Mecânica Dos Fluidos(EMC104)-Aula 01

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MECANICA DOS FLUÍDOS
TUTOR: ÍCARO J. R. QUEVEDO
INTRODUÇÃO
A mecânica dos fluidos é a ciência que trata do comportamento de um fluido em repouso (estática) e em movimento (dinâmica), além de suas interações com sólidos e outros fluidos.
Fluidos podem ser líquidos ou gases e são caracterizados pelas suas propriedades físicas, tais como massa específica (densidade), peso específico, densidade relativa (gravidade específica), tensão superficial e viscosidade. 
A análise quantitativa e cálculos desta disciplina podem envolver unidades do sistema métrico (SI) ou do sistema inglês. É importante ter familiaridade com ambos e conhecer os principais parâmetros de conversão. 
A estática dos fluidos compreende o estudo da medição de pressão no fluido (manometria), forças do fluido em superfícies submersas devido à pressão do fluido, flutuação e estabilidade de corpos.
SISTEMAS DE UNIDADES
As grandezas físicas podem ser caracterizadas pelas suas dimensões e as magnitudes atribuídas às dimensões são chamadas de unidades físicas. Algumas dimensões básicas, como massa, comprimento, tempo e temperatura, são designadas como dimensões primárias ou fundamentais, enquanto outras, como velocidade, energia e volume, são expressas em função das dimensões primárias e chamadas de dimensões secundárias ou dimensões derivadas.
MASSA ESPECIFICA OU DENSIDADE
A massa específica ou densidade é indicada pela letra grega rho e é a razão entre a massa do fluido e o volume que ele ocupa. A densidade de um fluido depende da temperatura e pressão. Para os gases, a densidade é inversamente proporcional à temperatura e diretamente proporcional à pressão. Para os líquidos, por serem fluidos incompressíveis, a densidade praticamente não se altera com a influência da pressão. 
PESO ESPECIFICO
O peso específico do fluido é o produto da densidade e da aceleração gravitacional local.
DENSIDADE RELATIVA OU GRAVIDADE ESPECIFICA
A densidade relativa de um fluido é a razão entre a sua densidade e a densidade de um fluido de referência. Geralmente o fluido de referência usado é água a 4 °C. Nesta temperatura, a água tem seu valor de densidade máxima (1000 kg/ m³). A densidade relativa é um parâmetro adimensional. Se o valor da densidade relativa de um fluido é menor que “1”, significa que o fluido é “menos denso” do que a água e em uma mistura com água, este fluido menos denso ficará por cima.
LEI DE NEWTON DA VISCOSIDADE
A Lei de Newton da viscosidade é assim chamada em homenagem a Sir Isaac Newton, que em seus estudos definiu e modelou matematicamente o fenômeno de deformação do fluido quando este sofre uma tensão de cisalhamento. Discutimos anteriormente que sólidos resistem a uma tensão de cisalhamento e, se a força aplicada não ultrapassar o limite elástico do material, quando cessada a força, o sólido volta à sua configuração estrutural original.
Os fluidos não resistem à tensão de cisalhamento e sempre se deformarão continuamente enquanto a força estiver sendo aplicada.
FLUIDOS NEWTONIANOS E FLUIDOS NÃO NEWTONIANOS
Os fluidos classificados como newtonianos são aqueles que possuem uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a sua deformação. Os fluidos não newtonianos são aqueles que não apresentam esse tipo de comportamento.
REOLOGIA BASICA
A reologia é a ciência que estuda o comportamento dos fluidos. De forma geral, os líquidos são fluidos muito mais viscosos do que os gases. Os líquidos, também de forma geral, são mais sensíveis com a influência da temperatura sobre sua viscosidade do que os gases. 
VISCOSIDADE DE FLUÍDOS
Duas grandes subcategorias de fluidos não newtonianos são chamadas de fluidos dependentes do tempo e independentes do tempo. Fluidos independentes do tempo têm uma viscosidade constante em uma dada tensão de cisalhamento e esta viscosidade não muda com o tempo. Os três tipos de fluidos independentes do tempo são os fluidos não newtonianos.
VISCOSIDADE DE FLUÍDOS
Fluidos dependentes do tempo são muito difíceis de analisar porque viscosidade aparente varia com o tempo, com a deformação e temperatura. Exemplos de fluidos dependentes do tempo são alguns óleos crus a baixas temperaturas, tinta da impressora, náilon líquido e outras soluções de polímero, algumas geleias, farinha massa, alguns tipos de graxas e tintas.
. Os fluidos dependentes do tempo demoram um determinado tempo para atingir uma nova viscosidade de equilíbrio devido à variação na tensão de cisalhamento.
VISCOSÍMETRO
Procedimentos e equipamentos para medir a viscosidade são numerosos. A maioria emprega princípios fundamentais da mecânica dos fluidos e propriedades dos fluidos para a medição da viscosidade em suas unidades básicas. Outras indicam apenas valores relativos para a viscosidade, que podem ser usados para comparar diferentes fluidos. Os dispositivos usados para determinação da viscosidade de fluidos são chamados de viscosímetros ou reômetros. Alguns são projetados para uso laboratorial e outros podem ser instalados diretamente em um processo industrial, para medição constante da viscosidade e garantir a qualidade de determinado produto.
APLICAÇÃO SOBRE LUBRIFICAÇÃO
Alguns fluidos desenvolvidos recentemente são chamados de fluidos ativamente ajustáveis. São aqueles para as quais as propriedades reológicas, particularmente a viscosidade, podem ser alteradas ativamente, com a variação de uma corrente elétrica ou mudando o campo magnético em torno do fluido. Ajustes podem ser feitos manualmente ou remotamente através de um sistema computacional e são totalmente reversíveis.
APLICAÇÃO SOBRE LUBRIFICAÇÃO
Aplicações recentes na indústria automobilística incluem amortecedores “mais duros ou macios” que se ajustam de acordo com a carga variável do veículo. O aumento no amortecimento também pode ser executado para reduzir a instabilidade de viagens em locais irregulares (off-road).
Usos em estruturas de edifícios e pontes para minimizar a vibração causada pelas intempéries e em dispositvos protéticos para pessoas com necessidades especiais também são aplicações desses tipos de fluidos.
APLICAÇÃO SOBRE LUBRIFICAÇÃO
A nanotecnologia também é aplicada para atingir características desejáveis em um fluido. São os chamados nanofluidos. Os nanofluidos contêm nanopartículas (menos de 100nm de diâmetro) em um fluido base, que pode ser água, etilenoglicol, óleos sintéticos, lubrificantes, entre outros.
O material das nanopartículas pode ser metal, como alumínio e cobre, carboneto de silício, dióxido de alumínio, óxido de cobre, grafite, nanotubos de carbono e vários outros. As nanopartículas têm uma razão superfície/volume muito maior do que a de fluidos convencionais, misturas ou suspensões, intensificando propriedades físicas do fluido, por exemplo, a condutividade térmica.
APLICAÇÃO SOBRE LUBRIFICAÇÃO
O principal uso de nanofluidos é melhorar o desempenho geral de fluidos usados para resfriar dispositivos eletrônicos. Usados em sistemas lubrificantes, os nanofluidos melhoram características do escoamento sem alterar o grau de proteção e lubrificação, além de dissipar o calor em superfícies críticas. Pesquisas e aplicações nas áreas biomédicas e de controle ambiental também estão sendo aperfeiçoadas.
EXERCICIO
Peso específico e densidade relativa são duas propriedades comumente utilizadas nos cálculos da mecânica dos fluidos. Considere um fluido com densidade igual a 886 kg/m³. Qual é o seu peso específico? Adote g=10m/s².
PRESSÃO
A pressão é definida como uma força normal exercida por um fluido por unidade de área. Como a pressão é definida como força por unidade de área, ela tem a unidade de newton por metro quadrado (N/m²), que é chamado um pascal (Pa).
MANÔMETROS
Os manômetros geralmente utilizam a relação entre uma mudança de pressão e uma mudança na elevação em um fluido estático. Dispositivos de medição mais modernos (chamados de transdutores de pressão) utilizam outras grandezas físicas para relacionar com a pressão ou diferença de pressão em fluidos.
FLUTUAÇÃO
Sempre que um corpo está flutuando ou completamentesubmerso em um fluido, está sujeito a uma força de flutuação (ou força de empuxo) que tende a empurrá-lo para cima, ajudando a sustentação. A força de flutuação é causada pelo aumento da pressão com a profundidade de um fluido e tem uma magnitude igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo e sempre na direção vertical para cima. Arquimedes foi quem interpretou e estabeleceu este princípio na Grécia antiga.
LEI DE CONSERVAÇÃO
As leis de conservação como as leis de conservação de massa, de energia e de impulso. Tais leis podem ser aplicadas a uma quantidade de matéria chamada de sistema fechado e em regiões no espaço chamadas de volumes de controle. As leis de conservação são também chamadas de equações de equilíbrio, já que qualquer quantidade conservada deve equilibrada durante um processo.
BALANÇO DE MASSAS
A equação da continuidade para a hipótese do escoamento em regime permanente (vazão constante e propriedades do fluido invariáveis ao longo do tempo) ilustra que a massa de fluido que escoa por uma seção de um tubo de corrente a montante (1) é igual à massa de fluido que escoa por uma seção de um tubo de corrente a jusante (2). Podemos definir como o princípio da conservação da massa do fluido. O balanço de massa em um escoamento em regime permanente pode ser realizado efetuando as seções de entrada e saída do escoamento.
BALANÇO DE MASSAS
A quantidade de massa que flui através de uma seção transversal por unidade de tempo é chamada de vazão mássica, denotada por Q ou m , dependendo da referência. Geralmente, o ponto sobre a letra indica uma quantidade ao longo do tempo (taxa). O fluxo é definido como a taxa ao longo de uma área de transferência da quantidade. Um fluido escoa para dentro ou para fora de um volume de controle, geralmente através da área de seção transversal de tubulações. Na mecânica dos fluidos fazemos algumas distinções sobre tubos e dutos. De forma geral, um tubo é um condutor fechado de fluido com área de seção circular, enquanto um duto pode ter a sua área de seção não circular (retangular, quadrada etc.).
CONSERVAÇÃO DA MASSA
Durante um processo de escoamento em regime permanente, a quantidade total de massa contida não muda com o tempo. Assim, o princípio de conservação de massa exige que a quantidade total de massa que entra no volume de controle seja igual à quantidade total de massa que sai do volume de controle. Imagine uma torneira no jardim com uma mangueira acoplada. Quando a torneira é aberta, a quantidade de água que sai e entra na mangueira ao longo do tempo é a mesma quantidade de água que sai da mangueira pelo bocal de descarga.
VAZÃO VOLUMÉTRICA
Por definição, é a quantidade de fluido, em volume, que escoa pela área de seção transversal da tubulação ao longo de um intervalo de tempo. As unidades mais usuais de vazão volumétrica são m³/s; m³/h, L/s; L/h, no Sistema Internacional, e gal/min, gal/h, no Sistema Inglês de Unidades. Lembre-se de que 1 m³ equivale a 1000 L.
VAZÃO MÁSSICA
Por definição, é a quantidade de fluido, em massa, que escoa pela área de seção transversal da tubulação ao longo de um intervalo de tempo. As unidades mais usuais de vazão mássica são kg/s; kg/h no Sistema Internacional.
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