Aula 01 - Obras Hidráulicas

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Disciplina: Obras Hidráulicas
Aula 1: Canais
Apresentação
“É uma benção sabe, é um ouro!” O agricultor Ademildo Alves de Souza expressa seu sentimento de alívio ao ver a água fluindo
no município de Camalaú, na Paraíba. Há mais de 170 anos, uma população assolada pela seca aguarda ansiosa a conclusão do
projeto de transposição do rio São Francisco, feita por meio de canalização e transporte de suas águas.
O projeto é controverso, mas envolve uma obra hidráulica de grande relevância no cenário brasileiro, agregando valores
econômicos, sociais, políticos e de meio ambiente.
Nesta aula, estudaremos sobre obra hidráulica de canalização e qual sua importância no cenário nacional e mundial.
Objetivos
Descrever os tipos de canais e travessias;
Discutir aspectos ligados ao fluxo de água em canais abertos.
Engenharia hidráulica
Quando pensamos na presença da água nos projetos de engenharia, somos levados a propor soluções que bloqueiem o
contato da água com a estrutura, ou que alterem seu fluxo de modo que a estrutura não fique molhada.
Alguns projetos são muito peculiares e a presença da água será uma constante durante toda a vida útil da estrutura,
como em galerias de drenagem, portos, barragens, entre outros.
Galeria de macrodrenagem urbana
Estrutura de concreto armado em formato de caixa dupla, por onde passa a água da chuva. São estruturas retangulares
com altura maior que 1,5 m de altura.
 Foto: Agência São Luis
<http://www.agenciasaoluis.com.br/noticia/17030> .
Barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu
Estrutura de concreto utilizada para represar a água de um rio com fins de geração de energia elétrica. A água passa por
fendas onde há turbinas que giram com a força da água, gerando energia elétrica.
 Foto: EBC
<http://www.ebc.com.br/sites/_portalebc2014/files/styles/full_colunm/public/atoms_image/itaipu_120809_a
itok=uUUaVzNf> .
Porto do Açu - RJ
Estrutura de concreto construída na água para atracação de embarcações com a finalidade de desembarque/embarque
de cargas ou pessoas.
 Foto: Mercado Marítimo
<https://app.mercadomaritimo.com.br/articles/-L7-
jfSlFe8OFonIdaky/acciona-conclui-obra-do-terminal-dois-no-porto-do-
acu> .
É comum dizermos que a água necessita ser canalizada, com a manipulação de seu curso natural sendo direcionado para
uma área de estocagem (reservatório) ou para um corpo hídrico mais próximo.
As intervenções são os sistemas hidráulicos, projetados para regular, transportar e armazenar a água.
Mas, o que fazer quando o volume de água a ser administrado é muito grande? Como saber qual intervenção necessita
ser feita para canalizar a água e mantê-la sob controle?
Essas questões nos levam a refletir que, assim como nos dedicamos a otimizar os projetos estruturais para que sejam
eficientes, precisamos compreender os projetos hidráulicos, de modo que sua singularidade esteja de acordo com as
características que os cercam.
O conjunto único de condições físicas particulares associadas a cada projeto hidráulico é a engenharia hidráulica.
História
Presente desde a Antiguidade, a engenharia hidráulica mostra a importância da água para a vida humana.
Registros mostram o uso da engenharia hidráulica desde os anos 4000 a.C., com diques e canais de irrigação construídos
no Egito. Os diques eram grandes reservatórios para armazenar a água e os canais direcionavam o fluxo das águas para
regiões distantes, tornando possível utilizar a água na quantidade necessária e no momento certo, solucionando os
problemas das cheias e secas da região.
Os aquedutos (duto ou tubo de água) romanos são estruturas com a finalidade de transportar água, são grandes
colunas de rocha empilhada, que por meio de arcos na sua parte superior sustentam uma grande caixa aberta, ou
seja, um canal. Este canal tem uma inclinação suficiente para transportar água que é captada no rio até a cidade. É
um grande caminho de água, só que elevado. Também havia os enterrados, mas não é o caso da figura.
 Foto: Wikipedia
<https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/06/Aqua_Claudia_01.jpg/1920px-
Aqua_Claudia_01.jpg> .
A irrigação egípcia ocorria por meio de valas escavadas no solo, por onde corria água para irrigar as plantações. O
curso do rio era desviado para manter a plantação sempre úmida e o solo fértil.
 Foto: Pin Img
<https://i.pinimg.com/originals/c0/02/b0/c002b05b55a7ee3943a7e5fba3b36045.jpg>
.
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Comentário
O Acqua Appia, foi o primeiro aqueduto romano, construído em 312 a.C. Embora associemos o aqueduto romano a
uma estrutura de grandes arcos enfileirados, esta estrutura superelevada constituía menos de 20% do antigo
sistema de transporte de água. Em alguns casos, como no Acqua Marcia, de 92 quilômetros de extensão, apenas 11
quilômetros eram de arcos.
A maior parte dos aquedutos era subterrânea, para que estivessem protegidos contra danos provocados por fatores
climáticos e para que causassem o menor transtorno possível à população, o que os tornava mais econômicos.
Canal
Canais (ou condutos livres) são os condutos em que a superfície do líquido está sujeita à pressão atmosférica. Esse
conceito difere do conceito do fluxo em tubos, pois no caso de tubos, o fluxo preenche todo o espaço livre do tubo e as
fronteiras que delimitam este fluxo são as paredes do tubo. Há uma pressão hidráulica que varia de uma seção a outra
ao longo do tubo, chamado de conduto forçado.
Nos canais abertos, por não haver um gradiente de pressão atuando sobre o fluido — a pressão se mantém
relativamente constante ao longo do canal —, o escoamento ocorre por gravidade, em conjunto com as declividades do
fundo do canal e da superfície do fluido.
Na prática, a distribuição de pressão em qualquer seção do canal é diretamente proporcional à profundidade medida a
partir da superfície da água.
 Canal de Corinto, na Grécia (Fonte: Lugares Fantásticos <https://jp-
lugaresfantasticos.blogspot.com/2014/08/canal-de-corinto-
grecia.html> ).
Tipos de canais
Canal Natural
Os canais podem ser naturais, como os rios, que são cursos d’água existentes na natureza. Por exemplo, o Rio
Amazonas.
Canal Artificial
Ou artificiais, como os canais de irrigação, as tubulações de esgotamento sanitário e pluvial. Por exemplo, as obras de
transposição do Rio São Francisco.
Canais naturais
O canal natural, é considerado o mais efetivo agente modificador da paisagem, dada sua capacidade de erosão,
transporte e deposição, e drena naturalmente uma bacia hidrográfica.
Contribui para o escoamento de águas pluviais, permitindo a continuidade do ciclo hidrológico.
Os canais naturais são utilizados também como canais de navegação. Mas, o espaço mais limitado para a manobra das
embarcações, impõe que a navegação decorra de forma constante e fluída, resguardada de perigos.
 Ciclo hidrológico, onde são apresentadas as fases que o compõem, desde a
chuva até a evaporação (Fonte: MEC
<http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/11847/>
Acesso em: 18 jul. 2018).
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Saiba mais
 Vista aérea do local onde o canal do Cassiquiare se desprende do rio
Orinoco e se estende rumo ao Negro (Fonte: Folha
<https://www1.folha.uol.com.br/fsp/ciencia/fe1510200001.htm> .
Acesso em: 18 jul. 2018).
No Brasil, os canais naturais são chamados de paranás, que são como um braço de um rio, separado do tronco
principal por uma série de ilhas, ou um canal que liga dois rios.
Esses canais podem ligar um rio ao outro, podem ligar o rio a um meandro dele mesmo, podem ligar um braço de
rio a outro, ou podem ligar uma bacia hidrográfica à outra, como é o caso do Canal do Cassiquiare, que liga a bacia
do Amazonas à bacia do Orinoco.
Leia mais sobre o Canal do Cassiquiare <galeria/aula1/docs/canal_cassiquiare.pdf> .
Canais artificiais
Os canais artificiais, desempenham um importante papel, pois são agentes do transporte marítimoe colaboram com o
crescimento econômico mundial. Canais artificiais são construídos com o objetivo de articular dois ou mais cursos
fluviais, ou ainda, melhorar a curvatura de determinados trechos de rios para que os comboios de navegação
(embarcações) possam se deslocar com maior facilidade e menor risco de colisão com as margens dos rios.
Os primeiros canais de navegação foram construídos antes da invenção das estradas de ferro, e se tornaram o embrião
da integração de transporte modal marítimo x terrestre.
Acredita-se que o primeiro canal artificial construído foi o Grande Canal da China, no século VI, ligando Pequim e
Hancheu, sob ordens do imperador Yang Guang da dinastia Sui. Levou seis anos para ficar pronto, unindo todos os canais
que se encontravam em seu curso e os rios Amarelo ao Haihe, ao Huai, ao Yangzi e ao Qiantangjiang.
 O Grande Canal da China é, sem dúvidas, um grande canal. É um rio de
margens extensas e largas o suficiente para se manter como uma rota de
navegação, ligando grandes cidades, por onde é feito o transporte de cargas e
pessoas diariamente (Fonte: Shutterstock).
Alguns dos canais de navegação artificiais mais conhecidos do mundo são:
Grande Canal da Alsácia, na França;
Canal de Corinto, na Grécia;
Canal de Kiel, liga o mar do Norte ao mar Báltico na Alemanha;
Canal du Midi, na França;
Canal do Panamá, liga o oceano Atlântico ao oceano Pacífico no Panamá;
Canal Reno-Meno-Danúbio, na Alemanha;
Canal de Suez, liga o mar Mediterrâneo ao mar Vermelho;
Canal Volga-Don, na Rússia;
Canal de Castela, na Espanha;
Canal Eclusas de San Antonio, no Uruguai (em projeto);
Grande Canal Interoceânico da Nicarágua, ligando o oceano Atlântico ao oceano Pacífico na Nicarágua (em projeto).
O Grande Canal da China não é tão popular quanto os famosos Canal de Suez e o Canal do
Panamá. Certamente você já ouviu falar do Canal do Panamá, mas você sabe que ele é um
canal artificial?
Você sabia que a transposição do Rio São Francisco está sendo feita por meio de um canal? Está curioso? Assista ao
vídeo que mostra o que é a obra hidráulica de transposição do Rio São Francisco.
 Transposição do Rio São Francisco (Fonte: YouTube
<https://www.youtube.com/watch?v=RisgWoz-JTs> . Acesso em: 18 jul.
2018).
Características dos canais
Os canais podem ser classificados como canais a céu aberto e canais de contorno fechado.
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Os canais naturais podem ser associados diretamente à sua característica física por estarem a céu aberto — permite
compreender o principal conceito do que é um canal —, bem como ocorre para os canais artificiais de navegação.
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Os canais de contorno fechado, artificiais, seguem a mesma premissa relacionada à distribuição de pressão, e formam
galerias, com geometria definida e fechada. Neste caso, a pressão no interior da galeria não obedece às leis de fluxo em
tubos, pois a galeria não é preenchida totalmente pela água.
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Comentário
Os canais a céu aberto e fechados podem sofrer uma intervenção em sua geometria, de modo a determinar o fluxo
de água a ser escoado pelo canal, bem como o cálculo da vazão desse fluxo. Isso os torna canais artificiais.
 Usuais seções transversais de canais.
O material constituinte das paredes do canal tem papel relevante no fluxo da água, pois quanto mais rugoso for o
material, menor velocidade terá o fluxo e maior turbulência.
Os canais podem ser considerados prismáticos, se mantiverem a mesma forma de seção transversal e declividade
constante. Sua seção transversal pode ser classificada como retangular, trapezoidal, triangular ou circular.
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Saiba mais
Todas mostram medidas dedicadas ao seu dimensionamento, tais como a base, b, diâmetro d0; inclinação das
paredes, indicada por "I", que é a altura do triângulo de inclinação e m, a sua base de inclinação; altura da água
dentro dessas seções, y e a largura da água de margem T.
Os materiais mais comuns para revestimento utilizados para canais abertos são: terra, terra armada, gabião,
enrocamento (rachão), pedra argamassada e concreto. Pode haver uma combinação entre os revestimentos.
 Usuais seções transversais de canais e seus respectivos revestimentos e/ou
combinação destes.
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Saiba mais
As figuras mostram seções de canais e seus revestimentos, tanto laterais quanto de fundo, mesmo que o fundo seja
somente de solo. Existe um caso, em que o revestimento é de gabião e este revestimento lateral é feito em degraus
em virtude da pressão da água. Para todos esses casos, o canal é a céu aberto, não é fechado na parte superior.
O material usado para as galerias são concreto e aço corrugado.
 Galerias
No caso das galerias, o canal é fechado — trata-se de uma estrutura tubular retangular ou circular. Observe que o
quadrado é um caso particular do retângulo, em que todos os lados são iguais.
Uma vez que o conceito de canal está consolidado, é preciso entender que, muitas vezes, é necessário projetar
estruturas auxiliares, para permitir que os canais possam ser transpostos sem que o fluxo de água seja interrompido.
Observe as questões a seguir.
Mas como atravessar um canal sem interromper o fluxo de água? Como seguir de
uma margem a outra de um canal sem atrapalhar a navegação de embarcações? É
possível que pessoas, animais ou veículos atravessem um canal sem entrar em
contato com a água?
Vamos respondê-las a seguir.
Travessias
Travessias são estruturas que permitem a passagem de uma margem a outra de um curso d’água para pessoas, animais,
veículos, água, gás, combustíveis, energia elétrica, telecomunicações, entre outros, por meio de pontes, cabos,
condutos, túneis, entre outros. As travessias podem ser: aéreas, intermediárias e subterrâneas.
Travessia Aérea
Passagem sobre o canal acima do nível-d’água de projeto, geralmente na forma de pontes ou galerias (mais
comuns). Na travessia aérea há estruturas que são elevadas, em forma de tubos ou em forma de lajes de passagem
que estão acima dos canais. Podem ser tubos de água potável, que passam por cima de um rio de água ainda não
tratada, um tubo de telefonia, uma ponte para passagem de pedestres sobre o rio etc. A imagem mostra uma ponte
sobre um rio e uma ponte sobre uma galeria de águas pluviais, por onde poderiam passar carros ou pessoas. A
outra mostra os tubos passando por cima do rio e da galeria e a última mostra o bueiro que está sobre uma galeria
de águas pluviais, que pode ser circular ou retangular.
Travessia Intermediária
É a passagem através do corpo-d’água, entre o nível-d’água máximo de projeto e o leito. A travessia intermediária é
feita geralmente para cabos. O cabo ou o duto passam sob a superfície do corpo-d’água e sobre seu leito.
Geralmente não se recomenda ou autoriza travessias desse tipo em cursos d’água (rios), por se constituírem em
obstáculos ao escoamento e pelas altas velocidades durante as cheias.
A travessia intermediária é característica dos tubos de óleo combustível que atravessam os oceanos nas extrações
de petróleo, por exemplo (oleodutos) ou também no caso dos dutos de fibra ótica.
Travessia Subterrânea
Quando a passagem se faz abaixo do leito do corpo-d’água, ou seja, geralmente se implementa uma galeria
escavada no solo.
A travessia subterrânea ocorre por baixo da água, como no caso dos túneis que são escavados a grandes
profundidades e cortam o lençol freático.
Fluxo de água em canais abertos
Você já se perguntou porque é importante conhecer o fluxo de água em canais abertos? Afinal, o fluxo de um rio pode
mudar de forma repentina? Com uma extensão de área tão grande, não seria possível prever uma mudança de fluxo da
água previamente?
Assista ao vídeo Com a natureza não se brinca.
 Com a natureza não se brinca (Fonte: YouTube
<https://www.youtube.com/watch?v=8F14rX5Ldz8> . Acesso em: 18
jul. 2018).
Existem algumas particularidades relacionadas ao fluxo de água em canais abertos. Os canais cujageometria é
manipulada, ou seja, quando há intervenções no fundo e na lateral dos canais para que estes se aproximem de uma
forma geométrica pré-determinada, o fluxo de água nos canais tende a ser uniforme, principalmente se a profundidade
da água permanecer a mesma ao longo de toda a extensão do canal.
Mas, essa não é única característica do fluxo de água em canais abertos. Ele pode ser classificado por dois critérios
distintos.
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O critério de espaço, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua limitação geométrica.
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O critério de tempo, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua evolução no tempo, como em um maremoto.
Critério espaço — fluxo uniforme
É preciso compreender a representação gráfica do canal para entender seu comportamento. A representação de um
segmento de um fluxo em canal aberto permite esclarecer as relações interdependentes entre a declividade do fundo do
canal, a descarga, a profundidade da água e outras características do canal.
Se a profundidade do canal não se mantém e há variações de altura da lâmina-d’água no canal, podemos dizer que o seu
fluxo é variável.
 Fluxo uniforme
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Saiba mais
Na imagem acima verifica-se o equilíbrio de forças em um escoamento em um canal, onde um pequeno trecho é
selecionado para a análise. F e F são as pressões exercidas pela água no trecho. F é a força de atrito com o fundo
do canal, L é a extensão do trecho, S é a inclinação de fundo de acordo com o angulo de inclinação, W é a
componente peso da água; Acima estão as linhas de energia que compões esse equilíbrio.
Critério espaço — fluxo variável
Quando o fluxo é variável, ele pode ainda ser classificado em gradativamente variado e rapidamente variado,
dependendo se as alterações na profundidade do fluxo são graduais ou abruptas. Variações abruptas no canal implicarão
em um fluxo rapidamente variado, portanto turbulento, e variações graduais implicarão em um fluxo gradativamente
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variado.
É fácil perceber essa concepção de fluxo quando observamos o que acontece no processo de escoamento de águas
pluviais para dentro de uma galeria (bueiro). Se houver pequenas pedras no caminho de escoamento da água (trajeto), o
fluxo faz pequenas ondulações. Se houver um obstáculo maior, esse escoamento se torna turbulento e vemos a água
espumar.
 Classificações de fluxos em canais abertos: (a) fluxo gradativamente
variado, fluxo rapidamente variado e fluxo uniforme; (b) fluxo variado instável;
© fluxo variado instável.
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Saiba mais
A imagem mostra os três tipos de fluxo que serão discutidos no próximo capítulo, onde varia gradualmente em um
escoamento, ganhando velocidade e aumentando a altura da lâmina de água, varia rapidamente, espumando devido
a formação de bolhas decorrentes desta mudança abrupta e condição onde o fluxo é instável e há a mudança da
altura da lâmina de água de modo inconsistente.
Critério tempo — fluxo estável e fluxo instável
No fluxo estável, a descarga e a profundidade da água em qualquer seção do percurso do canal não se alteram com o
tempo durante o período considerado para a observação.
No fluxo instável, ambas se alteram com o período considerado para a observação.
A maioria dos fluxos uniformes em canais abertos é estável, sendo os fluxos instáveis muito raros.
 Onda gigante em rio da China, exemplo de fluxo instável (Fonte:
Globo.com <https://extra.globo.com/incoming/2568358-039-
605/w640h360-PROP/onda-china-1.jpg> ).
Os canais a céu aberto de fluxo uniforme e estável:
Satisfazem a condição de que a profundidade da água, a área do fluxo, a descarga e a velocidade de distribuição devem
permanecer as mesmas em todas as seções de toda a extensão do canal.
Satisfazem a condição de que a linha de energia, a superfície da água e o fundo do canal devem estar paralelos uns aos
outros.
Não possuem nenhum tipo de aceleração ou desaceleração do fluxo-d’água entre as seções.
Atividades
1. Presente desde a Antiguidade, a engenharia hidráulica demonstra a importância da água para a vida humana.
Registros mostram o uso da engenharia hidráulica desde os anos 4000 a.C., com diques e canais de irrigação
construídos no Egito. Os diques eram grandes reservatórios para armazenar a água e os canais direcionavam o fluxo
das águas para regiões distantes, tornando possível utilizar a água na quantidade necessária e no momento certo,
solucionando os problemas das cheias e secas da região. Assim como os diques e canais de irrigação, podemos citar
como obras da engenharia hidráulica:
 a) Aeroportos e viadutos.
 b) Pavimentação de rodovias e terraplanagem.
 c) Instalação de chuveiro e assentamento de alvenaria.
 d) Barragens e portos.
 e) Drenagem e pintura.
2. Tecnicamente definem-se como canais (ou condutos livres) aqueles condutos em que a superfície do líquido está
sujeita à pressão atmosférica. Esse conceito difere do conceito do fluxo em tubos, pois no caso de tubos o fluxo
preenche todo o espaço livre do tubo e as fronteiras que delimitam este fluxo são as paredes do tubo. Além disso,
há uma pressão hidráulica que varia de uma seção a outra ao longo do tubo. Sabendo que nos canais, a água está
sujeira à pressão atmosférica é incorreto afirmar que:
 a) Os rios podem ser considerados como canais a céu aberto.
 b) As galerias podem ser consideradas como canais de contorno fechado.
 c) Em canais de contorno fechado o fluxo preenche o canal inteiro.
 d) O fluxo em canais a céu aberto possui uma superfície livre que se ajusta dependendo das condições de fluxo.
 e) O fluxo em tubulações preenche o canal inteiro.
3. Quanto ao revestimento, podemos dizer que os materiais mais comuns utilizados para canais abertos são:
 a) Terra, terra armada, gabião, alumínio, pedra lascada e concreto.
 b) Terra, terra armada, areola, enrocamento (rachão), pedra polida e concreto.
 c) Terra, terra armada, gabião, enrocamento (rachão), pedra argamassada e concreto.
 d) Terra, argila expandida, gabião, enrocamento (rachão), pedra argamassada e rejunte.
 e) Terra, ferro fundido, gabião, pedras decorativas, pedra argamassada e concreto.
4. As travessias podem ser determinadas como:
 a) Embarcações responsáveis por levar pessoas, animais e veículos de uma margem a outra do canal.
 b) Distância correspondente à extensão de um canal de contorno fechado (galeria).
 c) Estruturas submersas responsáveis por filtrar a água dos canais em período de seca.
 d) Estruturas que permitem a passagem de uma margem à outra de um curso-d’água para pessoas, animais,
veículos etc.
 e) Estruturas utilizadas para fazer a dragagem dos canais.
5. Existem algumas particularidades relacionadas ao fluxo de água em canais abertos. Quando falamos em canais
cuja geometria é manipulada, ou seja, quando há intervenções no fundo e na lateral dos canais para que estes se
aproximem de uma forma geométrica pré-determinada, o fluxo de água nos canais tende a ser uniforme,
principalmente se a profundidade da água permanecer a mesma ao longo de toda a extensão do canal.
Mas, essa não é única característica do fluxo de água em canais abertos. Ele pode ser classificado por dois critérios
distintos que são:
 a) O critério de espaço, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua limitação geométrica e o critério de
tempo, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua evolução no tempo.
 b) O critério de espaço, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua limitação pela gravidade e o critério
de tempo, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua queda livre.
 c) O critério de espaço, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua limitação devido à rugosidade do
canal e o critério de tempo, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante a erosão do fundo do canal.
 d) O critério de espaço, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua limitação geométrica e o critério de
tempo, que verificacomo o fluxo se desenvolve mediante a erosão das margens do canal.
 e) O critério de espaço, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante sua limitação devida à rugosidade do
canal e o critério de tempo, que verifica como o fluxo se desenvolve mediante a durabilidade do canal.
Referências
HOUGHTALEN, R. J.; AKAN, A.O.; HWANG, N.H.C. Engenharia Hidráulica. 4. ed. São Paulo: Pearson, 2012.
DAEE - Departamento de Águas e Energia Elétrica. Guia Prático Para Projetos de Pequenas Obras Hidráulica, 2. ed. São
Paulo. 2006.
SCHMOLL, N. Etapas de Construção de um Aqueduto Romano. Museu de Topografia - Departamento de Geodésia – UFRGS,
2015. Disponível em <https:// rl.art.br/ arquivos/ 5394584 .pdf <https://rl.art.br/arquivos/5394584.pdf> >. Acesso
em 10 abr. 2018.
Próximos Passos
Metodologias utilizadas para identificação de manchas de sangue em local de crime;
Morfologia das gotas de sangue em local de crime.
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