distância, o que, em termos de unidade, significa multiplicar N.m. Portanto, 1 joule corresponde a 1 N.m, assim como a taxa de energia pelo tempo, ou seja, J/s é chamado de watt (W). A figura representa um dos primeiros motores a vapor construídos, em que a potência é expressa em watts. Figura 20 – Motor a vapor Créditos: Lumen-Digital/Shutterstock. As verificações de unidades são muito importantes para o correto resultado, assim como unidades diferentes não podem ser somadas, havendo necessidade de homogeneizar as equações. 18 Quadro3 – Relação das unidades derivadas mais usuais TEMA 5 – CLASSIFICAÇÃO DO ESCOAMENTO O objetivo deste tema é introduzir algumas classificações importantes de análises de escoamento dos fluidos, sendo que as definições de fluidos, classificação e propriedades serão tema de aula futura. Como definição, mecânica dos fluidos é a categoria da mecânica que estuda os fluidos em repouso ou movimento. Para melhor estudá-los e interpretá- los, os problemas práticos são divididos em grupos. A seguir, trazemos algumas análises antes de determinar as propriedades e definições de escoamentos de fluidos, como forma de revisão. 5.1 Referencial de movimento Como visto nos estudos sobre mecânica física, cinemática e física termodinâmica, para descobrir velocidade, aceleração e movimento de elementos fluidos, é necessário determinar um referencial como parâmetro para estas análises. 19 Importante ressaltar que estas verificações não consideram as forças que estão atuando, as interferências das forças e o modo como ocorre os movimentos e classificação dos fluidos. Essas análises serão estudadas na próxima etapa. Como ponto de observação, há duas descrições que podem ser utilizadas para análises de escoamentos: a análise Lagrangeana e a análise Euleriana. • Lagrange A análise lagrangeana consiste em acompanhar a partícula ao longo da trajetória. A partir de um ponto inicial para variação de tempo (1), encontra-se os valores em análise, por exemplo, a velocidade V = (x1,y1,z1,t). Figura 21 – Análise lagrangeana Esta análise é de grande complexidade nas aplicações cotidianas e verificações de movimento. Para as análises de engenharia, verificar o movimento de partícula não interfere de forma determinante em projetos, mas sim o conjunto de partículas. • Euleriana A descrição euleriana consiste em fixar um ponto geométrico para analisar o conjunto de partículas. Com isso, a análise da grandeza ocorre a partir de funções do tempo e do espaço. Figura 22 – Descrição euleriana LC instante t V1 V2 V3 V4 (3) traço de serragem (1) (2) (4) foco 20 O método de análise adota uma região do escoamento em determinado intervalo de tempo, analisando todas as partículas que passam pela região. Em alguns estudos específicos de mecânica dos fluidos, é utilizada a descrição lagrangeana, como a balões meteorológicos, rastreamento via satélite, análise de radiação, entre outras. Contudo, para a maioria dos problemas analisado em mecânica dos fluidos na graduação, utiliza-se a descrição Euleriana. 5.2 Descrição do movimento Por se tratar de análise de região e não acompanhamento de partículas, a determinação de função para descrever o movimento analisa as linhas de escoamento a partir das definições, como: • Linhas de trajetória Se várias partículas adjacentes que escoam em determinada região forem marcadas em determinado instante de tempo, esta linha é chamada de linha de tempo. Quando uma partícula é marcada por corante ou fumaça, por exemplo, e acompanharmos o movimento da partícula, indicando o histórico de pontos percorridos e o caminho traçado pela partícula, esta linha é denominada linha de trajetória. Há também, em análises de escoamento, a possibilidade de fixar a atenção em determinada região no espaço. Todas as partículas que passam no ponto de observação formariam uma linha de partículas, chamada de linha de emissão. O estudo da linha de trajetória pode ser interpretado matematicamente como coordenadas instantâneas de uma partícula específica. As funções de interpretação são analisadas em função do tempo e resultam em: 𝑑𝑥 𝑑𝑡 ) = 𝑢(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) 𝑑𝑦 𝑑𝑡 ) = 𝑣(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) 𝑑𝑧 𝑑𝑡 ) = 𝑤(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) 21 Com essa formulação, a localização instantânea da coordenada é definida pela integração destas equações da velocidade: 𝑥 = ∫ 𝑢 . 𝑑𝑡 𝑦 = ∫ 𝑣 . 𝑑𝑡 𝑧 = ∫ 𝑤 . 𝑑𝑡 • Linhas de corrente As linhas de corrente são aquelas desenhadas no campo de escoamento, linha imaginária resultante da tangente do vetor velocidade em cada ponto do escoamento. Por se tratar de vetores tangentes à velocidade, não há passagem de fluxo entre as linhas de corrente, tornando a visualização mais simplificada e comum em simulações computacional. A formulação matemática para a função da linha de corrente é: 𝑑𝑥 𝑢 = 𝑑𝑦 𝑣 = 𝑑𝑧 𝑤 • Tubos de corrente Tubo de corrente é um tubo imaginário formado pelas linhas de corrente, cuja parede nenhum fluxo atravessa. Figura 23 – Tubos de corrente Fonte: Brunetti, 2008, p. 70 5.3 Classificação geométrica • Tridimensional As análises de escoamento reais sempre nos remetem a escoamentos tridimensionais, pois as grandezas analisadas variam nas três direções, ou seja, 22 o número de coordenadas espaciais necessárias para descrever o campo de velocidades são três (x,y,z), além da variação com o tempo. Figura 24 – Exemplo de escoamento tridimensional Créditos: Africa Studio/Shutterstock. Bidimensional Para as análises de grande parte dos problemas de ordem prática em mecânica dos fluidos, é possível determinar o vetor velocidade a partir de duas coordenadas. Com isso, as linhas de corrente ficam apenas em um plano. Na figura a seguir, está apresentada a relação da velocidade que varia em duas dimensões. Figura 25 – Diagrama de velocidade bidimensional Fonte: Brunetti, 2008, p. 70 23 • Unidimensional Alguns casos particulares, quando a velocidade em duas direções é muito menor que em outra, pode-se analisar o escoamento de forma unidimensional, ou seja, a função da velocidade é analisada apenas em uma direção. FINALIZANDO Nesta aula, apresentamos os estudos sobre mecânica dos fluidos, conhecendo um pouco de como surgiu a manipulação da água pela humanidade e como os primeiros estudiosos relacionaram de forma matemática e análise científica as primeiras equações de mecânica dos fluidos. Na sequência, foi observado como o campo de aplicações da disciplina é amplo e real, tendo interferência em diversas atividades cotidianas e no desenvolvimento de cidades, transporte, construções e infraestrutura. Também relembramos alguns conceitos de física e leis básicas da mecânica e da termodinâmica, as quais são muito utilizadas nos estudos em fluidos, como as leis de Newton, que descrevem os movimentos dos corpos finitos e sólidos. Será apresentada futuramente a maneira como estas observações serão transferidas e modificadas para corpos líquidos e gasosos. Seguindo as análises de revisão, foram abordadas as principais unidades utilizadas, incluindo as unidades primárias e as derivadas. Para concluir esta aula, foram revisadas as características de escoamento e a forma como são analisadas. Pode-se acompanhar a partícula ou analisar determinada região do escoamento, sendo que esta última opção é a mais utilizada em mecânica dos fluidos para engenharia. Também foram apresentadas as coordenadas de análise de grandezas físicas, principalmente a velocidade. Os principais objetivos desta aula foram: • Conhecer quando a humanidade passou a manipular e utilizar a água como diferencial para crescimento das cidades; • Identificar as principais aplicações de mecânica dos fluidos, analisando o mundo a sua volta e interpretando de forma científica o movimento de fluidos; • Relembrar as principais leis de movimento na física; 24 • Reconhecer e utilizar as unidades principais de derivadas de forma correta e coerente; • Relembrar as interpretações e observações de escoamento. 25 REFERÊNCIAS BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos. São Paulo: Pearson, 2008. ÇENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos Fluidos – Fundamentos e Aplicações. SãoPaulo: McGraw-Hill Interamericana do Brasil Ltda, 2007, 819 p. FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. INMETRO. Quadro Geral de Unidades de Medida. 2ª ed. Brasília, 2000. POTTER, M. C.; WIGGERT, D. C.; HONDZO, M. Mecânica dos Fluidos. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004. 688p. WHITE, F. M. Mecânica dos fluidos. 6. ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill, 2010. 880p.
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