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Sobre a Mecânica de Fluidos e Suas Aplicações Eduardo Henrique Mossmann Universidade Federal de Pelotas, Instituto de Física e Matemática (Dated: 25 de julho de 2017) Este artigo destinado a alunos do Ensino Médio, apresentará o estudo do comportamento de fluidos em repouso e em movimento. Para isso, serão feitas análises qualitativas e quantitativas do assunto, afim de explicitar as quantidades físicas envolvidas e suas respectivas interações de forma simples e prática. Por último, mas não menos importante, serão apresentadas algumas aplicações do tema no mundo real para que se possa entender mais facilmente o desenrolar do tema previamente explicado e discutido. This article intended for High School students, will present the study of the behavior of fluids at rest and moving. To do that, qualitative and quantitative analyses regarding this subject will be made, in order to state explicitly the physical quantaties involved and their respective interactions in a simple and cohesive way. Last but not least, we will show some applications of the matter into the real world, to easily understand the outcomes of the subject previously explained and discussed. I. INTRODUÇÃO No presente artigo, vamos apresentar e discutir as principais características de um fluido líquido, já que os gases requerem uma atenção maior devido ao número de grandezas envolvidas nas relações matemáticas. A Mecânica de Fluidos é um campo de estudo considera- velmente complexo, de onde são retiradas importantes aplicações no mundo real. Um fluido, ao contrário de um corpo sólido, não possui forma definida, sendo esta determinada pelo recipiente que o contém, já que estes não podem resistir a uma força paralela a sua superfície [1, 2]. Pode-se classificar qualquer líquido ou gás como um fluido, já que ambos ocupam o maior volume possível do espaço onde se encontram. Pode-se pensar também que o gelo, sendo simplesmente uma outra forma de água, é um fluido. Mas isso não é ver- dade! Se voltarmos no tempo, antes da temperatura de solidificação ser atingida, a água possui as características de um fluido pois sua forma foi moldada pelo recipiente que a continha. Logo, a água líquida é um fluido, mas o gelo não. Além disso, a estrutura atômica de um fluido não pode ser como a de uma barra de ferro, por exemplo. Tal estrutura não pode ser rígida a ponto de não permitir que o corpo flua ao longo do volume do objeto que o contém, mas deve ser flexível, afim de fazer com que as ligações entre os átomos não sejam fortes o suficiente para manter o corpo firme em si mesmo. Um gás, também classificado como um fluido, devido à sua configuração molecular, ocupa todo o espaço do recipiente onde se encontra, em oposição ao líquido que ocupa um determinado volume. Isso é de fácil compreensão, já que o gás tem sua estrutura atômica ainda mais flexível, de forma que seu volume não pode ser visto a olho nu, devido ao grande espaço existente entre as moléculas que o constituem. Para compreender melhor o que tudo isso significa, vamos apresentar a seguir as grandezas envolvidas na Mecânica de Fluidos, bem como suas respectivas equações. II. DENSIDADE E PRESSÃO Comecemos analisando um fluido em repouso. Para compreender o comportamento de um fluido, é preciso entender a relação entre o volume do mesmo e sua massa. A definição de massa, pode ser interpretada como a quan- tidade de matéria que um corpo possui, e o volume do mesmo corpo são suas dimensões -comprimento, largura e altura. Se considerarmos um corpo infinitesimalmente pequeno, a relação entre a quantidade de matériam deste corpo em seu dado volume V é chamada de densidade média ou massa específica. O símbolo adotado para re- presentar este conceito é ρ, e é dado por ρ = dm dV , (1) onde a letra d representa um ponto de massa e volume extremamente pequenos. Esta notação infinitesimal d será utilizado ao longo deste artigo, e para mais detalhes, veja [3]. Outra importante propriedade que deve ser estudada é a pressão em um fluido. O conceito de pressão pode facilmente ser confundido com ’força’, já que utilizamos ambas as palavras para se referir à mesma coisa no co- tidiano. Mas para a Física, estas são grandezas diferen- tes com características distintas. Um fluido exerce uma força perpendicular sobre qualquer superfície que esteja em contato com ele. Uma maneira de visualizar isso é lembrar do fato que este sempre ocupa todo o volume do recipiente onde se encontra [4]. Ou seja, a água dentro de um copo possui a forma do copo, e não outra forma qualquer, pois este delimita sua expansão exercendo uma força de mesmo módulo mas sentido contrário à força que a água exerce sobre a parede do mesmo para se expan- dir. Esse mesmo raciocínio é aplicado para explicar a força que o fluido exerce sobre um corpo imerso nele. Enquanto um cubo de madeira imerso na água dentro do copo exerce uma força sobre a água, a água, também se- guindo a Terceira Lei de Newton, exerce a mesma força com sentido contrário. Assim, empurrando o bloco de 2 madeira de todos os lados, fazendo com que este tam- bém se mantenha em repouso em relação à água e ao copo. Definido o conceito de força nos fluidos, é possível expan- dir o mesmo para a ideia de pressão. Podemos dizer que a pressão P , em um fluido é a razão entre a força normal em N e a área em m2, onde é aplicada a força. Sendo assim, P = dF dA , (2) onde supõe-se que a pressão seja a mesma em todos os pontos de uma superfície plana A. Vale lembrar que pressão é uma grandeza escalar, ao passo que força é um vetor com módulo, direção e sentido. A unidade padrão de pressão é o pascal, em homenagem ao matemático, físico e filósofo francês de mesmo nome. É importante perceber que a atmosfera também exerce pressão sobre nossos ombros, já que vivemos no fundo de um oceano de ar [5]. Assim, é possível medir a pressão atmosférica P0 em diversos pontos da Terra. Ao nível do mar e a 20◦C, a pressão atmosférica equivale a P0 = 1.013× 105Pa = 1atm. III. A INFLUÊNCIA DA ALTURA NA PRESSÃO DE UM FLUIDO A Eq. (2) expõe a ideia geral de pressão em uma super- fície plana, mas pode-se determinar a mesma em função da altura de uma montanha ou a profundidade de um oceano. Conhecer tal equação é de grande utilidade para mergulhadores e alpinistas, pois estes enfrentam uma va- riação de pressão considerável se comparada com a que pessoas ’comuns’ enfrentam. Para determinar a influên- cia da altura na pressão do ar ou da água, por exemplo, é feita uma análise das forças que atuam sobre um corpo imerso nestes fluidos [5]. Se um cilindro oco for imerso em um tanque de água, cuja parte superior esteja em contato com a atmosfera, a quantidade de fluido acima do cilin- dro será diferente da quantidade abaixo do mesmo. E isso causa a diferença de pressão, já que as distâncias até a superfície são diferentes, logo, existe mais matéria em um dado ponto do corpo do que em outro. Lembrando que quanto mais matéria, mais massa se encontra no local, e consequentemente, mais força(estando este sistema em repouso). Na Sec. II, foi explicado que as forças horizon- tais se anulam, mas nada foi dito sobre as forças verticais da mesma situação. Estas não se anulam e são vitais para determinar a pressão a uma dada altura em um fluido. Nesse mesmo sistema do cilindro imerso em água, exis- tem três forças verticais que atuam sobre o corpo (Fig.1). São elas, a força F1 que é a força exercida pelo fluido que se encontra acima do corpo, F2 em oposição à primeira força, tendo sentido oposto por causa do fluido abaixo do cilindro, e a força peso mg, sendo m a massa de água dentro do cilindro oco, tendo mesmo sentido que a força F2 [1]. Como dito anteriormente, este sistema se encon- tra em repouso, então a soma de todas as forças é zero. E assim, utilizando a Eq. (2) para explicitar o termo cor- Figura 1: Cilindro imerso emágua. Retirado da página 61, referência [1]. respondete à pressão, e generalizando o termo diferencial d, obtemos F1 = P1A e F2 = P2A. Mas, de acordo com a Eq. (1), m = ρV , onde o volume V , neste caso, é o pro- duto da área da base A pela altura do cilindro y1 − y2, onde os pontos 1 e 2 são os pontos mais próximos e mais distantes da superfície da água, respectivamente. Substi- tuindo estas relações na igualdade obtida anteriormente e simplificando-a, temos P2 = P1 + ρg(y1 − y2). (3) Esta equação é uma geral de onde podem ser retiradas relações para casos mais específicos, contudo, a mesma é útil em qualquer situação, desde que a leitura dos dados seja feita corretamente. Para mergulhadores ou alpinis- tas, é vital saber qual a pressão do fluido onde estes se encontram, afim de evitar danos físicos [1]. Para isso, pode-se utilizar a Eq. (3) para descobrir tal valor. Fa- zendo com que a pressão no ponto 1 (ponto mais pró- ximo da superfície) seja a pressão atmosférica (P1 = P0), P2 = P , y1 como origem (y1= 0) e y2 como a profundi- dade h (com sinal negativo, já que o mergulhador está abaixo da superfície), se obtém P = P0 + ρgh. (4) IV. A FORÇA DO EMPUXO O senso comum diz que muitos objetos flutuam e al- guns tendem a não permitir serem empurrados para baixo d’água. Manter uma pequena rolha totalmente submersa é algo fácil, mas manter uma bola de praia inflável a mesma profundidade é um trabalho muito mais árduo devido à força para cima que a água exerce no corpo [5]. Uma tradução grosseira do termo em inglês Bouyant Force, ’Força de Bóia’, indica com bastante clareza o 3 que esta força significa. ’Força de Bóia’, mais conhe- cida como Empuxo, é a força que um fluido exerce no sentido contrário da força peso de um corpo submerso nele. Este é um dos motivos que fazem com que um gi- gantesco navio flutue sobre a água sem problemas (fora o fato de a densidade média do navio, que é basicamente oco, ser menor que a da água). Contudo, não é a força peso mg do corpo que faz com que o fluido responda de tal maneira. O Empuxo acontece pois o sistema todo está em equilíbrio, e sendo assim, deve haver uma força para balancear a força gravitacional exercida pela bola inflável, por exemplo. Quando a bola é empurrada para baixo d’água, um volume de água proporcional ao vo- lume submerso da bola é deslocado, e isso faz com que a água exerça uma força de sentido oposto ao seu des- locamento volumétrico, de mesmo módulo que o volume de água deslocado. Ou seja, o módulo da Força Empuxo em um dado objeto é sempre igual ao peso do volume do fluido deslocado pelo objeto (Princípio de Arquime- des) [6]. Mas como a força peso que a bola exerce sobre a água é muito menor do que a força que a água exerce sobre a bola devido ao volume de água deslocado, a bola inflável é empurrada para cima novamente, tornando a missão de manter a bola submersa muito difícil. Para visualizar melhor este cenário, imagine um sistema si- milar ao do cilindro submerso, mas desta vez com um cubo mostrado pela Fig.2. A pressão abaixo do cubo é maior que a pressão acima do mesmo, como explicado na Sec. III, devido ao fator ρgh na Eq. (4). A pressão Figura 2: Cubo sofrendo ação do Empuxo. Retirado da página 409, referência [6]. abaixo causa uma força para cima (PabaixoA), onde A é a área da base do cubo. E o inverso ocorre na parte acima do corpo, onde uma força para baixo (PacimaA) é gerada pela pressão no respectivo ponto. O somatório de forças resulta na força Empuxo (dado por E), determinada por E = (Pabaixo − Pacima)A = (ρgh) E = ρgVsub, (5) onde ρ é a densidade do fluido e V é o volume submerso do corpo. V. O ESCOAMENTO DE UM FLUIDO E A EQUAÇÃO DE BERNOULLI Até a Sec. IV foi feito o estudo de fluidos em repouso, onde os corpos submersos nestes também se encontra- vam estáticos. A partir desta seção, iremos apresentar o comportamento de um fluido em movimento, área conhecida como dinâmica de fluidos ou hidrodinâmica. O escoamento de um fluido pode se tornar algo impres- sionantemente complexo como o gás que emerge de uma fogueira, mas pode também ser muito simplificado se usarmos um modelo idealizado [5]. Para que possamos analisar o movimento de um fluido, primeiro conside- remos um fluido ideal, onde a densidade não varia ao decorrer da trajetória (fluido incompressível) e onde não existe viscosidade. Ou seja, o fluido não sofre ação compressora de agentes externos e também não possui atrito interno entre suas partículas. Chamamos de linhas de escoamento ou linhas de fluxo a trajetória de uma dada partícula durante o escoamento. Chamamos também de escoamento estacionário ou permanente o escoamento cujas configurações não mudam em nenhum ponto, o tornando constante. Para fins de compreensão, imaginemos um tubo onde um fluido líquido escoa livremente em uma dada dire- ção (Fig.3). A massa do fluido não varia ao decorrer de sua trajetória, até porque este tubo é uma espécie de cilindro curvo e oco, mas não furado em suas paredes. Sendo assim, a massa m em um ponto 1 é a mesma em um ponto 2 mais adiante na trajetória. Devido à forma do tubo, pode-se dizer que este é delimitado por duas seções de áreas A1 e A2. E como estamos falando de fluidos em movimento, estes devem possuir velocidades v1 e v2 nos mesmos pontos 1 e 2 citados anteriormente. Determinada a velocidade de escoamento, pode-se dizer Figura 3: Escoamento de um fluido por um tubo. Retirado da página 83, referência [5]. 4 que a distância percorrida pelo fluido em um intervalo infinitesimal de tempo dt é v1dt em uma seção A1. O mesmo vale para uma seção A2, onde o deslocamento é v2dt, e estes deslocamentos seriam equivalentes a altura do nosso cilindro imaginário em um dado ponto. Sendo assim, o volume de água em um certo segmento do cilin- dro é dV1 = A1v1dt. Sendo que a massa do fluido não varia com o tempo, ou seja, dm1 = dm2, se reescrever- mos tal grandeza utilizando a Eq. (1) e simplificando a mesma, obtemos A1v1 = A2v2, (6) onde se define a relação entre a área e a velocidade cor- respondente, tal que esta só aumenta em módulo quando a área da seção onde se encontra diminui e vice-versa (em um fluido incompressível). Outra relação importante é aquela de determina qual o volume de fluido que passa por uma dada área por unidades de tempo. Esta chamada de vazão volumétrica é a taxa de variação do volume em relação ao tempo, onde dV = Avdt. Logo, dV dt = Av. (7) Desta relação também é possível retirar mais informa- ções de vazão, mas agora em termos de massa por uni- dade de tempo. Da Eq. (1), sabe-se que dm = ρdV , então juntando esta informação com a anterior, obtemos a vazão mássica dm dt = ρAv ou dm dt = ρ dV dt . (8) Contudo, é ilógico pensar que um tubo terá sempre a mesma seção de área em todo seu comprimento. A Eq. (6) não leva em consideração uma possível mudança no volume do tubo, e consequentemente, uma mudança na densidade, fazendo então com que o fluido se torne compressível. Se fizermos ρ1 e ρ2 como sendo as densi- dades nos pontos 1 e 2, respectivamente, teremos ρ1A1v1 = ρ2A2v2. (9) Assim, se em um caso específico a densidade ρ1 for maior que ρ2, o volume no ponto 1 é menor (já que a massa do fluido não varia), tornando a vazão volumétrica neste ponto igualmente menor. Deduzidas as equações anteriores, é possível agrupar as mesmas para se obter uma equação mais ampla, e por consequência, mais útil. Esta, chamada de Equa- ção de Bernoulli, surge de uma pequena série de aplica- ções dos conceitos deduzidos anteriormente juntamente com teoremas da mecânica newtoniana. Novamente fa- remos uso de um tubo de escoamento para simplificar a dedução, mostrado na Fig.4. Nas equações mostra- das anteriormente, a velocidade de um fluido muda ao longo de sua trajetória, assim como a pressão muda de acordo com a altura. Para reunir estasequações, pode- se aplicar o teorema do trabalho-energia em fluidos [5] em uma dada seção do escoamento e aplicar seu con- ceito. Como mostrado na Fig.4, os pontos 1 (ponto infe- rior) e 2 (ponto superior) possuem velocidades distintas v1ev2, onde estas determinam uma distância dS quando multiplicadas por um intervalo de tempo infinitesimal dt, dS1 = v1dt e dS2 = v2dt. As áreas A1 e A2 são as áreas das seções nos dados pontos do fluido, sendo que este é incompressível. Ou seja, sua densidade não varia, fa- zendo com que seu volume dV seja constante ao decorrer do tubo (dV = A1dS1 = A2dS2). Como este modelo segue a idealização enunciada no início deste artigo, o fluido não possui viscosidade. Logo, todas as forças in- ternas deste se resumem a pressão interna gerada pelo próprio fluido em suas redondezas. Sendo assim, as pres- sões P1 e P2 são as pressões nos dados pontos, portanto, F1 = P1A1 e F2 = P2A2. Figura 4: Tubo de escoamento. Retirado da página 84, referência [5]. O trabalho realizado é dW = P1A1dS1 − P2A2dS2, (10) onde o sinal negativo no segundo termo se deve ao sentido contrário da força em relação ao deslocamento. Como o trabalho é realizado por outras forças além da Gravidade, este pode ser escrito como sendo a variação da Energia Mecânica do sistema. Sendo assim, dW = dK = dU . A variação da Energia Cinética é dada por dK = mv2/2, e utilizando as equações descritas em outras seções, dK = 1 2 ρdV (v22 − v21). (11) Já a variação da Energia Potencial Gravitacional é dU = mgh, onde, se substituídas as relações explicita- 5 das neste artigo, temos dU = ρdV g(y2 − y1). (12) Se substituirmos esta equação, juntamente com as Eq. (11) e Eq. (10) na equação do Trabalho por varia- ção da Energia Mecânica, chegamos em P1 + ρgy1 + 1 2 ρv21 = P2 + ρgy2 + 1 2 ρv22 . (13) Esta é a equação de Bernoulli. Se analisarmos com cui- dado, esta demonstra que a variação de pressão se dá ao fato da mudança de velocidade no primeiro termo do lado direito, juntamente com a mudança de altura [5]. As combinações destas grandezas fazem com que as mes- mas se relacionem direta e indiretamente, de forma que uma grandeza mude em função de mais de uma outra. Esta equação pode ser utilizada somente em casos onde o fluido é incompressível, não possui viscosidade e de es- coamento estacionário. VI. APLICAÇÕES DA MECÂNICA DE FLUIDOS Com aplicações desde um sistema de canos em uma residência até a complicada ciência por trás do movi- mento de um carro de Fórmula 1, a Mecânica de Fluidos é um ramo da Física muito utilizado nas engenharias [1]. Nessa seção, iremos apresentar duas aplicações do tema discutido no presente artigo, afim de demonstrar o comportamento de líquidos em situações reais. Os casos a seguir envolvem os conceitos discutidos anteriormente, bem como suas específicas. Quando se trata de um fluido em repouso, uma represa é um ótimo exemplo de aplicação dos conhecimentos so- bre fluidos. Em uma dada represa (Fig. 5), pode-se calcu- lar a força exercida pela água em qualquer ponto ao longo da parede principal da mesma. Isso é importante pois é necessário saber como a força varia em função da pro- fundidade da água, afim de determinar quanto material é necessário para construir a parede principal da represa, onde mais material significa mais sustentação para a pa- rede. Sendo H a altura que a água atinge partindo da origem (fundo da represa), ω a largura da parede e y sua altura, utiliza-se a Eq. (2) para determinar a força F , onde F = PA. Sendo assim, temos ~F = 1 2 ρgωH2, (14) onde a fração 12 significa a força obtida quando calcu- lada a pressão média ao longo da parede. A pressão atmosféria P0 não é levada em consideração, pois esta age tanto na água como na parede, então não é um fator de impacto já que a altura da parede não é grande o suficiente para mudar o módulo da mesma. É importante perceber que à medida que a profundidade aumenta, Figura 5: Representação de uma represa. Retirado da página 407, da referência [6] mais expessa deve ser a parede, afim de suportar a grande força que a água exerce [6]. Outra situação onde a Mecânica de Fluidos, em espe- cial o conceito de pressão (Sec. II), se mostra muito útil: levantar algo muito pesado como um carro. Esta situação requer um conhecimento básico, assim como a anterior. Um elevador hidráulico é a representação de uma situ- ação parecida, onde é aplicada uma força F1 no fluido líquido de área A1. Do outro lado deste sistema, repre- sentado pela Fig. 6, se encontra um carro de força peso mg. Como explicitado pela figura, a pressão é a mesma Figura 6: Elevador Hidráulico ilustrativo. Retirado da página 77, referência [5] em todo o fluido. Então uma pequena força no ponto 1 de área A1 e pressão P gera uma força muito maior no 6 ponto 2, onde a área A2 é maior em relação a primeira. Como a pressão nos dois pontos é a mesma, temos F2 = F1 A2 A1 , (15) onde uma pequena força no ponto 1 gera uma força muito maior no ponto 2 já que a esta é proporcional a área do mesmo. Essa premissa é de grande valia, pois para levantar um carro de peso considerável utilizando uma alavanca, por exemplo, seria necessário um enorme braço de alavanca, e por consequência, uma força igualmente absurda. VII. CONCLUSÃO Neste artigo, apresentamos o estudo do comporta- mento de fluidos líquidos oriundo de uma área da Física conhecida como Mecânica de Fluidos. Esta determina através de uma série de equações bem definidas, as propriedades físicas de líquidos e gases de todos os tipos. Estudando desde a densidade da água até o compor- tamento de um líquido em diferentes alturas, fomos capazes de deduzir algumas equações fundamentais para compreender as relações entre as diferentes grandezas envolvidas, para que fosse possível ter uma visão mais ampla do ramo. Começamos por fluidos em repouso, onde foi possível explanar com detalhes os conceitos de densidade, pressão e empuxo. Sendo o primeiro a relação entre massa de um corpo e seu volume, ao passo que o segundo é interação entre uma força aplicada em uma dada área. Quanto ao terceiro, este é a força exercida pelo fluido no sentido contrário a força exercida por um corpo imerso neste. Já para fluidos em movimento, explicamos conceitos idealizados como a correlação entre a velocidade de esco- amento e a seção de área de um tubo, vazão volumétrica e mássica e a equação de Bernoulli. Onde o primeiro apresenta a relação inversa entra as duas grandezas, tendo uma velocidade maior quando a área é menor e vice-versa. O segundo é a razão de volume ou massa que escoa dentro do tubo por unidade de tempo, e o terceiro é a relação entre dois pontos distintos dentro de um mesmo sistema de escoamento, envolvendo quase todos os conceitos estudados neste artigo. Este é importante quando se é necessário estudar o comportamento de um fluido em alturas diferentes com densidades e pressões também distintas. Posterior ao estudo destas duas áreas, apresentamos algumas aplicações simples dos conceitos estudados, onde foi possível demonstrar as interações existentes no ramo. O primeiro exemplo mostrou uma situação comum na vida de engenheiros, tendo esse que determi- nar a relação entre a profundidade da água com a força exercida pela mesma para calcular quão expessa devia ser a parede da represa pela qual era responsável. Já o segundo exemplo mostra a aplicação dos conhecimentos de fluidos em movimento. Nesse caso, era necessário levantar um carro por um motivo específico, e estando ciente que a pressão de um fluido não muda dentro de um tubo horizontal, foi possível atingir o objetivo aplicando uma pequena força em uma área também pe- quena. Esta força crescia muito quando a área no ponto seguinte era maior que a anterior, demonstrando então a correlação entre área e força em uma pressão constante. O fluir de líquidose gases sempre foi algo curioso para a raça humana. Quando pequenos, sempre olhávamos para barcos de brinquedo navegando em riachos e ficávamos fascinados com o comportamento do mesmo. Quando adultos, esse mesmo fascínio levou o homem a voar pelos céus em um pássaro de metal [2]. Com isso, foi possí- vel perceber que com um pouco de conhecimento sobre fluidos, é possível se obter muitas informações sobre uma situação específica e aplicar as mesmas afim de se ter melhores resultados, seja na engenharia ou na vida coti- diana. [1] H. R. Walker et al., Fundamentos de física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica, Vol. 2 (2002). [2] R. P. Feynman, R. B. Leighton, and M. Sands, The Feyn- man lectures on physics, Vol. 2 (1964) Chap. 40,41. [3] H. Anton, I. Bivens, and S. Davis, Cálculo, Vol. 2 (2007). [4] H. N. Moysés, Curso de Física Básica, Volume 2: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor, 4th ed., Vol. 2 (2002). [5] F. W. Sears, M. W. Zemansky, and A. Y. Almarza, Física Básica: Termodinâmica e Ondas, Vol. 2 (2007). [6] R. A. Serway, Physics for Scientists and Engineers, Vol. 2 (2010). Sobre a Mecânica de Fluidos e Suas Aplicações Resumo Introdução Densidade e Pressão A influência da altura na pressão de um fluido A força do Empuxo O escoamento de um fluido e a equação de Bernoulli Aplicações da Mecânica de Fluidos Conclusão Referências
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