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335952287 Experimento Pratico Impacto de jato de agua

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Matheus Augusto de Souza¹ - 24656
Matheus Silva Carneiro Fonseca¹ - 27740
Tiago Grigório da Silva¹ - 26572
Tiago José Prata da Silva¹ - 24537
	Experimento: Impacto de jato de água
Resumo: O presente trabalho relata os resultados da realização do experimento prático de análise da força imposta pelo impacto de um jato de água sobre superfícies defletoras com diferentes ângulos de deflexão. 
Palavras-chave: ângulo de deflexão, impacto; força de equilíbrio; jato de água.
¹Universidade Federal de Itajubá, Campus Itabira
Introdução
	O experimento realizado no laboratório de mecânica dos fluidos da universidade teve como objetivo a investigação da ação das forças de reação produzidas pela alteração no momento de uma vazão de fluido. Para a investigação destas forças a bancada hidráulica do laboratório foi preparada para receber um equipamento de impacto de jato. No experimento foram utilizadas quatro superfícies solidas de impacto diferente, cada uma com uma angulação de saída, sendo elas 30°, 90°, 120° e 180°o que gera diferentes deflexões do fluxo de fluido. Deste modo o impacto do jato sobre as superfícies irá produzir forças, as quais desejamos medir afim de fazer comparações entre a teoria e os resultados obtidos no laboratório. Através dos dados obtidos foi possível então plotar um gráfico onde é possível a comparação entre a inclinação dos dados teóricos e os experimentais.
Na determinação destas forças, foi necessária a utilização de três equações: equação da quantidade de movimento para um volume de controle estacionário, equação da continuidade e da energia.
Materiais Utilizados
	Para a realização do experimento, foram utilizados os equipamentos listados abaixo:
Bancada Hidráulica F1-10, a qual permite medir o fluxo pela coleta de volume por tempo;
O Equipamento de Impacto de Jatos F1-16 com 4 defletores de fluxo, apresentando ângulos de deflexão de 30, 90, 120 e 180 graus;
Um cronômetro para podermos determinar a taxa de fluxo da água;
Massas para o equilíbrio da força do jato de água.
 	Figura 1: Bancada hidráulica.
Figura 2: Bancada de Impacto.
 
 
Referencial Teórico
	Nos dias atuais, o estudo da ação de forças causadas por escoamentos de fluidos sobre determinados tipos de superfícies possui vasta aplicação prática. Um exemplo real, e próximo à nossa realidade, é o dimensionamento de pás de uma turbina ou bomba. Uma vez que se tenha o conhecimento das forças atuando no contato com as superfícies das pás, torna-se possível dimensionar de forma correta as pás da mesma.
Primeiramente, é necessário obter a velocidade do fluido ao sair do bocal. Essa velocidade v é calculada por meio da vazão de saída e a área transversal A da saída do bocal, relacionadas segundo a equação:
 (1)
	Assim, estabelecendo-se que a velocidade de saída do fluido permanece constante, ou seja, no momento em que o fluido muda sua trajetória ao entrar em contato com o defletor, não há alteração de velocidade, é possível calcularmos a força Fy, de acordo com a 2ª Lei de Newton, conforme o equacionamento a seguir:
 (2)
onde:
Fy = força exercida pelo fluido no defletor;
Qm = taxa de fluxo mássico.
	Entretanto, temos que Qm = ρ Qt = ρ A v, em que Qt é a taxa de fluxo volumétrico.
	Para que haja equilíbrio estático, Fy deve ser equilibrado pela carga imposta W (sendo W = mg, onde m é a massa aplicada). Desse modo, tem-se que
 (3)
	Dessa forma, a inclinação s do gráfico de W plotado por v² é dado por
 (4)
	É importante ressaltar que o ângulo [teta] é dado por [teta] = 180° - [alfa], em [alfa] representa o ângulo de deflexão do fluxo.
	Para a realização dos cálculos, adotou-se as seguintes dimensões do equipamento:
	- Diâmetro do bocal: d = 0,008 m;
	- Área de corte transversal do bocal: A = 5,0265 * 10-5 m². 
Procedimento Experimental
Para que possamos iniciar os experimentos é necessário que regular a bancada de impacto a jato a fim de deixa-la em equilíbrio estático. Na Figura 3, ilustra-se o esquema do acessório utilizado para o experimento. Na parte superior do aparato, o reservatório de pesagem, encontra-se o dispositivo responsável por equilibrar o sistema quando o jato atinge a superfície da placa-alvo.
Figura 3: Esquema da parte superior da bancada de impacto. 
Sem nenhum peso sobre o reservatório de pesagem, a altura de ajuste do indicador de nível é ajustada de modo que este fique alinhado com a linha de referência no reservatório de pesagem. Após este ajuste um integrante do grupo ficou responsável por verificar se a posição está correta oscilando levemente o reservatório até que o reservatório com o medidor de nível alinhado com a linha de referência. Em seguida acrescentamos uma massa de aproximadamente 0,4 Kg de peso sobre o reservatório de pesagem e então, abrimos a válvula da bancada hidráulica para produzir um fluxo no bocal sem restrições de vazão. A válvula permanece aberta até que se atinja novamente uma condição de equilíbrio estático entre a força do jato de água e a massa, ou seja, até que a linha de referência do reservatório de pesagem esteja alinhada com o medidor de nível, a condição de alinhamento é novamente verificada de com leves oscilações no reservatório.
 Utilizando o tanque volumétrico da bancada hidráulica, iniciou-se a medição da taxa de fluxo de volume. Isto é alcançado fechando a válvula de esfera e medindo com um cronômetro o tempo necessário para acumular um volume conhecido de fluido no tanque, utilizando para isso o visor graduado de vidro. O cronômetro é disparado a partir do nível 0 da graduação até que se atinja o nível de 5 litros e assim parando o tempo e anotando-o. Foram feitas quatro leituras de vazão, ou seja, até que se atinja o volume de 20 litros e anotando os respetivos tempos. Este procedimento é repetido duas vezes a fim de minimizar os erros na tomado dos tempos e feito uma média destes. Após as medições de tempo foram então acrescentadas as massas de 0,02 Kg, 0,09 Kg e 0,1 Kg ao reservatório de pesagem até que se atinja 0,25 Kg. Para cada massa acrescentada ao sistema foram feitos a captação de tempo para os novos equilíbrios.
O procedimento acima descrito foi realizado para cada um dos defletores de fluxo, a saber: 30°, 90°, 120° e 180°.
Resultados e Discussões
Após os ajustes nas bancadas de teste deu-se início a coleta de dados, para isso confeccionamos uma planilha no Excel que está representada na Tabela 1. Nesta tabela foram adicionados os valores de massa que foram adicionados ao sistema para equilibrar a força do jato de água. Os tempos contidos na tabela foram coletados com o intuito de obter a taxa de fluxo do jato de água, e representam o tempo para que a bancada hidráulica levou para chegar do volume 0 ao 5, de 5 a 10, 10 a 15 e 15 a 20. Esta coleta foi realizada duas vezes com o intuito de minimizar os erros, sendo então calculada uma média dos tempos, utilizada para calcular a taxa de fluxo do jato de água que servirá de base para a confecção da Tabela 2.
Com os valores das taxas de fluxo para cada massa e cada defletor, e com a área do bocal do jato, calculamos a velocidade, velocidade2, força experimental, força teórica e a inclinação pela teoria. Os resultados destes cálculos estão presentes na Tabela 2 e partir deles foi possível a construção dos gráficos abaixo, onde temos a força teórica e experimental em função da velocidade ao quadrado.
Tabela 1: Dados coletados para cálculo da taxa de fluxo.
Tabela 2: Cálculo das forças experimentais e teóricas.
Gráfico 1: Variação da força em função da velocidade v² para o defletor de 30°.
Gráfico 2: Variação da força em função da velocidadev² para o defletor de 90°.
Gráfico 3: Variação da força em função da velocidade v² para o defletor de 120º.
Gráfico 4: Variação da força em função da velocidade v² para o defletor de 180º.
Gráfico 5: Variação da força em função da velocidade v² para todos os defletores.
	
Após plotar os gráficos no software Origin®, aplicamos a ferramenta de regressão linear, o que nos permite obter a inclinação da experimental das forças, isto torna possível então a comparação dos resultados obtidos nos gráficos.
	Analisando o gráfico 1 é possível notar que as forças experimental e teórica praticamente se sobrepõem, mostrando uma característica praticamente linear, o que é verificado na Tabela 3, onde podemos perceber que a inclinação experimental está muito próxima da inclinação teórica, ou seja, o resultado experimental chegou muito próximo ao resultado teórico. Além disso percebemos que a medida que a velocidade ao quadrado aumenta, há também um aumento proporcional de forças sobre o defletor de 30°.
Tabela 3: Comparação das inclinações para cada defletor.
	Para os gráficos 2 e 3 podemos perceber que os resultados da inclinação teórica e experimental foram próximos, quase mantendo uma linearidade. Além disso é claramente notado que a força experimental foi inferior à força teórica a medida que o quadrado da velocidade aumenta.
	No gráfico 4 percebemos a maior discrepância entre todos os resultados obtidos, tanto graficamente quanto pela Tabela 3. Assim como os gráficos 2 e 3, a força experimental mostrou-se inferior à força teórica a medida que a velocidade² aumenta.
	No gráfico 5 estão representadas as forças experimentais para cada ângulo de deflexão, com isso é possível notar que com o aumento deste ângulo, maior é a inclinação das forças experimentais, ou seja, uma menor velocidade² é necessária para atingir a mesma força. Isto é claramente perceptível ao comparar a força experimental com ângulo de deflexão de 30° com as outras forças.
Conclusão
Podemos notar por meio da análise dos gráficos apresentados que, à medida que o ângulo defletor aumenta, também há um aumento da diferença entre as inclinações teóricas e experimentais, explicando assim que a maior diferença é encontrada no defletor de 180º. Além disso, há uma evidente discrepância com relação à velocidade obtida com a peça de ângulo correspondente a 30°. Isso ocorre porque, devido a área de contato entre o jato e a superfície do defletor ser a menor dentre os demais, a vazão mássica necessária para se obter a condição de equilíbrio com a massa acrescida ao sistema seja consideravelmente maior que aquela exercida pelo jato nos defletores restantes.
Referências
BARBOSA, Camila C.; COSTA, Diego H.; MANGUEIRA, Lígia R. Força de impacto de jatos em superfícies defletoras. 10f. Universidade Federal da Paraíba - Departamento de Engenharia Civil, 2012.
ARMFIELD. Manual de instruções: Impacto de um jato F1-16. 6ed. 2011.

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