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UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU Centro de Ciências Tecnológicas -CCT Departamento de Engenharia Civil Prof°. Ademar Cordero, Dr. Engenheiro Civil - UCPEL Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento – UFRGS/IPH Doutor em Engenharia Hidráulica – Politécnico de Milão/Itália CAMPUS II - FURB Blumenau, 2016. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 2 SUMÁRIO 1 PROPRIEDADES DOS FLUÍDOS .......................................................................................................................... 3 1.1 INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES ................................................................................................................................................................... 3 1.2 DEFINIÇÃO DE FLUIDO ................................................................................................................................................................................. 3 1.3 VISCOSIDADE ................................................................................................................................................................................................. 4 1.3.1 Viscosidade absoluta ou dinâmica () ............................................................................................................ 4 1.3.2 Coeficiente de viscosidade cinemática () ..................................................................................................... 7 1.4 MASSA ESPECIFICA OU DENSIDADE ABSOLUTA () ............................................................................................................................ 7 1.5 PESO ESPECIFICO () ..................................................................................................................................................................................... 7 1.6 DENSIDADE (D) .............................................................................................................................................................................................. 7 1.7 FLUIDO IDEAL E FLUIDO REAL ................................................................................................................................................................... 8 1.8 FLUÍDO IMCOMPRESSIVEL E COMPRESSIBILIDADE ............................................................................................................................. 8 1.9 EQUAÇÃO DE ESTADO DOS GASES ............................................................................................................................................................ 8 1.10 SISTEMA DE UNIDADES: ANÁLISE DIMENSIONAL E SIMILARIDADES ............................................................................................ 9 1.10.1. Sistema MKS de unidades ......................................................................................................................... 10 1.10.2. Sistema CGS de unidades .......................................................................................................................... 10 1.10.3. Sistema Internacional de Unidades (SI) ................................................................................................... 11 1.10.4. Tabela comparativa de Unidades .............................................................................................................. 13 2. ESTATICA DOS FLUIDOS.................................................................................................................................... 14 2.1 CONCEITOS DE PRESSÃO E EMPUXO ...................................................................................................................................................... 14 2.2 LEI DE PASCAL ............................................................................................................................................................................................. 14 2.3 LEI DE STEVIN: PRESSÃO DEVIDA A UMA COLUNA LÍQUIDA ........................................................................................................... 15 2.4 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA ............................................................................................................................................ 15 2.5 MEDIDAS DE PRESSÃO ............................................................................................................................................................................... 16 2.6 FORÇA NUMA SUPERFÍCIE PLANA SUBMERSA ..................................................................................................................................... 18 2.7 FORÇA SOBRE SUPERFÍCIES CURVAS SUBMERSAS ............................................................................................................................. 20 2.8 EMPUXO ........................................................................................................................................................................................................ 20 2.9 FLUTUADOR - NOMENCLATURA ............................................................................................................................................................. 21 2.10 ESTABILIDADE ........................................................................................................................................................................................... 22 2.11 ESTABILIDADE VERTICAL ...................................................................................................................................................................... 22 2.11.1 Corpo totalmente submerso em equilíbrio .................................................................................................. 22 2.11.2 Corpo parcialmente submerso em equilíbrio .............................................................................................. 22 2.12 ESTABILIDADE À ROTAÇÃO ................................................................................................................................................................... 22 2.12.1 Corpo totalmente submerso, em equilíbrio ................................................................................................. 22 2.12.1 Corpo parcialmente submerso, em equilíbrio ............................................................................................. 23 3. CINEMÁTICA DOS FLUIDOS ............................................................................................................................. 24 3.1 REGIMES OU MOVIMENTOS VARIADO E PERMANENTE .................................................................................................................. 24 3.2 ESCOAMENTOS LAMINAR E TURBULENTO ......................................................................................................................................... 24 3.3 TRAJETÓRIAS E LINHAS DE CORRENTE ............................................................................................................................................... 25 3.4 ESCOAMENTO UNIDIMENSIONAL OU UNIFORME NA SEÇÃO ......................................................................................................... 26 3.5 VAZÃO – VELOCIDADE MÉDIA NA SEÇÃO .......................................................................................................................................... 27 3.6 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE PARA REGIME PERMANENTE ........................................................................................................28 3.7 VELOCIDADE E ACELERAÇÃO NOS ESCOAMENTOS DE FLUIDOS ................................................................................................. 30 4 EQUAÇÃO DA ENERGIA PARA REGIME PERMANENTE .......................................................................... 31 4.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................................................................................................. 31 4.2 TIPOS DE ENERGIAS MECÂNICAS ASSOCIADAS A UM FLUIDO ....................................................................................................... 31 4.2.1 Energia Potencial (Ep) .................................................................................................................................. 31 4.2.2 Energia Cinética (Ec) .................................................................................................................................... 31 4.2.3 Energia de Pressão (Epr) ............................................................................................................................... 31 4.2.4 Energia mecânica total do fluido (E) ............................................................................................................ 32 4.3 EQUAÇÃO DE BERNOULLI ........................................................................................................................................................................ 32 4.4 EQUAÇÃO DA ENERGIA E PRESENÇA DE UMA MÁQUINA ................................................................................................................ 34 ANEXOS ....................................................................................................................................................................... 35 LISTA DE EXERCÍCIOS ........................................................................................................................................... 38 Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 3 CAPÍTULO 1 1 PROPRIEDADES DOS FLUÍDOS 1.1 INTRODUÇÃO E APLICAÇÕES A Hidráulica Geral que iremos estudar é a parte denominada Mecânica dos Fluidos. Mecânica dos fluidos é a ciência que tem por objetivo o estudo do comportamento físico dos fluidos e das leis que regem este comportamento. Aplicações: Ação de fluidos sobre superfícies submersas. Ex.: Reservatórios, barragens. Ação de fluidos sobre veículos, aviões (Aerodinâmica). Ação do vento sobre construções civis. Cálculo de instalações hidráulicas. Ex.: instalação de recalque. Cálculo de máquinas hidráulicas. Ex.: bombas e turbinas. Equilíbrio de corpos flutuantes. Ex.: embarcações. 1.2 DEFINIÇÃO DE FLUIDO Fluido é uma substância que não tem forma própria, e que, se estiver em repouso, não resiste a tensões de cisalhamento. Figura 1.2(a) – Estados da Matéria Líquidos possuem uma interação intermolecular forte e por isso eles tomam a forma do recipiente, porém restringindo-se a um volume finito. Gases possuem interação molecular fraca e por isso, além de tomarem a forma do recipiente, o preenchem completamente. Pressão A F p n Tensão de Cisalhamento A Ft Figura 1.2(b) – Decomposição das Forças Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 4 1.3 VISCOSIDADE Quando um fluído escoa, verifica-se um movimento entre as suas partículas, resultando um atrito entre as mesmas; atrito interno ou viscosidade é a propriedade dos fluídos responsáveis pela sua resistência à deformação. Os fluidos são substâncias viscosas, e isso significa que suas moléculas aderem às paredes das tubulações, produzindo assim atrito e perda de carga. 1.3.1 Viscosidade absoluta ou dinâmica () Princípio da aderência: Análise entre duas placas - tensões de cisalhamento As partículas do fluido junto ás superfícies sólidas adquirem as velocidades dos pontos das superfícies com as quais estão em contato. Figura 1.3(a) – Diagrama de Velocidades Junto à placa superior as partículas do fluido têm velocidade diferente de zero. Junto à placa inferior as partículas têm velocidade nula. Entre as partículas e cima e as de baixo existirá atrito, que por ser uma força tangencial formará tensões de cisalhamento, com sentido contrário ao do movimento, como a força de atrito. As tensões de cisalhamento agirão em todas as camadas fluidas e evidentemente naquela junto à placa superior dando origem a uma força oposta ao movimento da placa superior. Quando Ft = F, a placa superior adquirirá movimento uniforme, com velocidade constante vo. Lei de Newton: A tensão de cisalhamento ô é proporcional ao gradiente de velocidade dv/dy. O coeficiente de proporcionalidade µ: viscosidade absoluta ou dinâmica. dy dv A Ft Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 5 Figura 1.3(c) – Gráfico Tipos de Fluidos Figura 1.3(b)- Detalhe Diagrama de Velocidades Fluidos Newtonianos: os que seguem a Lei de Newton. Fluidos não newtonianos – são aqueles que não obedecem a lei de Newton da viscosidade Designação de comportamento Equação Reológica Exemplos de Fluidos e Misturas Plástico ou de Bingham � = �� + �� �� �� Lamas de esgoto Misturas concentradas de minérios em água Pó de carvão em água Pseudoplástico � = � � �� �� � � Polpa de papel em água Tintas e Vernizes Pó de cimento em água Sangue Pseudoplástico com cedência � = ��� � �� �� � � Suspensão de argila em água Solução de polímeros Newtoniano � = � �� �� Água Ar Óleos Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 6 Simplificação Prática Como ε é muito pequeno, na prática admite-se distribuição linear de velocidades, segundo a normal às placas. Figura 1.3(d) – Distribuição linear de velocidades ���~ ��� �� �� = �� � Portanto: .0 cte V y V dy dv A viscosidade ( μ ) fica A Ft 0 V A Ft 0VA Ft 2 .. m skgf A viscosidade depende da natureza do fluído e sua variação é função da temperatura. Figura 1.3(e) – Gráfico Viscosidade/Temperatura Para a água o valor de pode ser calculada pela seguinte expressão: Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 7 22 . .000221,0.0337,01 000181,0 m skgf tt sendo, t a temperatura em graus centígrados. 1.3.2 Coeficiente de viscosidade cinemática () É a razão entre o coeficiente de viscosidade dinâmica pela massa específicado fluído (m2/s) Onde: é a viscosidade cinemática – propriedade física do fluido comparada com uma força de resistência ao escoamento, e μ é a viscosidade absoluta. Para a água, é da ordem de 1x10-6 m2/s ou 0,000001 m2/s. 1.4 MASSA ESPECIFICA OU DENSIDADE ABSOLUTA () A massa específica ou densidade absoluta ( = RÔ) de um corpo é caracterizada através de uma relação da sua massa com o seu volume. Ou seja, um corpo pode ter um grande volume e possuir pouca massa, como é o caso dos isolantes térmicos. Já há substâncias que têm pequeno volume, mas possuem elevada massa. Estas substâncias têm então uma densidade elevada. Como exemplo, lembramos que a relação entre a massa e o volume de um navio é inferior à da água e por isso flutuam sobre a mesma, como uma rolha de cortiça é capaz de fazê-lo num copo d’água. m V H O k g m2 1 0 0 0 3 / (massa especifica da água) Tabela 3- Massas específicas aproximadas (temperatura ambiente) Material Massa específica [kg/m3] Aço 7600 Óleos 800 Alumínio 2700 Mercúrio 13600 Água no estado líquido 1000 1.5 PESO ESPECIFICO () Peso específico de um líquido é o peso da unidade de volume desse liquido. P V m g V g . . g. Peso específico da água destilada a 4°C= 1000 kgf/m3 Peso específico do mercúrio = 13600 kgf/m3 1.6 DENSIDADE (D) Densidade ou peso especifico relativo de um líquido é a comparação que se faz entre o peso deste liquido e o peso de igual volume de água destilada a 4°C. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 8 Densidade do mercúrio OH Hg Hgd 2 = 13600 1000 = 13,6 (adimensional) Isto significa que um certo volume de mercúrio é 13,6 vezes mais pesado que igual volume de água destilada a 4°C. 1.7 FLUIDO IDEAL E FLUIDO REAL Fluido Ideal é aquele cuja viscosidade é nula. Portanto escoa sem perdas de energia. Esta hipótese é utilizada por questões didáticas ou a viscosidade tem um efeito secundário no fenômeno. Fluido real é aquele que existe viscosidade. Portanto são os existentes, tal como, a água, a gasolina, o ar, etc. 1.8 FLUÍDO IMCOMPRESSIVEL E COMPRESSIBILIDADE Compressibilidade é a propriedade que têm os corpos de reduzir seus volumes, sob ação de pressões externas. Os líquidos variam muito pouco com a pressão por isto eles podem ser chamados de incompressíveis, já os aeriformes (gases e vapores) variam muito com a pressão e com a temperatura, portanto são denominados compressíveis.. 1.9 EQUAÇÃO DE ESTADO DOS GASES Quando o fluido não puder ser considerado incompressível e ao mesmo tempo houver efeitos térmicos, haverá necessidade de determinar as variações da massa especifica ρ em função da pressão e da temperatura. De uma maneira geral, estas variações obdecem, para os gases, a lei do tipo f(ρ, p, T) = 0, denominadas equações de estado. Para as finalidades deste desenvolvimento, sempre que for necessário, o gás envolvido, será suposto como gás perfeito, obedecendo a equação de estado. RT p ou RT p onde: p = pressão absoluta R = Constante cujo valor depende do gás (para o ar R=287 m2/s2 K) T = temperatura absoluta em escala Kelvin (K= 0C+273) Na mudança do estado de um gás. 2 1 2 1 2 1 T T p p O processo é isotérmico quando a transformação não há variação de temperatura. cnte pp 2 1 2 1 O processo é isobárico quando na transformação não há variação de pressão. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 9 cnteTT 2211 O processo é isócrono ou isométrico quando na transformação não há variação de volume. cnte T p T p 2 1 2 1 O processo é adiabático quando na transformação não há troca de calor. cnte pp kk 22 1 1 1 k é a constante adiabática que depende do gás. Para o ar k =1,4. 1.10 SISTEMA DE UNIDADES: ANÁLISE DIMENSIONAL E SIMILARIDADES A análise dimensional permite resolver problemas cujas soluções não são encontradas pelos processos usuais de cálculo. Quantidades podem ser adicionadas ou subtraídas somente quando possuírem a mesma dimensão. As grandezas físicas fundamentais são aquelas a partir das quais todas as outras grandezas físicas são definidas. As grandezas derivadas são combinações das grandezas fundamentais. O valor de qualquer medida física é expresso como a combinação de dois fatores: a unidade e o número dessa unidade. Tempo e comprimento são tidos como grandezas fundamentais. Velocidade: m/s é unidade derivada da razão entre as unidades fundamentais metro e segundo. Para o estabelecimento de um sistema de unidades é necessário uma terceira grandeza fundamental, que pode ser a massa ou força. Aqueles sistemas que apresentam a massa como a terceira grandeza fundamental são conhecidos como sistemas de unidade absoluta, enquanto aqueles que têm a força como unidade fundamental são chamados sistemas de unidade técnicos. Existem também sistemas unitários usados na engenharia que consideram comprimento, tempo, massa e força como grandezas fundamentais. Enquanto existe tendência de unificação internacional por meio do Sistema Internacional (SI) de Unidades, o Sistema MKS, o Sistema CGS de unidades e outros ainda são bastante usados em várias áreas e há algumas razões de ordem lógica, outras de fundo histórico, outras ainda de respaldo tradicional Os três sistemas de unidade: o C.G.S. (CGS), o Giorgi (MKS) e o Sistema Internacional (SI) é apresentado nas tabelas 10.1 e 10.2. Tabela 10.1 - Sistema de Unidade Absoluto (MLT) Grandeza CGS MKS SI Comprimento (L) 1 centímetro (cm) 1 metro (m) 1 metro (m) Massa (M) 1grama (g) 1 quilograma (kg) 1 quilograma (kg) Tempo (T) 1 segundo (s) 1 segundo (s) 1 segundo (s) Tabela 10.2 - Sistema de Unidade Absoluto (MFT) Grandeza CGS MKS (Técnico) SI Comprimento (L) 1 centímetro (cm) 1 metro (m) 1 metro (m) Força (F) 1grama força (gf) 1 quilograma força (kgf) 1 Newton (N) Tempo (T) 1 segundo (s) 1 segundo (s) 1 segundo (s) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 10 1.10.1. Sistema MKS de unidades Sistema MKS de unidades é um sistema de unidades de medidas físicas, ou sistema dimensional, de tipologia LMT (comprimento, massa tempo), cujas unidades-base são o metro para o comprimento, o quilograma para a massa e o segundo para o tempo. MKS é, assim, um acrônimo maiúsculo para metro–kg (quilograma)–segundo. É o sistema de unidades físicas essencial que originou o Sistema Internacional de Unidades (SI), por este sendo substituído. O SI baseou-se, em essência, no Sistema MKS de unidades, algumas vezes dito (embora impropriamente) "sistema métrico de unidades". Tabela 10.3 - Sistema MKS de unidades Grandeza Unidade Simbolo Abreviação comprimento metro m massa quilograma kg tempo segundo s força quilograma força kgf energia Joule J = 1 kg.m²/s² potência Watt W = 1 kg.m²/s³ pressão Pascal Pa = 10 5 bar 1.10.2. Sistema CGS de unidades CGS é, assim, um acrônimo maiúsculo para centímetro–grama–segundo.Conquanto haja tendência de unificação internacional por meio do Sistema Internacional de Unidades, o Sistema CGS ainda é bastante usado em várias áreas e há algumas razões de ordem lógica, outras de fundo histórico, outras ainda de respaldo tradicional. Eis algumas dessas razões: muitas fórmulas do eletromagnetismo são mais simples em unidades CGS; em alguns contextos, elas ainda parecem ser mais convenientes; boa parte da antiga literatura de física ainda usa essas unidades; as unidades CGS ainda são largamente empregadas em astronomia. Assim como no Sistema internacional, algumas unidades derivadas recebem nomes especiais: Dina (para força); Erg (para energia, trabalho, calor, etc.); Poise (para viscosidade dinâmica em fluidos); Stokes (para viscosidade cinemática); Dina por centímetro cúbico (para peso específico). Tabela 10.4 - Múltiplos / subdivisões Quilômetros (km) Quilograma (kg) Quilolitro (kl) Hectômetro (hm) Hectograma (hg) Hectolitro (hl) Decâmetro (dam) Decagrama (dag) Decalitro (dal) Metro (m) Grama (g) Litro (l) Decímetro (dm) Decigrama (dg) Decilitro (dl) Centímetro (cm) Centigrama (cg) Centilitro (cl) Milímetro (mm) Miligrama (mg) Mililitro (ml) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 11 Tabela 10.5 - Unidades mecânicas CGS Grandeza Unidade Simbolo - Abreviação Equivale (SI) comprimento centímetro cm = 10–2 m massa grama g = 10–3 kg tempo segundo s s força dina dyn = 1 g.cm/s² = 10–5 N energia erg erg = 1 g.cm²/s² = 10–7 J potência erg por segundo 1 erg/s = 1 g.cm²/s³ = 10–7 W pressão bar 1 bar = 105 Pa viscosidade dinâmica Poise 1 P = 1 g/(cm.s) = 0,10 Pa.s 1.10.3. Sistema Internacional de Unidades (SI) Foi muito conveniente se unificar o uso dos sistemas de unidades quando os países Anglo- Saxões incorporaram o sistema métrico decimal. Com este propósito, o MKS foi adotado como o sistema internacional e denominado como SI. Embora a obrigatoriedade do sistema seja reconhecida, outros sistemas ainda são utilizados, atualmente muitos periódicos de engenharia e livros são editados somente em SI, tornando este sistema o mais recomendável. A Tabela 6 apresenta as unidades fundamentais deste sistema com algumas unidades suplementares e derivadas. Tabela 10.6 - Sistema Internacional de Unidades Grandeza Unidade Abreviação Dimensão analítica Dimensão Comprimento metro m m L Massa quilograma kg kg M Tempo segundo s s T Força newton N Kg.m/s2 MLT 2 Energia joule J kg·m²/s²=N·m ML 2 T -2 Potência watt W kg·m²/s³=J/s ML 2 T -3 Pressão pascal Pa (kg.m/s²)/m²= N/m² ML -1 T -2 Frequência hertz Hz 1/s T -1 Unidades aceitas pelo SI O SI aceita várias unidades que não pertencem ao sistema. A primeiras unidades deste tipo são unidades muito utilizadas no cotidiano: Tabela 10.7 - Tabela com as unidades aceitas pelo sistema SI Grandeza Unidade Símbolo Relação com o SI Tempo minuto min 1 min = 60 s Tempo hora h 1 h = 60 min = 3600 s Tempo dia d 1 d = 24 h = 86 400 s Ângulo plano grau ° 1° = π/180 rad Ângulo plano minuto ' 1' = (1/60)° = π/10 800 rad Ângulo plano segundo " 1" = (1/60)' = π/648 000 rad Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 12 Volume litro l ou L 1 l = 0,001 m³ Massa tonelada t 1 t = 1000 kg Tabela 10.8 - Fatores de conversão úteis Comprimentos Superfície Volume e Capacidade 1 cm 0,3937 pol. 1 cm² 0,155 pol² 1 m³ 1000 litros 1 m 39,37 pol. 1 m² 10000 cm² 1 m³ 1000000 cm³ 1 pol. 2,54 cm 1 m² 10,76 pés² 1 Km³ 1000000000 m³ 1 pé 30,48 cm 1 Km² 1000000 m² 1 barril de óleo 158,98 litros 1 pé 12 pol. 1 há 10.000 m² 1 légua 6600 m 1 acre 4047 m² Pressão Atmosférica ao Nível do Mar Trabalho , potência, calor 1 atm 10,33 10 mca 1 cv 736 W 1 atm 1,033 1,0 Kgf/cm² 1 cv 0,736 kW 1 atm 10330,0 1x104 Kgf/m² 1 CV 0,986 HP 1 atm 9,81x104 105 N/m² 1 HP 1,014 CV 1 atm 100.000 ou 105 Pa 1 HP 745 W 1 atm 100 kPa 1 HP 0,745 kW 1 atm 0,1 MPa 1 cal 4,1868 J 1 atm 760 mm de Hg 1 BTU 1060,4 J 1 Kgf/m² 10 Pa N/m² Pascal = Pa Tabela 10.9 - Múltiplos e submúltiplos Prefixo Fator de multiplicação Símbolo SI tera 10 12 T giga 10 9 G mega 10 6 M quilo 10 3 k hecto 10 2 h deca 10 1 da deci 10 -1 d centi 10 -2 c mili 10 -3 m micro 10 -6 μ nano 10 -9 n Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 13 1.10.4. Tabela comparativa de Unidades MKfS ou MK*S Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 14 CAPÍTULO 2 2. ESTATICA DOS FLUIDOS 2.1 CONCEITOS DE PRESSÃO E EMPUXO A pressão é a relação entre a força, de módulo constante, e a unidade de área sobre a qual ela atua. Figura 2.1(a) – Corpo submerso Considere, no interior de certa massa líquida, uma porção de volume V limitada pela superfície A. Se dA representar um elemento de área e dF a força que nela atua, a pressão será dA dF p (2.1) Considerando toda a área, o efeito da pressão produzirá uma força resultante que se chama empuxo, chamada também de pressão total. Essa força é dada por: dApE A . (2.2) Se a pressão for a mesma em toda a área, o empuxo será ApE . (2.3) Pressão em torno de um ponto de um fluido em repouso: “Em qualquer ponto no interior de um líquido em repouso, a pressão é a mesma em todas as direções”. Figura 2.1(b) - Pressão em torno de um ponto de um fluido em repouso 2.2 LEI DE PASCAL A pressão aplicada a um ponto de um fluido incompressível, em repouso, transmite-se integralmente a todos os demais pontos do fluido. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 15 Figura 2.2 – Lei de Pascal 2.3 LEI DE STEVIN: PRESSÃO DEVIDA A UMA COLUNA LÍQUIDA Imagine, no interior de um líquido em repouso, um prisma ideal. O somatório de todas as forças que atuam neste prisma segundo a vertical e igual a zero, ou 0 yF (2.4) Dessa forma 021 AphAAp (2.5) obtendo-se hpp .12 (2.6) Lei de Stevin: “A diferença de pressão entre dois pontos da massa de um líquido em equilíbrio é igual à diferença de profundidade multiplicada pelo peso específico do líquido”. 2.4 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA Escalas de pressão a) Escala efetiva (relativa): É aquela que toma como referência (zero) a pressão atmosférica. As pressões nessa escaladizem-se efetivas ou relativas. b) Escala absoluta: é aquela que toma como referência (zero) o vácuo absoluto. As pressões nessa escala são chamadas absolutas. Figura 2.3 – Lei de Stevin Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 16 Figura 2.4(a) – Esquema de pressões relativas e absolutas A pressão na superfície de um líquido é exercida pelos gases que se encontram acima, geralmente à pressão atmosférica. ‘ Figura 2.4(b) – Comparativo de Pressões Levando-se em conta a pressão atmosférica, ou não tem-se: p1 = pa + .h (absoluta) p1 = .h (relativa) (2.7) p2 = p1 + .h´ = pa + .(h + h´) (absoluta) p2 = .(h + h´) (relativa) (2.8) A pressão atmosférica varia com a altitude: - 10,33 m de coluna d´água ao nível do mar; - mercúrio 13,6 menor, ou seja, 0,76 m. Em muitos problemas referentes às pressões nos líquidos, interessa conhecer somente a diferença de pressões. Portanto, a pressão atmosférica é considerada igual a zero. 2.5 MEDIDAS DE PRESSÃO O dispositivo mais simples para medidas de pressão é o tubo piezométrico ou piezômetro, que consiste em inserir um tubo transparente na canalização ou recipiente onde se quer medir a pressão. O líquido subirá no tubo a uma altura h (Figura 2.5), correspondente à pressão interna. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 17 Outro dispositivo é o tubo de U aplicado para medir pressões muito pequenas ou demasiadamente grandes para os piezômetros. Figura 2.5(a)- Piezômetro Figura 2.5(b)- Piezômetro U Pressão em A = pa em B = pa + ´.h em C = pa + ´.h em D = pa + ´.h - .z 2.5.1 Manômetro diferencial: Diferença de pressão entre dois pontos Figura 2.5(c) – Manômetro diferencial �� + ��( � �)+ �� � = �� + ��( � �)+ �� � Regra: Começando do lado esquerdo, soma-se a pressão pA a pressão das colunas descendentes e subtrai- se aquela das colunas ascendentes. Notar que as cotas são sempre dadas até a superfície de separação de dois fluidos do manômetro. Tem-se, portanto: Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 18 Figura 2.5(d) Esquema de cálculo manômetro diferencial �� + �� � + �� � �� � + �� � �� � �� � = �� Unidades utilizadas para pressão A pressão pode ser expressa em diferentes unidades: - Pascal (Pa = N/m2) no sistema SI; - kgf/m2 no sistema MK*S; gf/cm2 (sistema CGS); - mmHg; - metros de coluna d´água (m.c.a.); - atmosfera ou atmosfera técnica; - bar. Relação entre as unidades: 760 mmHg = 10,33 m.c.a. = 1 atmosfera 1 atmosfera técnica = 10 m.c.a. = 1 kgf/cm2 = 104 kgf/m2 = 9,8 x 104 Pa 1 bar = 105 Pa 2.6 FORÇA NUMA SUPERFÍCIE PLANA SUBMERSA O conceito de empuxo é aplicado nos projetos de comportas, registros, barragens, tanques, canalizações, etc. a) Superfícies verticais Grandeza e direção do empuxo O empuxo exercido sobre uma superfície plana imersa é uma grandeza tensorial perpendicular à superfície e é igual ao produto da área pela pressão relativa ao centro de gravidade da área. Matematicamente, tem-se a seguinte equação: AhF CG (2.9) onde: F é a força ou empuxo exercido sobre uma superfície plana imersa (kgf, N ou kN); é o peso específico do líquido (kgf, N ou kN por metro cubico); hCG é a profundidade do centro de gravidade até a superfície livre do liquido (m); A é a área da superfície plana (m2). Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 19 A resultante das pressões (F) não está aplicada no centro de gravidade (CG) da figura, porém um pouco abaixo, num ponto que se denomina centro de pressão (CP). Figura 2.6(a) - Determinação do centro de pressão A posição do centro de pressão pode ser determinada aplicando-se o teorema dos momentos. A equação resultante é: CG CGCP hA I hh 0 (2.10) onde: hCP é a distância entre a superfície livre do líquido e o centro de pressão da área, na direção da placa AB Io é o momento de inércia em relação ao eixo-intersecção; hCG é a distância entre a superfície livre do líquido e o CG da área, na direção da placa AB. Quando um dos lados da placa está na superfície pode-se aplicar a seguinte equação: �� = � � (2.11) b) Superfícies inclinadas Figura 2.6(b) – Elementos da comporta plana inclinada Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 20 Para analisar o centro de empuxo nas superfícies submersas inclinadas pode-se usar as seguintes expressões: CG CGCP yA I yy 0 e senyh CGCP ou 20 sen hA I hh CG CGCP onde: ��� é a profundidade inclinada do centro de pressão em relação a superfície livre; �� é a profundidade vertical do centro de pressão em relação a superfície livre; Io é o momento de inércia em relação ao eixo-intersecção; ��� é a profundidade inclinada do centro de gravidade da placa; �� é a profundidade vertical do centro de gravidade da placa; � é o ângulo de inclinação da placa submersa. 2.7 FORÇA SOBRE SUPERFÍCIES CURVAS SUBMERSAS É conveniente separar as forças em componentes horizontal (FH) e vertical (FV). Ex.: barragem com paramento curvo Figura 2.7(a)- Força em comporta curva a) Força horizontal: calcula-se como se fosse superfície plana, aplicando a fórmula AhF CGH .. Sendo, A é a área projetada no plano que passa pelos pontos ab (normal à folha). b) Força vertical: é numericamente igual ao peso do líquido no volume abc, ou seja, FV = .Vabc c) Resultante: determina-se a resultante R pela equação: 22 VHR FFF 2.8 EMPUXO Princípio de Arquimedes: “num corpo total ou parcialmente imerso em um fluido, age uma força resultante vertical de baixo para cima, chamada empuxo, cuja intensidade é igual ao peso do volume de fluido deslocado”. E = γ V(deslocado) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 21 onde: E é o empuxo; V é o volume deslocado pelo corpo = volume do corpo submerso; é o peso especifico do corpo . Figura 2.8 – Forças agindo em um corpo submerso 2.9 FLUTUADOR - NOMENCLATURA Quando o corpo flutuará? O corpo flutuará quando se seu peso G for menor que o empuxo. E G Corpo flutuante ou flutuador é qualquer corpo que permanece em equilíbrio quando estiver parcial ou totalmente imerso em umliquido. Plano de flutuação é o plano horizontal da superfície livre do fluido. Linha de flutuação é a intersecção do plano de flutuação com a superfície do flutuador. Seção de flutuação é a seção plana cujo contorno é a linha de flutuação. Volume de carena é o volume de fluido deslocado pela parte imersa do flutuador. O volume de carena é igual a intensidade do empuxo. Centro de carena é o ponto de aplicação de empuxo. Se o fluido for homogêneo, o centro de carena coincidirá com o centro de gravidade do volume de carena. Figura 2.9 – Nomenclatura Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 22 2.10 ESTABILIDADE As forças que agem num corpo total ou parcialmente submerso em repouso são o seu peso (G), cujo ponto de aplicação é o centro de gravidade do corpo, e o empuxo (E), cujo ponto de aplicação é o centro de carena. Para que um flutuador esteja em equilíbrio, é necessário que essas duas forças tenham a mesma intensidade, a mesma direção e sentidos opostos. Em um corpo em equilíbrio aplica-se uma pequena força durante um intervalo de tempo muito pequeno, esta força fará com que o corpo se desloque em relação a posição inicial. Retirando essa força: ● Equilíbrio estável. O corpo retorna a posição de equilíbrio inicial: diz-se que o equilíbrio é estável; ● Equilíbrio instável. O corpo, mesmo retirando a força, afasta-se cada vez mais da posição inicial: diz-se que o equilíbrio é instável; ● Equilíbrio indiferente. O corpo permanece na nova posição, sem retornar, mas sem se afastar mais da posição inicial: diz-se que o equilíbrio é indiferente. 2.11 ESTABILIDADE VERTICAL 2.11.1 Corpo totalmente submerso em equilíbrio Se o corpo estiver totalmente submerso em equilíbrio, o volume deslocado é sempre o mesmo. 2.11.2 Corpo parcialmente submerso em equilíbrio Ao deslocar o corpo para baixo, o volume de carena e o empuxo aumentam E > G Retirando a força que causou o deslocamento, o flutuador sobe até que haja uma diminuição no volume de carena até: E = G. Se o corpo for deslocado para cima, o volume de carena diminuirá: E < G; Ao retirar a força aplicada, o corpo desce até que E = G. 2.12 ESTABILIDADE À ROTAÇÃO Um flutuador obrigado a abandonar a sua posição de equilíbrio, por uma pequena força que o faça girar de um pequeno ângulo em torno de um eixo de rotação. 2.12.1 Corpo totalmente submerso, em equilíbrio Em um corpo totalmente submerso em equilíbrio, para que haja estabilidade a rotação, o centro de gravidade (CG) deverá estar abaixo do centro de carena (CC). Quando o CG está abaixo do CC e o corpo girar de um pequeno ângulo, este tenderá a girar no sentido contrário da rotação, para voltar a sua posição inicial, que será, portanto de equilíbrio estável. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 23 Figura 2.12(a) – Corpo totalmente imerso em equilíbrio E quando o CG estiver acima do CC, após uma pequena rotação, o corpo tenderá a girar ainda mais, pode-se dizer que neste caso o equilíbrio é instável. Figura 2.12(b) – Corpo totalmente imerso em equilíbrio instável 2.12.1 Corpo parcialmente submerso, em equilíbrio As vezes, quando a rotação do corpo causa uma variação no formato do volume de carena, o que cria um deslocamento no centro de carena, em relação ao corpo, tal que o equilíbrio pode ser estável mesmo que este esteja abaixo do centro de gravidade. Figura 2.12(c) – Corpo parcialmente submerso em equilíbrio Estando o corpo parcialmente submerso, com a rotação em torno do eixo O, o volume de carena que era ABCD, passa a ser LICB, com consequente deslocamento do centro de carena para a esquerda em CC`. Então analisando a posição do ponto M que é o chamado metacentro, que é a intersecção do eixo e simetria do flutuador com a direção do empuxo. Se o ponto M estiver acima do CG, o conjugado será contrário a rotação e o equilíbrio, estável. Se o ponto M estiver abaixo do CG, o conjugado será a favor da rotação e o equilíbrio, instável. Se o ponto M estiver em CG, o equilíbrio será indiferente. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 24 CAPÍTULO 3 3. CINEMÁTICA DOS FLUIDOS 3.1 REGIMES OU MOVIMENTOS VARIADO E PERMANENTE Regime permanente é aquele em que as propriedades do fluido são invariáveis em cada ponto com o passar do tempo. Isto significa que, apesar de um certo fluido estar em movimento, a configuração de suas propriedades em qualquer instante permanece a mesma. Figura 3.1(a) – Escoamento em regime permanente Regime variado é aquele em que as condições do fluido em alguns pontos ou regiões de pontos variam com o passar do tempo. Figura 3.2(b) – Escoamento em regime variado 3.2 ESCOAMENTOS LAMINAR E TURBULENTO Para definir esses dois tipos de escoamentos, recorre-se a experiência de Reynolds (1883). Figura 3.2 – Experiência de Reynolds Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 25 No escoamento laminar as partículas viajam sem agitações transversais mantendo-se em lâminas concêntricas, entre as quais não há troca macroscópica de partículas. No escoamento turbulento as partículas apresentam velocidades transversais importantes, já que o filete desaparece pela diluição de suas partículas no volume de água. Equação de Reynolds: �� = �V� � = V� � Re < 2000 Escoamento laminar 2000 < Re < 4000 Escoamento de transição Re > 4000 Escoamento turbulento 3.3 TRAJETÓRIAS E LINHAS DE CORRENTE A trajetória é o lugar geométrico dos pontos ocupados por uma partícula em instantes sucessivos. Figura 3.3(a) – Trajetória do Flutuante A linha de corrente é a linha tangente aos vetores da velocidade de diferentes partículas no mesmo instante. Figura 3.3(b) – Trajetória no instante t Tubo de corrente é a superfície de forma tubular formada pelas linhas de corrente que se apoiam numa linha geométrica fechada qualquer. Figura 3.3(c) – Linhas de corrente Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 26 Propriedades dos tubos de corrente: a) Os tubos de corrente são fixos quando o regime é permanente. b) Os tubos de corrente são impermeáveis a passagem de massa, isto é, não existe passagem de partículas de fluido através do tubo de corrente. 3.4 ESCOAMENTO UNIDIMENSIONAL OU UNIFORME NA SEÇÃO O escoamento é unidimensional quando a única coordenada é suficiente para descrever as propriedades o fluido. Figura 3.4(a) – Escoamento uniforme na seção Pela figura, observa-se que em cada seção a velocidade é a mesma, em qualquer ponto, sendo suficiente seu valor em função da coordenada x. No escoamento bidimensional, a variação da velocidade é em função das duas coordenadas x e y. Figura 3.4(b) – Escoamento bidimensional E também o escoamentopode ser tridimensional. Figura 3.4(c) – Escoamento tridimensional Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 27 3.5 VAZÃO – VELOCIDADE MÉDIA NA SEÇÃO A vazão em volume Q é definida como o volume de fluido que atravessa uma certa seção do escoamento por unidade de tempo. � = � � (m³/s; L/s; m³/h; L/min) Figura 3.5(a) - Vazão O volume de fluido que atravessa a seção de área A no intervalo de tempo t é Vol = A.S, logo a vazão será: Figura 3.5(b) – Volume por intervalo de tempo logo Q é a vazão em volume, m³/s ou L/s Vm(velocidade) é a velocidade média na seção, m/s A é a área, m² A vazão também pode ser definida em massa (��) e em peso (��). �� = � � = �v�� �� = � � = �v�� )( ..)( velocidadeVm t S mas t AS t volumeV Q AvelocidadeVmQ ).( Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 28 Onde: �� é a vazão em massa, em kg/s, utm/s, kg/h; m é a massa de fluido, em kg; é a massa especifica, em kg/m³; �� é a vazão em peso, em kgf/s, N/s, kgf/h P é o peso de fluido, N ou kgf; é o peso especifico, em kgf/m³; vm é a velocidade média na seção, m/s; A é a área da seção, m². A velocidade média na seção define-se como uma velocidade uniforme que, substituída no lugar da velocidade real, reproduziria a mesma vazão na seção. � = � v dA = v� � � → v� = 1 � � v dA � Figura 3.5(c) – Velocidade média e velocidade real ] 3.6 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE PARA REGIME PERMANENTE Suponhamos um fluido ideal em escoamento permanente, através de um tubo de corrente. Na entrada do tubo temos: A1 = área da seção transversal do tubo, 1 = massa especifica do fluido, V1 = velocidade média das partículas. Decorrido uma certa unidade de tempo, teremos a saída do tubo (a direita na figura) A2, 2 e V2 que são os novos valores das grandezas acima indicadas. Demonstração Suponhamos o fluído contido entre as seções transversais tomados nos pontos B e B’. 1, A1, V1 2, A2, V2 Corte longitudinal do tubo de corrente Saída Entrada 1, A1, V1 = 2, A2, V2 Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 29 Depois do intervalo de tempo dt, o fluído estará contido entre as seções C e C’. Para passar de B para C, a seção se deslocou do comprimento dl1. Como a diretriz varia a seção B’ se deslocou de outro comprimento (dl2), para atingir C’. Pelo princípio da conservação das massas, a massa de fluído entre as seções vizinhas B e C deve ser igual a massa de fluído entre as seções B’ e C’, aonde: 21 mm (1) sabemos que a massa especifica do fluído () é a razão entre a massa total do fluído (m) pelo volume total do fluído (V). V m Vm . (2) Substituindo (2) em (1) fica: 2211. VV (3) Mas os volumes V1 e V2 são: 111 dlAV e 222 dlAV Portanto a equação (3) fica: 222111 dlAdlA (4) na unidade de tempo dt, a equação (4) ficará dividida por dt: dt dl A dt dl A 222 1 11 (5) porém, 1 1 V dt dl que é velocidade média na seção A1 2 2 V dt dl que é a velocidade média na seção A2 Logo a equação (5) fica: 222111 VV AA (6) Como esta relação se verificam em 2 seções quaisquer concluímos que: CNTEAA 222111 VV (7) Que é a “Equação da Continuidade” no escoamento permanente. Nos líquidos incompressíveis (água, gasolina, óleos, etc..) = CNTE, logo a equação (7) fica: CNTEVAVAQ 2211 (8) Ou seja, a vazão em volume é constante em todas as seções transversais, a qualquer instante, no escoamento permanente e conservativo de fluído incompressível. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 30 De modo geral a equação (8) fica: VAQ Equação da Continuidade para Líquidos Incompressíveis. Onde, Q é a vazão, m3/s V é a velocidade média na seção, m/s A é a área da seção do escoamento, m2. 3.7 VELOCIDADE E ACELERAÇÃO NOS ESCOAMENTOS DE FLUIDOS Sendo v� = v��� + v��� + v��� → ���������� ��� ������� ���������� Se o regime for permanente, nem a velocidade nem suas componentes serão função do ponto, sendo somente funções do ponto. Logo: v� = v�(x, y, z) v� = v�(x, y, z) v� = v�(x, y, z) Mas � = �v� �� Então para regime permanente: � × �� = �� = v� �v� �x + v� �v� �� + v� �v� �� � × �� = �� = v� �v� �x + v� �v� �� + v� �v� �� � × �� = �� = v� �v� �x + v� �v� �� + v� �v� �� Para o regime variado, deve-se considerar a variação com o tempo: �� = �v� �v� �x + v� �v� �� + v� �vX �� � + �v� �� �� = �v� �v� �x + v� �v� �� + v� �v� �� � + �v� �� �� = �v� �v� �x + v� �v� �� + v� �v� �� � + �v� �� Esta é a equação da continuidade para um fluido qualquer em regime permanente. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 31 CAPÍTULO 4 4 EQUAÇÃO DA ENERGIA PARA REGIME PERMANENTE 4.1 INTRODUÇÃO Na equação da continuidade conclui-se que, para que a hipótese de regime permanente seja verdadeira, a massa de fluido que flui por uma seção de um tubo de corrente deve ser idêntica aquela que o abandona por outra seção qualquer. Baseado no fato de que a energia não pode ser criada nem destruída, mas apenas transformada, é possível construir uma equação que permitirá fazer o balanço das energias. 4.2 TIPOS DE ENERGIAS MECÂNICAS ASSOCIADAS A UM FLUIDO 4.2.1 Energia Potencial (Ep) É o estado de energia do sistema devido a sua posição no campo da gravidade em relação a um plano horizontal de referencia (PHR). �� = ��� Figura 4.2(a) – Energia potencial 4.2.2 Energia Cinética (Ec) É o estado de energia determinado pelo movimento do fluido. Figura 4.2(b) – Energia cinética 4.2.3 Energia de Pressão (Epr) Essa energia corresponde ao trabalho potencial das forças de pressão que atuam no escoamento do fluido. �pr = � pdV v Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 32 Figura 4.2(c) – Energia de pressão 4.2.4 Energia mecânica total do fluido (E) � = �� + �� + �pr � = ��� + �v� 2 + � pdV v 4.3 EQUAÇÃO DE BERNOULLI Se entre duas seções de escoamento, o fluido for incompressível, sem atritos, e o regime permanente, se não houver máquina nem trocas de calor, então as cargas totais se mantêm constantesem qualquer seção, não havendo nem ganhos nem perdas de carga. Figura 4.3(a) Deixando passar um intervalo de tempo dt, na seção(1): d��= d��g��+ dm1v1 2 2 + p1dV1 Na seção (2): d��= d��g��+ dm�v� 2 2 + p�dV� Sabemos que: dE1 = dE2 ou d��g��+ dm1v1 2 2 + p1dV1= d��g��+ dm�v� 2 2 + p�dV� Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 33 Como = �� �� e portanto dV = �� � , tem-se: d��g��+ dm1v1 2 2 + �� �� dm1= d��g��+ dm�v� 2 2 + �� �� dm� Como o fluido é incompressível, 1 = 2 e, como o regime é permanente, dm1 = dm2, portanto: g��+ v1 2 2 + �� � = g��+ v� 2 2 + �� � Dividindo a equação por g e lembrando que = g, tem-se: ��+ v1 2 2g + �� � = ��+ v� 2 2g + �� � → ����çã� �� ��������� � = �+ v2 2g + � � ���� � é � ������� ����� Figura 4.3(b) Plano de Referência Z1 Linha Energética (L.E.)= Plano de Carga Dinâmica (P.C.D.) p2/ Z2 Linha Piezométrica p1/ H (1) (2) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 34 4.4 EQUAÇÃO DA ENERGIA E PRESENÇA DE UMA MÁQUINA Máquina será qualquer dispositivo introduzido no escoamento, o qual forneça ou retire energia dele, na forma de trabalho. Para facilidade de linguagem, será denominada ´bomba` qualquer máquina que forneça energia ao fluido e ´turbina` qualquer máquina que retire energia dele. Figura 4.4 – Escoamento com a presença de uma máquina Se a máquina for uma bomba, o fluido receberá um acréscimo de energia tal que H2>H1. Para restabelecer a igualdade, deverá ser somada ao primeiro membro a energia recebida pela unidade de peso do fluido na máquina. Logo: H1 + HB = H2 HB é a carga ou altura manométrica da bomba e representa a energia fornecida a unidade de peso do fluido que passa pela bomba. Se a máquina for uma turbina, H1>H2, pois, a turbina retira energia do fluido. Para restabelecer a igualdade tem-se: H1 – HT = H2 HT é a carga ou altura monométrica da turbina ou energia retirada da unidade de peso do fluido pela turbina. �� + �� = �� → ����çã� ����� Sendo: HM = HB se a máquina for uma bomba; HM = -HT se a máquina for uma turbina. ou: ��+ v1 2 2g + �� � +��= ��+ v� 2 2g + �� � Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 35 . h b x y . D x y D . R x y . R x y ANEXOS Centróides de Área Triângulo X 3 h Y 2 hb A Triângulo Isósceles/Eqüilátero 0X 3 h Y 2 hb A Triângulo Retângulo 3 b X 3 h Y 2 hb A Círculo 2 D X 2 D Y 2RA Semicírculo 0X 3 4 R Y 2 2R A Quarto de Círculo 3 4 R X 3 4 R Y 4 2R A . h b/2 b/2 b h . y x Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 36 . b x y a . x y b a . h x y a . h a y x y . Y=kx² h a x Semi-elipse 0X 3 4 b Y 2 ab A Quarto de elipse 3 4 a X 3 4 b Y 4 ab A Parábola 0X 5 3h Y 3 4 ah A Semiparábola 8 3a X 5 3h Y 3 2 ah A Arco de Parábola do 2º grau 4 3a X 10 3h Y 3 ah A Arco de Parábola do grau n a n n X 2 1 h n n Y 24 1 1 n ah A Setor Circular 3 sen2r X 0Y 2rA y . Y=kxn h a x y x r Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 37 R . y´ x´ . h b x x´ y´ y . h b x y x´ b h . y x x´ y´ . R x y . R x y b x y a Momentos de Inércia Retângulo 12 ´ 3bh Ix 3 3bh Ix 12 ´ 3hb Iy 3 3hb Iy 22 12 hb bh Jc 22 3 hb bh Jo Triângulo Isósceles/Equilátero 36 ´ 3bh Ix 12 3bh Ix 36 ´ 3hb Iy 12 3hb Iy 22 12 hb bh Jo Círculo 4 ´ 4R Ix 4 ´ 4R Iy 2 4R Jo Semicírculo 8 4R Ix 8 4R Iy 4 4R Jo Quarto de Círculo 16 4R Ix 16 4R Iy 8 4R Jo Elipse 4 3ab Ix 4 3ba Iy 22 4 ba ab Jo Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 38 LISTA DE EXERCÍCIOS 1. Pressão 1.1. Para o tanque da figura a seguir: a) Determinar a pressão relativa e absoluta no ponto 1 e 2. b) Traçar o diagrama de pressões nas paredes e no fundo do reservatório contendo água (resposta em kPa). 1.2. Sabendo-se que 800 gramas de um líquido enchem um cubo de 0,08 m de aresta, obter a massa específica desse fluido em g/cm³. R: =1,562 g/cm³ 1.3. Dado =1030 Kg/m³ a massa específica da cerveja. Achar sua densidade relativa. R: d=1,03 1.4. Enche-se um frasco (até o afloramento) com 3,06 g de ácido sulfúrico. Repete-se a experiência, substituindo o ácido por 1,66 g de água. Obter a densidade relativa do ácido sulfúrico. R: d=1,843 1.5. Um fluído apresenta peso específico de 25 N/m³ em um local onde a gravidade é de 9,806 m/s². Determinar no sistema MKS: a) a massa específica do fluído no referido local;b) o peso específico do mesmo fluído em outro local, onde g=9,810 m/s². R: a) =2,55 Kg/m³ b ) =25,015 Kg*m-2*s-2 1.6. Um frasco pesa 12g quando vazio e 28 quando cheio de água. Em seguida, retira-se a água, enche-se o frasco com um ácido e obtém-se o peso total de 37,6g (Frasco e ácido). Calcular a densidade relativa do ácido. R: d=1,6 1.7. Determinar e traçar o diagrama de pressão relativas nas paredes de fundo e laterais dos dois reservatórios contendo óleo a uma densidade de 0,8 (resposta em kPa). 1.8. No topo do reservatório da fig. abaixo o manômetro registra a pressão de -0,122 Kgf/cm². Os líquidos de densidade D1 e D2 não são miscíveis com a água . Obter: a) as cotas nas colunas piezométricas A=F, B=G, C=I. b) deflexão hm do mercúrio. Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 39 1.9. No recipiente fechado da fig., há água, óleo (o= 895 Kgf/m³) e ar. Para os pontos B, C, D obter as respectivas pressões efetivas (em m.c.a. e kPa). Traçar o diagrama das pressões em kPa, em todo o reservatório. (PB=27kPa; Pc=16kPa; PD=5,26kPa) 1.10. Para um ponto E, indicado na figura, calcular a pressão efetiva. Adotar para o mercúrio o peso específico =136 kN/m³. ( R: PE = 154,20kPa) 1.11. Um óleo =880 Kgf/m³ passa pelo conduto da fig. Um manômetro de mercúrio, ligado ao conduto, apresenta a deflexão indicada. A pressão efetiva em M é de 2Kgf/cm². Obter hm. (R: hm = 1,62 m ) 1.12. Um óleo de peso específico 1=980 Kgf/m³ é transportado, verticalmente de B para C. Calcular a diferença de pressão entre os pontos B e C. (R: pB – Pc = 1680 kgf/m²) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 40 1.13. No sistema da figura, desprezando-se o desnível entre os cilindros, determinar o peso G, que pode ser suportado pelo pistão V. Desprezar os atritos. Dados p1 = 500 kPa; AI=10cm²; AHI=2cm²; AII=2,5cm²; AIII=5cm²; AIV=20cm²; AV=10cm²; h=2m; Hg=136.000N/m³. Resolução: ���� = ��(�� ���)+ ����� �� = ���. = 136.000 × 2 = 2,72 × 10 ��� ������ = ����� � = ���� �� = ���� ����� �� ��� = 500 × 10� × 10 2,72 × 10� × 2,5 10 2 = 5,4 × 10��� �� = �� ���� ��� = 5,4 × 10� × 5 20 = 1,35 × 10� � = 1,35 × 10� × 10 × 10�� = 135 � 1.14. Aplica-se uma força de 200N na alavanca AB, como é mostrado na figura. Qual é a força F que deve ser exercida sobre a haste do cilindro para que sistema permaneça em equilíbrio? (R: 10 kN) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 41 Resolução: ��� × 0,2 = ��� × 0,1 ��� = 200 × 0,2 0,1 = 400� ��� ��� � 4 = � ��� � 4 → � = ��� � �� � �� �� = 400 × � 25 5 � � = 10.000 � = 10 �� 1.15. No dispositivo da figura, a leitura do manômetro é 30 kPa e a relação de áreas dos pistões é A2/A1=2. A pressão atmosférica no local é 700mmHg. Estando o sistema em equilíbrio, pede-se a pressão pB na escala absoluta em mca. Dados =27.000N/m³; a=100cm; b=80cm; Hg=136.000N/m³; H2O=10.000 N/m³; A1/AH=2; α=30°. (R.: Pb = 17,2 mca (abs)) Resolução: �� �� = 30 kPa �� �� = 2 ���� = ���� ��(�� ��) → ���� = ���� �� �� × �� �� = �� �� = 4 → �� = 4�� �� �� = 30.000 �� + �� = �� → �� = �� 27.000 Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 42 �� 27.000 �� = 30.000 → �� �� = 57.000 �� �� 4 = 57.000 → �� = 76.000 �� ���� = 0,7 × 137.000 = 95.200 �� ����� = ���� + ���� = 76.000 + 95.200 = 171.200 �� (���) ��� = ����� ���� = 171.000 10.000 = 17,12 ��� (���) 2. Forças em Superfícies Planas 2.1. Determinar o empuxo e a profundidade do centro de empuxo em uma superfície retangular imersa cujas dimensões são 0,9 x 1,8m, fazendo um angulo de 60° com a superfície livre da água. A aresta superior é paralela à superfície livre e está a 0,81m do nível da água. (R: E = 2398 kgf e hc = 1,62m) 2.2. Na figura o triângulo está mergulhado na água em um plano vertical. Determinar o empuxo e as coordenadas Hc e Xc do centro de empuxo. (R: E = 184,8 kgf; hc = 0,85m e xc = 0,18m) 2.3. Um quadrante de círculo com raio r =0,72m está em um plano vertical. Calcular a profundidade do centro de empuxo, supondo: I) que a aresta superior AB do quadrante está 83 cm abaixo da superfície livre; II) que AB coincide com o nível da água. (R: I) hc = 1,24; II) hc = 0,71m) 2.4. A superfície plana da figura e formada por um quadrado PQST e pelo triângulo QRS; está em um plano vertical, o vértice coincide com o N.A. e o lado PT é horizontal. Determinar o empuxo e a profundidade do centro de empuxo na superfície total PQRST. (R: E = 396 tf e hc = 8,45m ) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 43 2.5. A superfície triangular ABD está mergulhada num líquido em equilíbrio nas seguintes condições: - o plano de ABD é vertical - o vértice B se encontra na superfície livre do líquido; - a base b é paralela a superfície livre. Determinar a profundidade do centro de empuxo hcp. (R: hc = (3H)/4 ) 2.6. Obter a profundidade do centro de empuxo da superfície triangular da figura, sabendo que ela se encontra em um plano vertical e o lado b coincide com a superfície livre do líquido. (R: hc = H/2) 2.7. A comporta retangular da figura abaixo tem 3 m de largura. A força P necessária para segurar a comporta na posição mostrada é aproximadamente: a) 24,5 kN b) 98 kN c) 33,3 kN d) 147 kN 2.8. Uma comporta retangular, vertical, com 6 ft de largura e 10 ft de altura , tem seu topo 6 ft abaixo do nível da água. Ela está articulada na sua extremidade inferior. Que força, agindo na borda superior, é necessária para segurar a comporta fechada?( R: P=80kN) 2.9. Determine a força P necessária para segurar uma comporta de 4 m de largura na posição mostrada na figura. (R: P=532,8kN) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 44 2.10. Calcule a força P necessária para segurar uma comporta de 4 m de largura na posição mostrada na figura, se H = 10 m (R: P=1132,8kN) 2.11. Mostre que a força F, na figura abaixo, age um terço para cima na área vertical retangular e também numa área retangular inclinada. Assume que a comporta inclinada faz um ângulo α com a horizontal. 2.12. Encontre a força P para segurar uma comporta retangular com 3 m de largura como mostra a figura se o comprimento da comporta (l) for igual a 5,0 m (R:P=89,6kN) 2.13. Um canal trapezoidal, com área transversal mostrada na figura abaixo, tem uma comporta em uma das extremidades. Qual é a força mínima P necessária para segurar a comporta vertical fechada, se esta é articulada no fundo? A comporta tem as mesmas dimensões do canal e a força P age na superfície da água.(R:P=3,17kN) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 45 2.14. Uma comporta rígida, articulada em um ponto central como mostra a figura, abre-se quando H = 5m, sendo a largura da comporta é de 1,0m. Qual a distância da articulação acima do fundo da água? (R:h=1,06 m) 2.15. Para a comporta mostrada na figura abaixo, calcule a altura H que resultará na abertura automática da comporta (desprezar o peso da comporta) se o comprimento da comporta (l) for igual a 3,0 m e a largura de 1,0m (R:H=5,2m) 3. Forças sobre Superfícies Curvas 3.1. Para cada uma das situações abaixo representadas, calcular (em kN por metro linear) as componentes do empuxo da água sobre a superfície de traço DF, que é ¼ da área lateral de um cilindro circular reto de raio a = 2m. Nas quatro situações, representar graficamente a direção e o sentido de cada componente (sem a indicação precisa do centro do empuxo). 3.2. O melado (γ=1400 kgf/m³) atua na suerfície curva AB da figura, representando ¼ de circunferência em uma extensão de 1 metro. Pedem-se: I) As componentes do empuxo; II) O módulo do empuxo resultante e sua direção. (R: Eh = 1.372kgf; Ev = 2.155 kgf; E = 2.555 kgf; a direção de E passa pelo ponto D.) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 46 3.3. Na figura a curva AB representa o corte transversal de ¼ de cilindro, tendo 3 metros de comprimento ( normal ao plano da figura). Obter: I) as componentes do empuxo e as respectivas coordenadas; II) o módulo, a direção e o sentido do empuxo resultante exercido pela água sobre a superfície da curva AB. ( R: I) Eh = 9.600 kgf e hc = 3,226m (a contar de B’A’); Ev = 10.456 kgf e xc = 0,483m (a contar de BB’); II) E = 14.195 kgf, da direita para esquerda.) 3.4. Calcule a força P necessária para segurar uma comporta de 4,0 m de largura na posição mostrada na figura abaixo. Despreze o peso da comporta. (FH=80,0kN; hCP =1,33m); (FV= 125,7kN; XCP =0,85m); (R:P=64,0 kN) 3.5. No exercício acima assuma que a água está acima da comporta, em vez de abaixo dela. A água acima da comporta produzirá a mesma distribuição de pressão sobre a comporta e, portanto as mesmas forças (com a exceção de que terão direções opostas). Consequentemente a força P será numericamente igual (agirá para a esquerda). Com a água acima da comporta, calcule P. (R:P=64,0 kN) 3.6. Encontre todas as forças exercidas pelos dois líquidos e a força P necessária para segurar o objeto cilíndrico com 10m de comprimento na posição mostrada na figura. Lado da água (FV1=86kN; Fv2=714; ER=628kN e FH=800kN) Lado do Óleo (Fv=270KN e FH=172kN) P=FH(Resultante)=800kN-172kN=628kN) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 47 3.7. Encontre a Força P necessária apenas para abrir a comporta mostrada na figura abaixo se H = 6,0m, R = 2,0m e a comporta tem 4,0m de largura.( FH=560kN; FV=605,66kN; hcp=7,04; Xcp=0,97m) (R: P=603,11kN) 3.8. A força P = 300 kN é necessária apenas para abrir a comporta da figura do exercício 4, com R = 1,2m e H = 4m. Qual a largura da comporta?R: L=5,07m 3.9. Que força P é necessária para manter a comporta de 4m de largura mostrada na figura abaixo, fechada? R: (FH=900,0kN; hCP =7,6m) (FV= 1002,7kN; XCP =1,43m); (d1=1,6m;d2=1,57m e P=1004,7kN) 3.10. Encontre a força P necessária para segurar a comporta na posição mostrada na figura abaixo. A comporta tem 5,0m de largura. R: (FH=100,0kN; hCP =1,3m) (FV= 157,1kN; XCP =0,85m); (d1=0,67m;d2=0,85m e P=71,6kN) Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 48 4. Princípio de Arquimedes 4.1. Uma pedra pesa60,8 kgf no ar; quando imersa na água pesa 38 kgf. Determinar o volume da pedra e seu peso específico. (R:V= 0,0228 e γ = 2667 kgf/m³ ) 4.2. Uma pedra (γ = 2.250 kgf/m³) apresenta o peso de 18 kgf no ar. Em seguida a pedra é totalmente imersa na água. Obter: I) o volume de água deslocado; II) o peso da pedra quando totalmente imersa. (R: I)Va = 0,008m³; II)W’=10 kgf ) 4.3. Uma esfera de chumbo (γc = 11.200 kgf/m³ ) de raio R= 20cm é totalmente mergulhada em um óleo (γo =790kgf/m³). Obter o peso W da esfera no ar e também o seu peso W’ no óleo. (R:W=375,3 kgf e W’=348,8 kgf ) 4.4. O peso de um sólido no ar é 72% superior a peso quando totalmente imerso em um óleo ( γ = 800 kgf/m³). Obter o peso específico desse sólido. (R: γ = 1911 kgf/m³) 4.5. Um caixão de concreto armado tem 70 m² na seção de flutuação, pesa 26,6 t e é colocado na água do mar. (d=1,025). Adicionando 2,4 toneladas de lastro, a seção de flutuação desce h milímetros e continua com a área indicada. Calcular h. (R: h=400mm) 4.6. Nas obras do leito de um rio usa-se um caixão de aço, em forma de paralelepípedo oco, com 10m de comprimento, 4m de largura e 3 m de altura (medidas extremas). O caixão é aberto na sua parte superior e pesa 94 t. Colocando na água do rio o caixão ficará parcialmente imerso. Determinar a profundidade h de imersão. Em seguida, calcular o peso L do lastro a ser adicionado para que o caixão chegue ao fundo do rio (a 2,8m de profundidade). (R: h=2,35m; L=18 t ) 5. Vazão 5.1. Uma tubulação conduz 2400 litros de água por segundo. Determinar seu diâmetro para que a velocidade não ultrapasse 2 m/s. (R.:D>1,236m) 5.2. Um tubo de diâmetro D= 800mm transporta um líquido sob velocidade média v = 3,5m/s. Calcular a vazão em litros. (R.:Q=1.759L/s) 5.3. Em certo projeto, estabelece-se como velocidade média do líquido, o valor máximo de 4 m/s. Escolhendo tubos de diâmetro D=600mm, obter a vazão máxima. (R.:Q=1,13m³/s) 5.4. Em determinado projeto industrial se estabelece velocidade média v = 1,2 m/s, a fim de evitar deposição de partículas sólidas em suspensão, o que ocorreria com velocidades muito baixas. Fixada a vazão em 0,06 m³/s, calcular o diâmetro máximo da tubulação. (R.:D<0,252) 5.5. Em uma instalação industrial precisa-se da vazão de 0,65 m³/s, em uma tubulação de diâmetro D = 750 mm. Calcular a velocidade média. (R: V = 1,47 m/s) 5.6. Uma tubulação conduz 37.110 litros de água por minuto, à velocidade média de 315 cm/s. Obter a área da seção transversal (em cm²) e o diâmetro da tubulação (em cm). (R: A = 1963 cm² e D = 50 cm) 5.7. Uma tubulação, formada por 2 trechos, apresenta a vazão Q = 50 litros/s. A velocidade média (V) é fixada em 101,86 cm/s ( no 1° trecho) e em 282,94 cm/s (no 2° trecho). Calcular os respectivos diâmetros. (R: D1 = 0,25 m; D2 = 0,15 m) 5.8. Entre os pontos A e B de uma tubulação a vazão é constante e igual a 200 L/s. No trecho BC = 60 metros, verifica-se uma distribuição uniforme (sangria) de 2 L/s, em cada metro linear de Apostila de Hidráulica Geral - Curso de Engenharia Civil – Universidade Regional de Blumenau – SC Prof. Ademar Cordero, Doutor em Engenharia Hidráulica pelo Politécnico de Milão - IT 49 tubulação. Supondo que não haja perdas de energia ao longo da tubulação, que o escoamento seja permanente e que a água seja incompressível, calcular a vazão Q2 no ponto C. (R.:Q2=0,08m³/s) 5.9. Em uma tubulação com sangria (distribuição uniforme), sejam Q2 = 0,065m³/s e q=0,0015m³/s/m e L=200m. Calcular
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