Mecânica dos fluidos: teoria, criadores e prática

Prévia do material em texto

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