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Física II MECÂNICA DOS FLUIDOS: TEORIA, CRIADORES E PRÁTICA 1 Sumário Introdução .................................................................................................................................... 2 Objetivo......................................................................................................................................... 2 1. Mecânica dos Fluidos ........................................................................................................... 2 1.1. Para que estudar a disciplina de Mecânica dos Fluidos? ............................................ 2 1.2. Estado da matéria ........................................................................................................ 3 1.3. Diferença entre sólidos e fluido ................................................................................... 4 1.4. Principais Criadores da Ciência da Mecânica dos Fluidos .......................................... 4 Exercícios ...................................................................................................................................... 6 Gabarito ........................................................................................................................................ 6 Resumo ......................................................................................................................................... 7 2 Introdução Esta apostila irá abordar a teoria da Mecânica dos fluidos. A Mecânica dos fluidos é a área da Física que estuda os principais comportamentos e efeitos, causados em fluídos em repouso ou em movimento, quando há a ação de forças atuando sobre eles. Assim, serão descritos alguns conceitos básicos, principais contribuições de cientistas para o desenvolvimento desta teoria e alguns exemplos cotidianos. Você já se questionou sobre a importância dos fluidos em nosso cotidiano? Aliás, você sabe o que é um fluido? Objetivo • Entender conceitos básicos da Mecânica dos Fluidos. • Aprender sobre os estados da matéria. • Conhecer os principais criadores da Mecânica dos Fluidos. 1. Mecânica dos Fluidos 1.1. Para que estudar a disciplina de Mecânica dos Fluidos? Você sabia que dependemos da ação de alguns fluidos para que haja a nossa sobrevivência? Por exemplo, nosso sangue, que leva nutrientes, hormônios e gás oxigênio para todas células do nosso corpo. Ou a água, que no sexo masculino, compõem cerca de 60% do peso corporal e em mulheres cerca 50% a 55% do peso corporal. Além de respirarmos um fluido a todo instante denominado de ar, que é uma mistura de distintos gases (nitrogênio, oxigênio e argônio). Através de cientistas que se dedicaram aos estudos da Mecânica dos Fluidos que podemos fazer diversas atividades no dia a dia: a viagem de avião, por exemplo, só começou a ser possível a partir das contribuições destes estudos. Como um meio de transporte tão pesado pode voar em um fluido que é o ar? Além disso, sem os conhecimentos do comportamento dos fluidos, não seria possível ter água encanada em nossas casas e principalmente nos prédios. Um último exemplo seria a existência do ar condicionado. Este aparelho doméstico que nos traz tanto conforto térmico nos dias quentes, também foi concebido a partir destes estudos e pesquisas. 3 1.2. Estados da Matéria Na natureza, podemos observar que a matéria se encontra em distintos estados: sólido, líquido e gasoso. O que acaba por caracterizar cada um dos estados é o arranjo entre as moléculas e sua energia cinética. No estado sólido, as moléculas das substâncias estão mais próximas e possuem energia cinética pequena. No estado líquido, as moléculas encontram-se mais afastadas do que no estado sólido, com uma energia cinética maior. Por fim, no estado gasoso, as moléculas ser arranjam mais separadamente, possuindo energias cinéticas mais elevadas. A figura seguinte representa os arranjos de moléculas em um determinado volume, trazendo sua correspondência com cada estado da matéria: 01 Os estados físicos da matéria. Outra característica bastante importante que define os estados da matéria está em suas características macroscópicas. Na matéria sólida, temos um volume e formato bem definidos, este não sofrendo compressões. Já no estado líquido, temos que seu volume é bem definido, mas pode sofrer variações (compressões) e sua forma é de acordo com o recipiente em que está contido. O estado gasoso, não possui formato nem volumes definidos, podendo sofrer compressões e expansões com facilidade. SAIBA MAIS! Dentro dos estados da matéria, temos um quarto estado chamado de Plasma. O plasma ocorre quando há a ionização de um gás, ou seja, quando há perda ou ganho de elétrons livres. Isso ocorre ao aquecermos um gás, por exemplo. 4 1.3. Diferença entre sólidos e fluido A principal diferença entre um fluido e um sólido está em seu comportamento quando influenciados por uma tensão de cisalhamento. A tensão de cisalhamento é a distribuição de uma força que atua paralelamente a uma superfície, por unidade de área. Um fluído submetido à essa tensão, tem um comportamento denominado de escoamento, já os sólidos não os possuem. Assim sendo, agrupamos na categoria de fluidos os gases e os líquidos. EXEMPLO 1.4. Principais Criadores da Ciência da Mecânica dos Fluidos O número de cientistas que levaram à construção da Teoria da Mecânica dos Fluidos, é elevado. Contudo, realizamos um apanhado de alguns dos principais nomes que contribuíram para o desenvolvimento da teoria, trazendo algumas contribuições e a aplicação de suas pesquisas. A tabela seguinte, nos traz estas informações. Cientista Foto Contribuições Aplicações Arquimedes (282- 212 a. C.) Contribuiu para a formação do conceito de empuxo: o principal princípio da hidrostática. Podemos viajar com balões usando o princípio do empuxo. Evangelista Torricelli (1608-1647) Criador do barômetro, que nos permite medir a pressão. O barômetro nos permite resolver problemas de bombeamento de água à grandes alturas. São exemplos de fluidos líquidos: água, piche, sangue, gasolina, etc. São exemplos de fluidos gasosos: ar, o gás hélio, o nitrogênio, o oxigênio, o metano, etc. 5 Blaise Pascal (1623-1662) Introdutor do conceito de pressão na Mecânica dos Fluidos. O Princípio de Pascal é muito utilizado em caixas d’água. Henri de Pitot (1695-1791) Medição da velocidade de escoamento dos fluidos por meio do tubo de Pitot, criado por ele. A principal aplicação do tubo de Pitot é o seu uso em aviões. Daniel Bernoulli (1700-1792) Criou a equação de conservação de energia para ser usado no escoamento dos fluidos. Esta equação chama-se equação de Bernoulli. O uso da equação de Bernoulli é extremamente importante para a sustentação de aviões. Osborne Reynolds (1842-1912) Determinação do tipo de escoamento de um fluido. Isto é possível de se fazer com o cálculo do número de Reynolds. Com os conceitos de Reynolds podemos dimensionar tubulações industriais. Fonte: Elaborado pela Autora, 2019. SAIBA MAIS! Caro aluno, a Históriada Mecânica dos Fluidos é extremamente interessante. Os estudos da Mecânica dos Fluidos se iniciaram bem antes da Era Cristã. Caso queira saber um pouco mais sobre os problemas de engenharia que foram resolvidos pelos estudos de Mecânica dos Fluidos, leia o capítulo 1.3 do livro Mecânica dos Fluidos – Fundamentos e Aplicações dos autores Yunus A. Çengel e John M. Cimbala. Boa leitura! 6 Exercícios 1) (Autora, 2019) Por que podemos dizer que as moléculas de uma substância no estado gasoso apresentam alta energia cinética? Qual fórmula nos permitiria calcular a energia cinética de uma única molécula? 2) (Autora, 2019) Qual das seguintes substâncias trata-se de um fluido? a) óleo diesel b) carvão mineral c) gelo d) isopor. e) Nenhuma das alternativas. 3) (Autora, 2019) Além dos três estados da matéria (sólido, líquido, gasoso), temos um quarto estado denominado de Plasma. Faça uma pesquisa e indique as principais diferenças entre um gás e um plasma. Gabarito 1) Aprendemos nesta apostila que as substâncias no estado gasoso apresentam as suas moléculas muito separadas, o que permite que as mesmas se movam com grande velocidade. Sabemos que a energia cinética é expressa pela seguinte fórmula: 𝐸 = 𝑚 ∗ 𝑣2 2 Onde m é a massa da molécula e v é a sua velocidade. Quanto maior for a velocidade da partícula, maior será a sua energia cinética, pois esta é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade. Portanto, por apresentarem moléculas que se movem em alta velocidade, as moléculas apresentam valores mais altos para a energia cinética. 2) Estas substâncias encontram-se no estado sólido: carvão mineral, gelo e isopor. Elas não conseguem escoar, portanto não podem ser consideradas como fluido. O óleo diesel encontra-se no estado líquido, apresenta capacidade de escoamento e, portanto, pode ser considerado um fluido. 7 3) A diferença principal entre um gás e um plasma, está na constituição de seus átomos. Em um plasma, temos átomos ionizados, ou seja, que estão sem um ou mais elétrons livres que se movem pelo material. Outra diferença está na condução de corrente elétrica, onde um plasma consegue conduzi-la com facilidade. Pode também, ser moldado, movido e deformado através de ações de campos elétricos e magnéticos. Um exemplo de Plasma: o Sol. Resumo Nesta apostila aprendemos que o estudo da Mecânica dos Fluidos é muito importante para nós. Vivemos cercados de fluidos por toda a parte: o ar que respiramos, o nosso sangue, o combustível que move os nossos meios de transporte, a água que percorre a tubulação de nossas casas e muito mais. É necessário estudar o comportamento desses fluidos por meio da Mecânica dos Fluidos. Relembramos que as substâncias se apresentam em três estados: sólido, líquido e gasoso. Na apostila também estudamos o conceito de fluidos. Fluido é uma substância líquida ou gasosa que possui a capacidade de escoamento. Foram vistos apenas as contribuições de alguns cientistas para a Mecânica dos Fluidos, tais como: Arquimedes, Evangelista Torricelli, Blaise Pascal, Henri de Pitot, Daniel Bernoulli e Osborne Reynolds. 8 Referências bibliográficas Çengel, Y. A.; Cimbala, J. M. Mecânica dos fluidos: fundamentos e aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, 2007. Halliday, D.; Resnick, R.; Walker, J. Fundamentos de Física - Volume 2, 8ª Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2009. Sears F. W., Zemansky M. W., Freedman R. A., Young H. D.Física 2,12ª Edição, Editora Pearson, 2008. Referências imagéticas Wikipedia. Disponível em:<https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Domenico-Fetti_Archimedes_1620.jpg>. Acesso em: 16/02/2019 às 20h50 Wikipedia. Disponível em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Evangelista_Torricelli_by_Lorenzo_Lippi_%28circa_16 47%2C_Galleria_Silvano_Lodi_%26_Due%29.jpg>. Acesso em: 16/02/2019 às 21h00 Wikipedia. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Blaise_Pascal_Versailles.JPG>. Acesso em:16/02/2019 às 21h00 Wikipedia. Disponível em: <https://books.google.com.br/books?id=1OeCJFJY3ZYC&pg=PA54&lpg=PA54&dq=henri+pitot&source=bl&ots=Wi Fs006xyp&sig=ACfU3U0dgB7UofKHhSWFTdXZLXmJec21MA&hl=pt-BR&sa=X&ved=2ahUKEwiFuqWC18HgAhV- JLkGHVrQDw04ChDoATAJegQICBAB#v=onepage&q=henri%20pitot&f=false>. Acesso em: 16/02/2019 às 21h10 Wikipedia. Disponível em: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/Danielbernoulli.jpg>. Acesso em:em: 16/02/2019 às 21h20 Wikipedia. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:OsborneReynolds.jpg>. Acesso em:16/02/2019 às 21h30
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