MECANICA DOS FLUIDOS - INTRODUÇÃO

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MECANICA DOS FLUIDOS
A mecânica dos fluidos é o ramo da mecânica que estuda o comportamento físico dos fluidos e suas propriedades. Os aspectos teóricos e práticos da mecânica dos fluidos são de fundamental importância para a solução de diversos problemas encontrados habitualmente na engenharia, sendo suas principais aplicações destinadas ao estudo de escoamentos de líquidos e gases, máquinas hidráulicas, aplicações de pneumática e hidráulica industrial, sistemas de ventilação e ar condicionado além de diversas aplicações na área de aerodinâmica voltada para a indústria aeroespacial.
O estudo da mecânica dos fluidos é dividido basicamente em dois ramos, a estática dos fluidos e a dinâmica dos fluidos. A estática dos fluidos trata das propriedades e leis físicas que regem o comportamento dos fluidos livre da ação de forças externas, ou seja, nesta situação o fluido se encontra em repouso ou então com deslocamento em velocidade constante, já a dinâmica dos fluidos é responsável pelo estudo e comportamento dos fluidos em regime de movimento acelerado no qual se faz presente a ação de forças externas responsáveis pelo transporte de massa.
Dessa forma, pode-se perceber que o estudo da mecânica dos fluidos está relacionado a muitos processos industriais presentes na engenharia e sua compreensão representa um dos pontos fundamentais para a solução de problemas geralmente encontrados nos processos industriais.
Definição de fluido:
Um fluido é caracterizado como uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento, não importando o quão pequena possa ser essa tensão. 
Os fluidos compreendem as fases liquidas e gasosas (ou de vapor) das formas físicas nas quais a matéria existe. A principal característica dos fluidos está relacionada à propriedade de não resistir à deformação e apresentam a capacidade de fluir, ou seja, possuem a habilidade de tomar a forma de seus recipientes. Esta propriedade é proveniente da sua incapacidade de suportar uma tensão de cisalhamento em equilíbrio estático.
Os fluidos podem ser classificados como: Fluido Newtoniano ou Fluido Não Newtoniano. Esta classificação está associada à caracterização da tensão, como linear ou não linear no que diz respeito à dependência desta tensão com relação à deformação e à sua derivada.
Divisão dos fluidos
Os fluidos também são divididos em líquidos e gases, os líquidos formam uma superfície livre, isto é, quando em repouso apresentam uma superfície estacionária não determinada pelo recipiente que contém o líquido. Os gases apresentam a propriedade de se expandirem livremente quando não confinados (ou contidos) por um recipiente, não formando, portanto uma superfície livre. A superfície livre característica dos líquidos é uma propriedade da presença de tensão interna e atração/repulsão entre as moléculas do fluido, bem como da relação entre as tensões internas do líquido com o fluido ou sólido que o limita.
Um fluido que apresenta resistência à redução de volume próprio é denominado fluido incompressível, enquanto o fluido que responde com uma redução de seu volume próprio ao ser submetido à ação de uma força é denominado fluido compressível.
Outro conceito: O conceito de fluidos envolve líquidos e gases, logo, é necessário distinguir estas duas classes: “Líquidos é aquela substância que adquire a forma do recipiente que a contém possuindo volume definido e, é praticamente, incompressível. Já o gás é uma substância que ao preencher o recipiente não formar superfície livre e não tem volume definido, além de serem compressíveis.
Fluido: gás e líquido
Fluido como meio lubrificante
Para um corpo deslizar sobre outro, deve-se vencer uma força adversa denominada: força de atrito. 
O atrito pode ser estático: os corpos permanecem imóveis, ou cinemático ou de deslizamento, que é devido basicamente a dois fatores: 
• rugosidade da superfície;
• tendência das áreas mais planas das superfícies se soldarem, quando submetidas a condições severas de deslizamento. 
Apesar do atrito apresentar uma série de aspectos positivos, já que sem o mesmo seria impossível andar, ou até mesmo frear um automóvel, em muitas outras aplicações ele é indesejável, pois se gasta uma certa quantidade de energia para vencê-lo, o que implica em perda, tanto da potencia como do rendimento do sistema. Além disto, sabemos que o atrito pode acarretar em aumento da temperatura das partes que se encontram em contato, podendo até mesmo originar uma fusão das mesmas. 
O que aconteceria com o motor de um veículo, se o mesmo operar sem o óleo lubrificante? Certamente fundiria...
Uma das tarefas do engenheiro consiste em controlar o atrito, aumentá-lo onde o mesmo é necessário e reduzi-lo onde for inconveniente. 
Desejando reduzi-lo, recorremos a lubrificação, que consiste em introduzir uma película fluida com a finalidade de transformar o atrito sólido x solido em sólido x fluido. 
Todos os fluidos, de um certo modo, são lubrificantes, sendo que alguns apresentam melhor desempenho do que outros. A escolha adequada de um fluido lubrificante é responsável por uma boa eficiência ou não do funcionamento do sistema. 
Calculo da força resistiva viscosa (Fμ)
A figura a seguir mostra duas superfícies deslizantes que estão separadas por um fluido lubrificante, que geralmente apresenta um fluxo laminar, ou seja, a película é composta de camadas extremamente finas ou laminas, cada uma movendo-se na mesma direção, porém com velocidades diferentes. 
Com as lâminas se movendo com velocidades diferentes, cada lâmina deverá deslizar sobre a outra, o que comprova a existência de uma força entre elas. 
A resistência a esta força, considerada por unidade de área é denominada de tensão de cisalhamento (τ). 
Considerando a tensão de cisalhamento constante ao longo da película lubrificante, pode-se determinar a intensidade da força de resistência viscosa pela equação 1:
	Fμ = τ . A
	Eq. 1
onde “A” é a área de contato entre a superfície em movimento e a película do lubrificante. 
Cálculo da tensão de cisalhamento (τ)
A tensão de cisalhamento é calculada pela lei de Newton da viscosidade. 
Lei de Newton da viscosidade
“A tensão de cisalhamento é diretamente proporcional ao gradiente de velocidade.” 
Principio de aderência
“As partículas fluidas em contato com uma superfície sólida apresentam a velocidade da superfície.” 
Ao considerar o princípio de aderência na figura acima, podemos concluir que ao longo da espessura (ε) do fluido a sua velocidade varia de zero, junto à placa fixa, até vp junto à placa móvel. 
Cálculo do gradiente de velocidade
O gradiente de velocidade pode ser definido por uma derivada direcional da velocidade, através da qual estudamos a variação da velocidade segundo a direção mais rápida da sua variação.

Considerando a figura anterior, pergunta-se qual a direção mais rápida da variação da velocidade? 
Denominando a direção mencionada anteriormente de y, isto porque estamos levando em conta a hipótese do escoamento ser unidirecional, o enunciado da lei de Newton pode ser representada pela expressão abaixo:
 
	Os fluidos que obedecem essa lei são ditos de fluidos newtonianos, tais como agua, ar, óleos, etc.
Propriedade dos fluidos
Algumas propriedades são fundamentais para a análise de um fluido e representam a base para o estudo da mecânica dos fluidos, essas propriedades são específicas para cada tipo de substância avaliada e são muito importantes para uma correta avaliação dos problemas comumente encontrados na indústria. Dentre essas propriedades podem-se citar: a massa específica, o peso específico e o peso específico relativo.
Massa especifica (): representa a relação entre a massa de uma determinada substância e o volume ocupado por ela. A massa específica (kg/m3) pode ser quantificada através da aplicação da equação 1.
	
	1
Onde:
m = massa (kg)
V = volume (m3)
Classificação dos fluidos
Esta classificação é feita em relação a sua massaespecífica e origina: 
Fluidos incompressíveis → são aqueles que para qualquer variação de pressão não ocorre variação de seu volume (ρ = constante); 
Fluidos compressíveis → são aqueles que para qualquer variação de pressão ocorre variações sensíveis de seu volume (ρ ≠ constante). 
Esta classificação é muito limitada, já́ que todos os fluidos são compressíveis, por este motivo, consideramos: 
escoamentos incompressíveis → que são aqueles provocados por uma variação de pressão que origina, tanto uma variação de temperatura como de volume desprezíveis (ρ = constante); 
escoamentos compressíveis → que são aqueles provocados por uma variação de pressão que origina, tanto uma variação de temperatura como de volume sensíveis (ρ não constante). 
Peso específico ():É a relação entre o peso de um fluido e volume ocupado, seu valor pode ser obtido pela aplicação da equação 2.
	
	2
Como o peso é definido pelo princípio fundamental da dinâmica (2ª Lei de Newton) a equação pode ser reescrita do seguinte modo:
	
	3
A partir da análise das equações é possível verificar que existe uma relação entre a massa específica de um fluido e o seu peso específico, e assim, pode-se escrever que:
	
	3
Onde:
= peso específico do fluido (N/m3)
G = peso do fluido (N)
g = aceleração da gravidade (m/s2)
Peso específico relativo (): Representa a relação entre o peso específico do fluido em estudo e o peso específico da água.
Em condições de atmosfera padrão o peso específico da água é 10000N/m3, e como o peso específico relativo é a relação entre dois pesos específicos, o mesmo é um número adimensional, ou seja não contempla unidades. 
Viscosidade cinemática (ν): é o quociente entre a viscosidade dinâmica e a massa especifica. Sua unidade é m2/s ou centistoke : 1cSt = 0,01 St
Onde:
μ = viscosidade dinâmica (N.s/m2)
ρ = massa específica (kg/m3)
Tabela de Propriedade dos Fluidos