Aula 2 Principios Basicos de Hidraulica 2016

Prévia do material em texto

Aula 2 – Princípios 
Básicos de Hidráulica
Eng. Civil Marcelo Botini Tavares
2.1 CONCEITOS DE HIDRÁULICA – SUBDIVISÕES
2.1.1 Hidráulica Geral
2.1.2 Hidráulica Aplicada
2.2 EVOLUÇÃO DA HIDRÁULICA
2.3 SÍMBOLOS ADOTADOS E UNIDADES USUAIS
2.4 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS
2.4.1 Massa específica, densidade e peso específico
2.4.2 Compressibilidade
2.4.3 Elasticidade
2.4.4 – Viscosidade/Atrito interno. Líquidos Perfeitos. 
Atrito Externo
2.4.5 – Coesão, adesão e tensão superficial
2.4.6 – Tensão de vapor
2.1 CONCEITO DE HIDRÁULICA - SUBDIVISÕES
Hidráulica é o estudo do comportamento da água e de 
outros líquidos, quer em repouso, quer em movimento. 
Pode ser dividida em: hidráulica geral e hidráulica 
aplicada.
2.1.1 Hidráulica Geral
A Hidráulica Geral aproxima-se muito da Mecânica dos 
Fluidos, sendo dividida em hidrostática, hidrocinemática e 
hidrodinâmica.
- hidrostática: trata dos fluidos em repouso ou em equilíbrio;
- hidrocinemática: estuda velocidades e trajetórias, sem 
considerar forças ou energia;
- hidrodinâmica: refere-se às velocidades, às acelerações e
às forças que atuam em fluidos em movimento.
2.1.2 Hidráulica Aplicada
Hidráulica Aplicada é a aplicação concreta ou prática dos 
conhecimentos científicos da Mecânica dos Fluidos e da 
observação criteriosa dos fenômenos relacionados à água, 
quer parada, quer em movimento. Suas áreas de atuação 
podem ser:
- urbana: sistema de abastecimento de água, sist. de 
esgoto sanitário, sist. de drenagem pluvial e canais;
- rural: sistema de drenagem, sist. de irrigação, sist. 
de água potável e esgotos;
- instalações prediais: industriais, comerciais, 
residenciais e públicas;
- outros: lazer e paisagismo, estradas (drenagem), 
defesa contra inundações, geração de energia, 
navegação e obras marítimas e fluviais.
Os acessórios, materiais e estruturas utilizados na prática da 
Engenharia Hidráulica são: aterros, barragens, bombas, cais 
de portos, canais, comportas, diques, drenos, eclusas, 
flutuantes, orifícios, poços, reservatórios, tubos e canos, 
válvulas, vertedores, etc.
2.2 EVOLUÇÃO DA HIDRÁULICA
Obras hidráulicas de importância da Antiguidade:
- Mesopotâmia: canais de irrigação situados na planície 
entre os rios Tigre e Eufrates.
- Nipur (Babilônia): existiam coletores de esgotos desde 
3750 a.C.
- Egito: obras de irrigação no Rio Nilo (25 séculos a.C.).
- Assíria: primeiro sistema público de abastecimento de 
água (691 a.C.).
Apenas no século XIX, devido ao crescimento das 
cidades e a importância cada vez maior dos serviços de 
abastecimento de água, desenvolveu-se a produção de 
tubos de ferro fundido. Isto em conjunto com o emprego 
de novas máquinas hidráulicas, resultaram num progresso 
rápido e acentuado da Hidráulica.
As investigações de Reynolds, os trabalhos de Prandtl e as 
experiências de Froude forneceram a base científica para 
esse progresso, originando a Mecânica dos Fluidos 
moderna.
Dados brasileiros:
1723 – Primeiro sistema de abastecimento de água – Rio 
de Janeiro – RJ.
1864 – Primeira cidade com rede de esgoto – Rio de 
Janeiro – RJ.
1883 – Primeira hidrelétrica (para mineração) –
Diamantina – MG.
1889 – Primeira hidrelétrica (para abastecimento público) 
– Juiz de Fora – MG.
2.3 SÍMBOLOS ADOTADOS E UNIDADES USUAIS
As grandezas físicas são comparáveis entre si através de 
medidas homogêneas, ou seja, referidas à mesma 
unidade. Os números apenas, sem dimensão de medida, 
nada informam em termos práticos. 
As sete grandezas básicas que formam o Sistema 
Internacional (SI) de Unidades são: comprimento, massa, 
tempo, intensidade de corrente, temperatura 
termodinâmica, intensidade luminosa e quantidade de 
matéria.
Quadro 2.1 – Sistema Internacional de Unidades.
As unidades derivadas do SI são estabelecidas através de 
tratamento algébrico ou dimensional das grandezas físicas 
básicas.
GRANDEZA UNIDADE SÍMBOLO
Comprimento Metro m
Massa Quilograma kg
Tempo Segundo s
Intensidade de corrente Ampere A
Temperatura termodinâmica Kelvin K
Intensidade luminosa Candela cd
Quantidade de matéria mol mol
Apresenta-se a seguir as grandezas mais frequentes, com 
suas respectivas unidades para os cálculos relacionados 
com as atividades da hidráulica.
Quadro 2.2 – Grandezas relacionadas (SI).
2.4 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS
Fluidos são substâncias ou corpos cujas moléculas ou 
partículas têm a propriedade de se mover, umas em 
relação às outras, sob a ação de forças de mínima 
grandeza.
Os estados físicos da água (sólido, líquido e gasoso) são 
resultado da maior ou menor proximidade e do arranjo 
entre as moléculas de água e, portanto, da energia 
presente em forma de pressão e temperatura.
Para passar de um estado físico para outro, a água 
apresenta uma característica própria, que é a 
quantidade de calor requerida, sem correspondente 
variação de temperatura, denominada calor latente de 
vaporização (líquido  vapor) e calor latente de 
cristalização (sólido  líquido).
2.4.1 – Massa específica, densidade e peso específico.
A massa de um fluido em uma unidade de volume é 
denominada densidade absoluta, também conhecida 
como massa específica (kg/m³).
O peso específico de um fluido é o peso da unidade de 
volume desse fluido (N/m³).
Densidade relativa de um material é a relação entre a 
massa específica desse material e a massa específica de 
um outro material tomado como base. No caso de 
líquidos, essa substância normalmente é a água a 3,98ºC.
Tratando-se de gases, geralmente adota-se o ar nas 
CNTP [Condições Normais de Temperatura (20ºC) e 
pressão (1 atm)].
Em termos práticos, pode-se dizer que a densidade da 
água é igual à unidade e que sua massa específica é 
igual a 1kg/litro e seu peso específico é 9,8 N/litro.
2.4.2 Compressibilidade
Compressibilidade é a propriedade que tem os corpos 
de reduzir seus volumes sob a ação de pressões 
externas.
Considerando a lei da conservação da massa, um 
aumento de pressão corresponde a um aumento de 
massa específica, ou seja, uma diminuição de volume.
Em termos práticos, a compressibilidade da água é 
considerada apenas no problema de cálculo do golpe 
de ariete.
2.4.3 Elasticidade
Uma propriedade importante de um fluido compressível é 
o seu módulo de elasticidade volumétrica, que indica 
como o volume específico varia com a pressão aplicada.
Quanto maior o valor do módulo de elasticidade, menos 
compressível é o fluido.
2.4.4 – Viscosidade/Atrito interno. Líquidos Perfeitos. Atrito 
Externo
Viscosidade/Atrito interno
Quando um fluido escoa, verifica-se um movimento 
relativo entre suas partículas, resultando um atrito entre 
as mesmas. Atrito interno ou viscosidade é a propriedade 
dos fluidos responsável pela sua resistência à 
deformação.
De maneira geral, para os líquidos, a viscosidade cai com 
o aumento da temperatura e para os gases sobe com o 
aumento da mesma.
Líquidos Perfeitos
Líquido perfeito ocorre quando consideramos o fluido sem 
viscosidade e incompressível. Na prática ele não existe, 
mas em um grande número de casos é prático considerar 
a água como tal.
Um fluido em repouso goza da isotropia, isto é, em torno 
de um ponto os esforços são iguais em todas as direções.
Num fluido em movimento, devido à viscosidade, há 
anisotropia na distribuição dos esforços.
Atrito Externo
Chama-se atrito externo à resistência ao deslizamento de 
fluidos, ao longo de superfícies sólidas.
Quando um fluido escoa ao longo de uma superfície 
sólida, junto à mesma existe sempre uma camada fluida,aderente, que não se movimenta.
Nessas condições, deve-se pois entender que o atrito 
externo é uma consequência da ação de freio exercida 
por essa camada estacionária sobre as demais partículas 
em movimento.
2.4.5 – Coesão, adesão e tensão superficial
As propriedades de adesão, coesão e tensão superficial 
são responsáveis pelos conhecidos fenômenos de 
capilaridade. 
Coesão: propriedade que permite às partículas fluidas 
resistirem a pequenos esforços de tensão.
Adesão: quando um líquido está em contato com um 
sólido, a atração exercida pelas moléculas do sólido 
pode ser maior que a atração existente entre as 
moléculas do próprio líquido.
Tensão superficial: na superfície de um líquido em contato 
com o ar, há a formação de uma verdadeira película 
elástica. Isso é devido a atração entre as moléculas do 
líquido ser maior que a atração exercida pelo ar e ao fato 
de as moléculas superficiais atraídas para o interior do 
líquido tenderem a tornar a área da superfície um mínimo.
2.4.6 – Tensão de vapor
Dependendo da pressão a que está submetido, um 
líquido entra em ebulição a determinada temperatura; 
variando a pressão, varia a temperatura de ebulição.
Por exemplo, a água entra em ebulição à temperatura de 
100ºC quando a pressão é 1,0332kgf/cm² (1 atm), mas 
também pode ferver a temperaturas mais baixas se a 
pressão também for menor.