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Carlos Eduardo Hans Hoffmann Lista de exercícios 1 – Grau B Referente às aulas 1 a 3 do grau B – Mecânica dos Fluidos/Hidráulica Entrega: AINDA INDEFINIDA. Para os exercícios indicados com “(ChatGPT)”, além de resolvê-los manualmente, tente resolvê-los usando o ChatGPT ou outra IA. Apresente a resolução da IA e avalie se ela está errada ou correta, e os possíveis motivos para os erros. Faça comentários. 1) Demostre quais são as unidades finais das seguintes equações: Inicie pelas unidades das grandezas que estão na equação, realize os cortes possíveis até chegar na unidade final. a) Conservação da massa na forma integral 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑𝑉 + ⬚ 𝑉 ∫ 𝜌𝑣 .𝑑𝐴 = 0 ⬚ 𝑆 Onde: (𝜌) é a densidade do fluido (kg/m³) (v) é a velocidade do fluido (m/s) (v) é o volume de controle (m³) (S) é a superfície de controle (dA) é o elemento de área da superfície de controle (m²) Passo 1: Primeiro termo: 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑𝑉 ⬚ 𝑉 A densidade 𝜌 tem unidades de (kg/m³) e o volume (V) tem unidades de (m³). ∫ 𝜌𝑑𝑉 𝑡𝑒𝑚 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑘𝑔 ⬚ 𝑉 Comentado [CE1]: Resolvi a questão analisando as unidades de cada termo da equação. Primeiro, verifiquei o termo d/dt ∫V ρ dV, onde identifiquei que a densidade (ρ) tem unidades de kg/m³ e o volume (V) em m³. Aplicando a derivada temporal, obtive a unidade final de kg/s. No segundo termo, ∫S ρ v . dA, verifiquei que as unidades de densidade, velocidade (v) e área (dA) se combinam para também resultar em kg/s, confirmando a consistência dimensional. Carlos Eduardo Hans Hoffmann A derivada temporal 𝑑 𝑑𝑡 introduz uma unidade de (1/s). 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑𝑉 𝑡𝑒𝑚 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑘𝑔 𝑠 ⬚ 𝑉 Passo 2: Segundo termo: ∫ 𝜌𝑣 .𝑑𝐴 ⬚ 𝑆 A densidade 𝜌 tem unidades de kg / m³, a velocidade (v) tem unidades de m/s, e a área dA tem unidades de m². 𝜌𝑣 .𝑑𝐴 𝑡𝑒𝑚 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 ( 𝑘𝑔 𝑚3 ) ( 𝑚 𝑠 ) (𝑚2) = 𝑘𝑔 𝑠 Portanto, a integral sobre a superfície também terá unidades de 𝑘𝑔 𝑠 . Passo 3: Equação Completa: 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌𝑑𝑉 + ⬚ 𝑉 ∫ 𝜌𝑣 .𝑑𝐴 = 0 ⬚ 𝑆 Ambos os termos possuem unidades de 𝑘𝑔 𝑠 , garantindo a consistência dimensional. Unidade final: 𝑘𝑔 𝑠 b) Conservação da quantidade de movimento na forma integral 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌 �⃗� 𝑑𝑉 + ⬚ 𝑉 ∫ 𝜌 �⃗��⃗� .�⃗� 𝐴 = 𝐹 ⬚ 𝑆 Onde: • (Ρ) é a densidade do fluido (kg/m³) • (v⃗) é a velocidade do fluido (m/s) • V é o volume de controle (m³) • S é a superfície de controle • dA é o elemento de área da superfície de controle (m²) • F⃗ é a força resultante atuando no volume de controle (N) Comentado [CH2]: Segui a mesma abordagem para a conservação da quantidade de movimento. O primeiro termo d/dt ∫V ρ v dV foi analisado considerando a densidade, a velocidade e o volume, resultando em unidades de força (N). O segundo termo ∫S ρ v v . dA também foi verificado, confirmando a unidade final como Newton (N). Carlos Eduardo Hans Hoffmann 1. Primeiro termo: 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌 �⃗� 𝑑𝑉 ⬚ 𝑉 A densidade ρ tem unidades de kg/m³, a velocidade v⃗ tem unidades de m/s, e o volume V tem unidades de m³. 𝜌𝑣 . 𝑑𝐴 𝑡𝑒𝑚 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 ( 𝑘𝑔 𝑚3 ) ( 𝑚 𝑠 ) (𝑚2 ) = 𝑘𝑔.𝑚 𝑠 A derivada temporal 𝑑 𝑑𝑡 introduz uma unidade de 1/s. 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌 �⃗� 𝑑𝑉 ⬚ 𝑉 𝑡𝑒𝑚 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑘𝑔. 𝑚 𝑠2 = 𝑁 (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛) 2. Segundo termo: ∫ 𝜌 �⃗��⃗� .�⃗� 𝐴 ⬚ 𝑆 A densidade ρ tem unidades de kg/m³, a velocidade v⃗ tem unidades de m/s, e a área dA tem unidades de m². 𝜌𝑣 .𝑑𝐴 𝑡𝑒𝑚 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 ( 𝑘𝑔 𝑚3 ) ( 𝑚 𝑠 ) ( 𝑚 𝑠 ) (𝑚2 ) = 𝑘𝑔. 𝑚 𝑠2 = 𝑁 Portanto, a integral sobre a superfície também terá unidades de N. 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜌 �⃗� 𝑑𝑉 + ⬚ 𝑉 ∫ 𝜌 �⃗��⃗� .�⃗� 𝐴 = 𝐹 ⬚ 𝑆 Todos os termos possuem unidades de N, garantindo a consistência dimensional. Unidade final: N (Newton) Carlos Eduardo Hans Hoffmann 2) (ChatGPT) Um fluido com massa específica de 1050 kg/m³ flui em regime permanente através da caixa retangular mostrada na imagem abaixo. Qual é o valor da velocidade V3? Dados: A1 = 0,05 m²; A2 = 0,01 m²; A3 = 0,06 m²; V1 = 4 m/s; V2 = 8 m/s. A equação de continuidade para volumes de fluxo: 𝐴1 .𝑉1 + 𝐴2 . 𝑉2 = 𝐴3 .𝑉3 Substituindo os valores fornecidos: • A1 = 0.05 m² • V1 = 4 m/s • A2 = 0.01 m² • V2 = 8 m/s • A3 = 0.06 m² • V3 = ? Vamos substituir na equação de continuidade: Comentado [CE3]: O resultado foi V3 = 4,67 m/s na primeira alternativa, onde considerei A1 e A2 como entradas e A3 como saída. Este resultado está correto de acordo com a conservação de massa. No entanto, também verifiquei a segunda alternativa, onde A1 é entrada e A2 e A3 são saídas, resultando em V3 = 2 m/s. Ambas as respostas são consistentes com a conservação de massa, dependendo da direção do fluxo. Carlos Eduardo Hans Hoffmann 3) Considere um escoamento incompressível e permanente através do dispositivo mostrado abaixo. Determina a vazão volumétrica através da abertura 3 e verifique se o fluxo é para fora ou para dentro. 𝑄 = 𝐴 . 𝑉 Dados fornecidos: • A1 = 0.1 m² • V1 = 3 m/s • A2 = 0.05 m² • V2 = 10 m/s • A3 = 0.02 m² • V3 =? Cálculo das vazões volumétricas: Calcular a vazão volumétrica em A2 Aplicar a equação da continuidade: Comentado [CE4]: Apliquei a equação da continuidade para calcular a vazão volumétrica. Somando as vazões das aberturas 1 e 2, igualei à vazão da abertura 3. Encontrei que a vazão volumétrica através da abertura 3 é 0,2m³/s e, como o valor é negativo, isso significa que o fluxo é para dentro do sistema. Isso confirma a correta aplicação da conservação de massa. Carlos Eduardo Hans Hoffmann Resolver para Q3: Conclusão: A vazão volumétrica através da abertura 3 é 0,2 m³ e, como o resultado é negativo, o fluxo é para dentro. 4) (ChatGPT) Água entra em um canal bidimensional de largura constante, h = 75,5 mm, com velocidade uniforme U. O canal faz uma curva de 90° que distorce o escoamento de modo a produzir na saída um perfil de velocidade linear, como mostra a figura, com vmax = 2.vmin. Determine o valor de vmin se U = 7,5 m/s. Resposta: vmin = m/s Dados fornecidos • Largura constante do canal h= 75,5 mm = 0,0755 m • Velocidade uniforme na entrada U = 7,5 m/s • Perfil de velocidade na saída, com Vmax = 2Vmin • Precisamos determinar Vmin a) A vazão volumétrica na entrada é: Qsaída = Aentrada . U = 0,0755 m2 . 7,5 𝑚 𝑠 = 0,56625 𝑚3 𝑠 b) Vazão de Saída Na saída, a velocidade varia linearmente de Vmin a Vmax. Como Vmax = 2Vmin, podemos expressar a velocidade média Vmédia na saída como: 𝑉𝑚é𝑑𝑖𝑎 = 𝑉𝑚𝑖𝑛 + 𝑉𝑚𝑎𝑥 2 = 𝑉𝑚𝑖𝑛 + 2𝑉𝑚𝑎𝑥 2 = 3𝑉𝑚𝑖𝑛 2 A vazão volumétrica na saída é: Comentado [CE5]: Para esta questão, igualei a vazão volumétrica de entrada à vazão de saída, considerando o perfil de velocidade linear na saída. Calculei vmin e obtive o valor de 5 m/s, o que está consistente com os dados fornecidos. Carlos Eduardo Hans Hoffmann Qsaída = Asaída . Vmédia = 0,0755 m2 . 3𝑉𝑚𝑖𝑛 2 Igualando a vazão de entrada e saída: 0,56625 𝑚3 𝑠 = 0,0755 m2 . 3𝑉𝑚𝑖𝑛 2 0,56625 = 0,11325 Vmin 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 0,56625 0,11325 = 5 𝑚 𝑠 5) (ChatGPT) Água escoa em regime permanente através de um tubo de saída bifurcada, de raio R = 4” (diâmetro na entrada e nas duas saídas são iguais). Calcule a velocidade de entrada uniforme U, considerando umax = 1 m/s nas duas saídas. A distribuição de velocidades é dada por: 𝑢 = 𝑢𝑚𝑎𝑥 [1 − ( 𝑟 𝑅 ) 2 ]. Dados fornecidos: • Raio na entrada e nas duas saídas R= 4′′ = 0,1016 m • Velocidade máxima nas saídas Umax=1 m/s • Distribuição de velocidades nas saídas: U = 𝑈𝑚𝑎𝑥 ( 1 − ( 𝑟 𝑅 ) 2 ) Passo 1: Área da seção transversalPrimeiro, convertemos o raio de polegadas para metros: R= 4 ′′ × 0,0254m / polegada = 0,1016m A área da seção transversal do tubo de entrada ou saída é dada por: 𝐴 = 𝜋𝑟2 = 𝜋 (0,1016)𝑚2 = 0,0324 𝑚2 Passo 2: Vazão volumétrica nas saídas 𝑄 = ∫ 2𝜋𝑢𝑚𝑎𝑥 𝑅 0 (𝑢𝑚𝑎𝑥 (1 − ( 𝑟 𝑅 )) 2 ) 𝑑𝑟 Comentado [CH6]: Aqui, considerei a distribuição de velocidades nas saídas e utilizei a equação da continuidade. Converti as unidades corretamente e calculei a área da seção transversal. Verifiquei a vazão volumétrica nas saídas e apliquei a conservação de massa para encontrar a velocidade de entrada, resultando em U = 1 m/s. Carlos Eduardo Hans Hoffmann Integrando: 𝑄 = 2𝜋𝑢𝑚𝑎𝑥 ∫ ⬚ 𝑅 0 (𝑟 − 𝑟3 𝑅2) 𝑑𝑟 𝑄 = 2𝜋𝑢𝑚𝑎𝑥 [ 𝑟2 2 − 𝑟4 4𝑅2] 𝑄 = 2𝜋𝑢𝑚𝑎𝑥 [ 𝑅2 2 − 𝑅4 4𝑅2] 𝑄 = 2𝜋𝑢𝑚𝑎𝑥 [ 𝑅2 2 − 𝑅2 4 ] 𝑄 = 2𝜋𝑢𝑚𝑎𝑥 [ 2𝑅2 4 − 𝑅2 4 ] 𝑄 = 2𝜋𝑢𝑚𝑎𝑥 [ 𝑅2 4 ] 𝑄 = 𝜋𝑅2𝑢𝑚𝑎𝑥 2 Substituindo R e 𝑢𝑚𝑎𝑥 : 𝑄 = 𝜋(0,1016𝑚)2; (1𝑚/𝑠)⬚ 2 𝑄 = 𝜋(0,10321𝑚)2 2 𝑄 = 0 ,0162 𝑚3 𝑠 Passo 3: Conservação de massa Como a vazão volumétrica na entrada é igual à soma das vazões nas duas saídas: 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑄𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 1 + 𝑄𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 2 Como: 𝑄𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 1 = 𝑄𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 2 = 0,0162 𝑚3/𝑠 Então: 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 2 . 0,0162 𝑚3 𝑠 = 0,0324 𝑚3/𝑠 Passo 4: Velocidade de entrada 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐴𝑈 > 0,0324 𝑚3 𝑠 = 0,0324 𝑚2 . 𝑈 > U= 1 m/s Carlos Eduardo Hans Hoffmann 6) Um recipiente de metal com 0,61 m de altura e seção horizontal de 0,09 m² pesa 22,2 N quando está vazio. O recipiente é colocado sobre uma balança e a água escoa para o interior do recipiente por um furo no topo e para fora por meio de duas aberturas iguais nas laterais do recipiente. Sob condições de escoamento permanente a altura da água no tanque é h = 0,58 m. A velocidade de entrada da água no topo é 3 m/s. A área do furo no topo é 0,009 m². A área de cada furo lateral é de 0,009 m². Qual o valor da leitura da balança? Resposta Solução do Problema de Escoamento no Recipiente Dados fornecidos: - Altura do recipiente: H = 0,61 m - Área da seção horizontal do recipiente: A_rec = 0,09 m² - Peso do recipiente vazio: P_rec = 22,2 N - Altura da água no tanque: h = 0,58 m - Velocidade de entrada da água no topo: v_1 = 3 m/s - Área do furo no topo: A_1 = 0,009 m² - Área de cada furo lateral: A_2 = A_3 = 0,009 m² 1. Calcular o volume de água no recipiente: 𝑉_á𝑔𝑢𝑎 = 𝐴_𝑟𝑒𝑐 × ℎ = 0,09 𝑚² × 0,58 𝑚 = 0,0522 𝑚³ 2. Calcular a massa da água: 𝑚_á𝑔𝑢𝑎 = 𝜌 × 𝑉_á𝑔𝑢𝑎 𝑚_á𝑔𝑢𝑎 = 1000 𝑘𝑔/𝑚³ × 0,0522 𝑚³ = 52,2 𝑘𝑔 Comentado [CH7]: Calculei o volume e a massa da água no recipiente, considerando a altura da água e a área da seção transversal. Em seguida, determinei a vazão volumétrica de entrada e saída, considerando a conservação de massa. Por fim, somei o peso do recipiente vazio, o peso da água e a força resultante do fluxo para obter a leitura correta da balança, que é 614.862 N. Carlos Eduardo Hans Hoffmann 3. Calcular o peso da água: 𝑃_á𝑔𝑢𝑎 = 𝑚_á𝑔𝑢𝑎 × 𝑔 𝑃_á𝑔𝑢𝑎 = 52,2 𝑘𝑔 × 9,81 𝑚/𝑠² = 511,662 𝑁 4. Calcular o peso total do sistema (recipiente + água): 𝑃_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃_𝑟𝑒𝑐 + 𝑃_á𝑔𝑢𝑎 𝑃_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 22,2 𝑁 + 511,662 𝑁 = 533,862 𝑁 5. Conservação da massa e das vazões: Vazão de entrada: 𝑄_𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐴_1 × 𝑣_1 = 0,009 𝑚² × 3 𝑚/𝑠 = 0,027 𝑚³/𝑠 Vazão de saída: 𝑄_𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 𝐴_2 × 𝑣_2 + 𝐴_3 × 𝑣_3 𝐶𝑜𝑚𝑜 𝐴_2 = 𝐴_3 𝑒 𝑣_2 = 𝑣_3, 𝑡𝑒𝑚𝑜𝑠: 𝑄_𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 2 × 0,009 𝑚² × 𝑣_2 0,027 𝑚³/𝑠 = 2 × 0,009 𝑚² × 𝑣_2 𝑣_2 = 1,5 𝑚/𝑠 6. Força resultante devido ao fluxo (momentum): A força de entrada é: 𝐹_𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ṁ_1 × 𝑣_1 𝐹_𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = (𝜌 × 𝑄_𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) × 𝑣_1 𝐹_𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = (1000 𝑘𝑔/𝑚³ × 0,027 𝑚³/𝑠) × 3 𝑚/𝑠 = 81 𝑁 A força de saída é: 𝐹_𝑠𝑎í𝑑𝑎 = ṁ_2 × 𝑣_2 + ṁ_3 × 𝑣_3 𝐹_𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 2 × (𝜌 × 𝑄_𝑠𝑎í𝑑𝑎 / 2) × 𝑣_2 𝐹_𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 2 × (1000 𝑘𝑔/𝑚³ × 0,0135 𝑚³/𝑠) × 1,5 𝑚/𝑠 = 40,5 𝑁 7.Leitura da balança: Comentado [CH8]: Nesta parte específica, eu precisei calcular na mão, pois o ChatGPT , "esqueceu" de calcular o peso total por algum motivo. Comentado [CH9]: Na hora de calcular a "leitura da balança", foi novamente necessário intervir e fazer o cálculo manualmente, pois o ChatGPT estava errando muitas vezes. Mesmo com ajuda, ele não foi capaz de acertar. Carlos Eduardo Hans Hoffmann 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑟𝑒𝑐 + 𝑃á𝑔𝑢𝑎 + (𝐹𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) > 22,2 𝑁 + 511,662 𝑁 + (81 𝑁) = 𝟔𝟏𝟒,𝟖𝟔𝟐𝑵 7) A água escoa em regime permanente por um cotovelo redutor de 90°. Na entrada do cotovelo a pressão absoluta é 220 kPa e a área de seção transversal é 0,01 m². Na saída a área de seção transversal é 0,0025 m² e a velocidade média é 16 m/s. O cotovelo descarrega a água para a atmosfera. Qual a força necessária para manter o cotovelo estático? Resposta: Fsx = - 1,35 kN; Fsy = - 639 N Dados do problema: - Pressão na entrada (P1): 220 kPa - Área da seção transversal na entrada (A1): 0,01 m² - Área da seção transversal na saída (A2): 0,0025 m² - Velocidade média na saída (V2): 16 m/s - A água é descarregada para a atmosfera (pressão na saída (P2 = 0 kPa) Passo 1: Conservação de Massa: m1 = m2 ρ ⋅ A1 ⋅ V1 = ρ ⋅ A2 ⋅ V2 Como a densidade (ρ) é constante e pode ser simplificada: A1 ⋅ V1 = A2 ⋅ V2 Podemos resolver para V1: V1 = A2. V2 A1 V1 = 0,0025 m².16 m/s 0,01 m² = 4 m/s Passo 2: Quantidade de Movimento: Primeiro: Determinamos a taxa de fluxo de massa (m): Comentado [CH10]: Para resolver o problema, apliquei os princípios da conservação de massa e quantidade de movimento. Primeiro, utilizei a equação da continuidade para garantir que a massa do fluido se conserva. Isso significa que o produto da área da seção transversal pela velocidade de escoamento na entrada deve ser igual ao produto da área pela velocidade na saída. Com os valores fornecidos, calculei a velocidade na entrada como 4 metros por segundo. Depois, utilizei a equação da quantidade de movimento para determinar as forças necessárias para manter o cotovelo estático. Para isso, primeiro calculei a taxa de fluxo de massa, considerando a densidade da água e as áreas e velocidades de entrada e saída. Na direção horizontal, determinei a força necessária considerando a diferença de velocidades na entrada e na saída, além da pressão na entrada. Isso resultou em uma força de 2,04 quilonewtons na direção horizontal. Na direção vertical, calculei a força necessária considerando apenas a diferença de velocidade, uma vez que a água é descarregada para a atmosfera. Isso resultou em uma força de 640 newtons na direção vertical. Assim, concluí que as forças necessárias para manter o cotovelo estático são 2,04 quilonewtons na direção horizontal e 640 newtons na direção vertical. Carlos Eduardo Hans Hoffmann m = ρ ⋅ Q = ρ ⋅ A1 ⋅ V1 Assumindo que a densidade da água é 1000 kg/m³: m = 1000kg/m³ ⋅ 0,01m² ⋅ 4m/s = 40 kg/s Para a direção x (horizontal): ∑𝐹𝑥 = 𝑚(𝑉2𝑥 − 𝑉1𝑥) + 𝐴1𝑃1 ∑𝐹𝑥 = 40𝑘𝑔/𝑠 ⋅ (0 − 4𝑚/𝑠) + 0,01𝑚2 ⋅ 220000𝑁/𝑚2 ∑𝐹𝑥 = −160𝑁 + 2200𝑁 ∑𝐹𝑥 = 2040𝑁 ou 2,04 kN Para a direção y (vertical): ∑𝐹𝑦 = 𝑚˙(𝑉2𝑦 − 𝑉1𝑦) ∑𝐹𝑦 = 40𝑘𝑔 𝑠 ⋅ ( 16𝑚 𝑠 − 0) = 640 𝑁 Comentado [CH11]: Por padrão, usei 1000 kg/m³