Introdução à Mecânica dos Fluidos

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Introdução MF 
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1 Mecânica dos Fluidos 
 
É a ciência que estuda o comportamento físico dos fluidos e as leis que 
regem tal comportamento. 
 
Mecânica → parte da Física que trata dos corpos sob influência de forças, 
estejam eles estacionários ou em movimento: 
- Estática → fluidos em repouso; 
- Cinemática e Dinâmica → fluidos em movimento. 
 
Tem por objetivo nos permitir conhecer, compreender e analisar qualquer 
sistema no qual um fluido é o meio produtor de trabalho. 
Tem múltiplas aplicações: máquinas de fluxo (bombas, ventiladores, 
compressores e turbinas), aeronaves, automóveis, submarinos, sistemas de 
aquecimento e ventilação de residências e edifícios comerciais, sistemas de 
tubulações, corpos flutuantes, medicina, etc. 
 
2 Os fenômenos de transferência 
 
 Grandezas físicas movimentam-se no espaço → base da Engenharia 
Química. 
Força motriz para a movimentação das grandezas: 
- Massa → diferença de concentração; 
- Energia (calor) → diferença de temperatura; 
- Quantidade de movimento → diferença de cargas (energias altimétrica, 
piezométrica e cinética, por unidade de peso). 
 
Modelo matemático → aplicação dos conceitos matemáticos aos sistemas 
físicos visando sua descrição em forma de equações, em sua maioria 
simplificadas, e dentro de erros aceitáveis. 
 
3 Fluidos 
 
Definição → “Substâncias que se deformam continuamente sob a ação de 
uma força tangencial F, por menor que ela seja.” 
Deformar-se continuamente é escoar. 
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Figura 1 – Definição de escoamento 
 
Teoria cinética da matéria → estados físicos fundamentais da matéria 
Sólidos - moléculas oscilam em torno de posições fixas; 
 - forças de atração intensas; 
 - força tangencial não pode ultrapassar o regime elástico do 
material ⇒rompimento; 
 - tensão é proporcional à deformação. 
Líquidos - moléculas oscilam, mas não mantém posições fixas; 
 - forças de atração são menos intensas que nos sólidos; 
 - toma a forma do recipiente, porém o volume final não se altera, 
é sempre constante; 
 - forma uma superfície livre; 
Gases - moléculas oscilam e movem-se aleatoriamente; 
 - preenche todos os espaços disponíveis, por isso toma e forma e 
o volume do recipiente, precisando de contenção para não se perder (tampa). 
 
Figura 2 – Exemplificação da teoria cinética da matéria 
(http://paulosutil.blogspot.com.br/2012/02/estados-fisicos-da-materia.html) 
 
Enfim: 
- líquidos e gases são considerados fluidos por possuírem capacidade de 
escoar; 
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- qualquer substância pode vir a ser um fluido, pois pode se apresentar nos 
estados gasoso ou líquido, dependendo apenas das condições de 
temperatura ou pressão a que estão submetidos. 
 
3.1 Hipótese do contínuo 
 Idealização que admite a matéria como um meio contínuo, homogêneo, 
sem falhas, imperfeições ou diferenças: 
- cálculo integral e diferencial → funções contínuas. 
 
Figura 3 – Validade da hipótese do contínuo 
 
- limitação → gases rarefeitos; 
 → redução excessiva da dimensão do volume em estudo ⇒ 
curso médio livre de colisão entre moléculas (10-7mm). 
 
3.2 Condição de não escorregamento (aderência) 
 “Um fluido em contato direto com uma superfície sólida não porosa 
(impermeável) adere nesta superfície devido aos efeitos viscosos.” 
 
Figura 4 – Condição de não escorregamento 
 
- primeira camada do fluido → molha a superfície, adere, tem velocidade 
nula; 
- segunda camada do fluido → é freada pela primeira camada, mas 
apresenta velocidade v1; 
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- terceira camada do fluido → é freada pela segunda camada, mas apresenta 
velocidade v2, porém v2>v1; 
- quarta camada do fluido → é freada pela terceira camada, mas apresenta 
velocidade v3, porém v3>v2; 
... e assim, sucessivamente... 
Enfim, estabelece-se um perfil de velocidades ⇒ camada limite. 
 
Figura 5 – Perfil de velocidades 
(http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0102-261X2011000100002&script=sci_arttext) 
 
Camada limite → região do escoamento adjacente à superfície sólida, na qual 
os efeitos viscosos são significativos; 
 → espessura definida pela velocidade (v=99%v∞). 
 
4 História 
Primeiros problemas que envolveram a Engenharia: 
- abrigo → Engenharia Civil; 
- alimentação e higiene → Engenharia Hidráulica ⇒ abastecimento de água e 
destinação de águas servidas. 
 
Século VI a.C. → Cloaca máxima – Roma → rede de esgotos, integrada à 
rede atual. 
Século Va.C. → Qanats – Irã → captação e transporte de águas subterrâneas 
por meio de galerias. 
Século IIIa.C. → El Kafara – Egito → barragem (em ruínas) 
Século Ia.C. → Aquedutos – Império Romano → em vários locais na Europa 
(Pont du Gard no sul da França). 
 
Veja arquivos no SOL: - A pré-história da Engenharia 
 - Obras hidráulicas da antiguidade