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RESOLUÇÃO LISTA 1 – PROPRIEDADES DO FLUIDOS 1. Um tanque de ar comprimido apresenta volume igual a 2,38x10-2m3. Determine a massa específica e o peso do ar contigo no tanque quando a pressão relativa do ar no tanque for igual a 340kPa. Admita que a temperatura do ar no tanque é igual a 21OC e que a pressão atmosférica vale 101,3kPa(abs). Resolução Em primeiro lugar, deve-se encontrar a pressão absoluta do ar no tanque da seguinte maneira: 𝑝𝑟 = 𝑝𝑎𝑏𝑠 − 𝑝𝑎𝑡𝑚 Onde: 𝑝𝑟 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 (𝑃𝑎 = 𝑁/𝑚²) 𝑝𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 (𝑃𝑎 = 𝑁/𝑚²) 𝑝𝑎𝑡𝑚 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 (𝑃𝑎 = 𝑁/𝑚²) Assim: 𝑝𝑟𝑎𝑟 = 𝑝𝑎𝑏𝑠𝑎𝑟 − 𝑝𝑎𝑡𝑚 → 𝑝𝑎𝑏𝑠𝑎𝑟 = 𝑝𝑟𝑎𝑟 + 𝑝𝑎𝑡𝑚 = 340 𝑘𝑃𝑎 + 101,3 𝑘𝑃𝑎 𝒑𝒂𝒃𝒔𝒂𝒓 = 𝟒𝟒𝟏, 𝟑 𝒌𝑷𝒂 Em seguida, é possível encontrar a massa específica do ar no tanque através da Equação de Estado dos Gases, dada por: 𝜌 = 𝑝 𝑅𝑇 Onde: 𝜌 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑔á𝑠 (𝑘𝑔/𝑚³) 𝑝 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑜 𝑔á𝑠 (𝑃𝑎 = 𝑁/𝑚²) 𝑅 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑜 𝑔á𝑠 (𝑚2/𝑠². 𝐾) 𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑜 𝑔á𝑠 (𝐾) Assim: 𝜌𝑎𝑟 = 𝑝𝑎𝑏𝑠𝑎𝑟 𝑅𝑎𝑟𝑇𝑎𝑟 = 441,3 × 103 𝑃𝑎 287 𝑚2 𝑠2. 𝐾 × 294 𝐾 → 𝝆𝒂𝒓 = 𝟓, 𝟐𝟑 𝒌𝒈/𝒎³ Observe que, para o ar, a constante 𝑅 possui o valor de aproximadamente 287 m²/s².K e que a temperatura 𝑇 é convertida em unidade Kelvin, ou seja, deve-se somar 273 ao valor em graus Celsius. Para encontrarmos o peso do ar contido no tanque, devemos observar que: 𝜌 = 𝑚 𝑉 → 𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉 (1) 𝐺 = 𝑚 ∙ 𝑔 → 𝑚 = 𝐺 𝑔 (2) Onde: 𝜌 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 (𝑘𝑔/𝑚³) 𝑚 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 (𝑘𝑔) 𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝑚³) 𝐺 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑃𝑒𝑠𝑜 (𝑁) 𝑔 = 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑚/𝑠²) Igualando as equações 1 e 2 temos que: 𝐺𝑎𝑟 𝑔 = 𝜌𝑎𝑟 ∙ 𝑉𝑎𝑟 → 𝐺𝑎𝑟 = 𝜌𝑎𝑟 ∙ 𝑉𝑎𝑟 ∙ 𝑔 = 5,23 𝑘𝑔/𝑚³ × 2,38 × 10 −2 𝑚³ × 9,81 𝑚/𝑠² 𝑮𝒂𝒓 = 𝟏, 𝟐𝟐 𝑵 2. Determine a Densidade, Gravidade Específica e Massa de Ar numa Sala cujas dimensões são 4 m x 5m x 6m, a 100kPa (pressão absoluta) e 25oC. Resolução Primeiramente, é possível calcular o volume da sala da seguinte maneira: 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑎 = 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 × 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 × 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 = 4 𝑚 × 5 𝑚 × 6 𝑚 → 𝑽𝒔𝒂𝒍𝒂 = 𝟏𝟐𝟎 𝒎³ A Densidade, ou Massa Específica, pode ser calculada pela mesma fórmula utilizada na questão 1 para gases, ou seja: 𝜌𝑎𝑟 = 𝑝𝑎𝑏𝑠𝑎𝑟 𝑅𝑎𝑟𝑇𝑎𝑟 = 100 × 103 𝑃𝑎 287 𝑚2 𝑠2. 𝐾 × 298 𝐾 → 𝝆𝒂𝒓 = 𝟏, 𝟏𝟔𝟗 𝒌𝒈/𝒎³ Para o cálculo da Gravidade Específica, ou Peso Específico Relativo, se faz necessário conhecer o Peso Específico do ar contido na sala, dado por: 𝛾 = 𝜌 ∙ 𝑔 → 𝛾𝑎𝑟 = 𝜌𝑎𝑟 ∙ 𝑔 = 1,169 𝑘𝑔/𝑚³ × 9,81 𝑚/𝑠 2 → 𝜸𝒂𝒓 = 𝟏𝟏, 𝟒𝟔𝟖 𝑵/𝒎³ Onde: 𝛾 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 (𝑁/𝑚³) 𝜌 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 (𝑘𝑔/𝑚³) 𝑔 = 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑚/𝑠²) Agora é possível calcular a Gravidade Específica pela equação: 𝛾𝑟 = 𝛾 𝛾𝐻2𝑂4°𝐶 → 𝛾𝑟𝑎𝑟 = 𝛾𝑎𝑟 𝛾𝐻2𝑂4°𝐶 = 11,468 𝑁/𝑚³ 10.000 𝑁/𝑚³ → 𝜸𝒓𝒂𝒓 = 𝟏, 𝟏𝟒𝟔𝟖 × 𝟏𝟎 −𝟑 Onde: 𝛾𝑟 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 (𝐴𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙) 𝛾𝐻2𝑂4°𝐶 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 à 4°𝐶 (𝑁/𝑚³) Observe que o Peso Específico da água à 4°C possui o valor de aproximadamente 10.000 N/m³, ou 1.000 kgf/m³. Para o cálculo da Massa de Ar presente na sala, podemos utilizar a equação da massa específica, trabalhada na questão 1, dada por: 𝜌 = 𝑚 𝑉 → 𝑚𝑎𝑟 = 𝜌𝑎𝑟 ∙ 𝑉𝑎𝑟 = 1,169 𝑘𝑔/𝑚³ × 120 𝑚 3 → 𝒎𝒂𝒓 = 𝟏𝟒𝟎, 𝟐𝟖 𝒌𝒈 Observe que admitimos o volume do ar igual ao volume da sala, visto que a substância gasosa tende a preencher o espaço disponível. 3. Um pistão de peso G=4 N cai dentro de um cilindro com uma velocidade constante de 2m/s. O diâmetro do cilindro é 10,1cm e o do pistão é 10,0 cm. Determinar a viscosidade do lubrificante colocado na folga entre o pistão e cilindro. Resolução Nos casos em que a espessura do fluido ε é muito pequena, pode-se adotar um diagrama linear de velocidades de modo que não ocorra grandes erros. Por este método, utilizando a seguinte equação para determinar a viscosidade dinâmica do fluido: 𝜏 = 𝜇 ∙ 𝑑𝑣 𝑑𝑦 → 𝜏 = 𝜇 ∙ 𝑣0 𝜀 → 𝜇 = 𝜏 ∙ 𝜀 𝑣0 (1) Onde: 𝜏 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑁/𝑚² 𝑜𝑢 𝑃𝑎) 𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑁. 𝑠/𝑚2 𝑜𝑢 𝑃𝑎. 𝑠) 𝑑𝑣 𝑑𝑦 = 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒(𝑠−1) 𝑣0 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚/𝑠) 𝜀 = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚) Perceba que pelo método linear, a variação de velocidade ao longo do fluido é proporcional ao aumento de espessura. Dessa forma, 𝑑𝑣 = 𝑣0 e 𝑑𝑦 = 𝜀 (Ver págs. 3 à 6 do livro de Brunetti – 2ª Ed.) A distância ε, pode ser calculada através da subtração entre o diâmetro do cilindro e o diâmetro do pistão: 𝜀 = 𝐷𝑒 − 𝐷𝑖 2 = 10,1 𝑐𝑚 − 10 𝑐𝑚 2 → 𝜺 = 𝟎, 𝟎𝟓 𝒄𝒎 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟓 𝒎 Observe que, foi necessário realizar a divisão por 2, pois na figura pode-se observar que ao subtrair os diâmetros, encontramos a espessura para as duas extremidades, quando nos interessa apenas uma delas. Em seguida, é preciso encontrar o valor da tensão de cisalhamento 𝜏. Para isso, podemos utilizar a equação: 𝜏 = 𝐹𝑡 𝐴 = 𝐺 𝐴 Onde: 𝐹𝑡 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑎𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑁) 𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚2) Verificando que a Força Peso do pistão exerce o papel da Força Tangencial. Assim, podemos reescrever a Equação 1 como: 𝜇 = 𝐺 𝐴 ∙ 𝜀 𝑣0 = 𝐺 2𝜋𝑅𝑖𝐿 ∙ 𝜀 𝑣0 = 4 𝑁 2 × 3,14 × (0,1 𝑚) × (0,05 𝑚) ∙ 0,0005 𝑚 2 𝑚/𝑠 → 𝝁 = 𝟔, 𝟑𝟕 × 𝟏𝟎−𝟐 𝑵. 𝒔/𝒎² Observe que a área de contato do fluido 𝐴, nesta questão, corresponde à área da superfície do pistão (cilíndrico), ou seja: 𝐴 = 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟ê𝑛𝑐𝑖𝑎 ("tampa" do cilindro) × 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 = 2𝜋𝑅𝑖𝐿 OBS: Verificar a resolução pelo método linear (página 7 do livro de Brunetti – 2ª Ed.). 4. Uma chapa plana fina de dimensões 20 cm x 20 cm é puxada horizontalmente com velocidade de 1m/s sobre uma camada de óleo de 3,6 mm de espessura entre duas chapas planas, uma estacionária e outra movendo-se com velocidade constate de 0,3 m/s, como mostrado na figura. A viscosidade dinâmica do óleo é 0,027 Pa . s. Considerando que a velocidade de cada camada de óleo varie linearmente, (a) trace o perfil da velocidade e determine o ponto em que a velocidade do óleo seja nula e (b) determine a força que deve ser aplicada sobre a chapa para manter em movimento. Resolução A) Para construção do diagrama de velocidades, deve-se analisar as duas partes do sistema separadamente. A Parte 1 é simples, e como a questão considera o sistema como um modelo linear de velocidade, podemos concluir que o diagrama possui um formato triangular, em que as velocidades partem de 0 m/s (parede fixa) até a velocidade de 1 m/s (chapa em movimento): 1 2 Parede Fixa Na Parte 2 do sistema, existe um nível em que o movimento do fluido muda de sentido devido ao movimento da parede inferior, correspondendo à uma velocidade de 0 m/s. Devido a isso, o diagrama de velocidades é composto por dois triângulos que representam a variação da velocidade nos dois sentidos: Parede Móvel Para determinar o nível em que as velocidadesmudam de sentido, ou seja, onde a velocidade é nula, pode-se utilizar o conceito da semelhança de triângulos, uma vez que a velocidade varia proporcionalmente à espessura do fluido. Dessa forma: Inicialmente, pela imagem da questão, é possível perceber que: ℎ𝑥 + ℎ𝑦 = 2,6 𝑚𝑚 → ℎ𝑥 = 2,6 𝑚𝑚 − ℎ𝑦 (1) Sabendo disso, podemos usar a semelhança de triângulos e obter a seguinte equação: 1 2 v = 0 m/s 1 m/s 0,3 m/s hx hy 𝑉 ℎ𝑥 = 𝑉𝑤 ℎ𝑦 → 1 𝑚/𝑠 ℎ𝑥 = 0,3 𝑚/𝑠 ℎ𝑦 → 1 𝑚/𝑠 ∙ ℎ𝑦 = 0,3 𝑚/𝑠 ∙ ℎ𝑥 → 1 𝑚/𝑠 ∙ ℎ𝑦 = 0,3 𝑚/𝑠 ∙ (2,6 𝑚𝑚 − ℎ𝑦) = 0,3 𝑚/𝑠 ∙ (0,0026 𝑚 − ℎ𝑦) → 1 𝑚/𝑠 ∙ ℎ𝑦 = 0,00078 𝑚 2/𝑠 − 0,3 𝑚/𝑠 ∙ ℎ𝑦 → 1,3 𝑚/𝑠 ∙ ℎ𝑦 = 0,00078 𝑚 2/𝑠 → 𝒉𝒚 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟔 𝒎 = 𝟎, 𝟔 𝒎𝒎 Assim, utilizando a Equação 1, podemos verificar que: ℎ𝑥 = 2,6 𝑚𝑚 − ℎ𝑦 = 2,6 𝑚𝑚 − 0,6 𝑚𝑚 → 𝒉𝒙 = 𝟐 𝒎𝒎 Com isso podemos afirmar que no nível ℎ = 0,6 𝑚𝑚 acima da parece em movimento, ou em ℎ = 2 𝑚𝑚 abaixo da placa, a velocidade é nula. B) Sabemos que para um sistema linear de velocidades: 𝜏 = 𝜇 ∙ 𝑣0 𝜀 → 𝐹𝑡 𝐴 = 𝜇 ∙ 𝑣0 𝜀 → 𝐹𝑡 = 𝜇 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣0 𝜀 Assim, para a Parte 1 do sistema: 𝐹𝑡1 = 𝜇 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉 𝜀1 = 0,027 𝑃𝑎 ∙ 𝑠 × 0,20 𝑚 × 0,20 𝑚 × 1 𝑚/𝑠 0,001 𝑚 → 𝑭𝒕𝟏 = 𝟏, 𝟎𝟖 𝑵 Para a Parte 2 do sistema, precisamos encontrar a velocidade relativa entre a chapa e a parede em movimento, com objetivo de admitir que a parede inferior esteja parada. Como as velocidades dos objetos possuem sentidos opostos, então: 𝑣𝑟 = 𝑣1 + 𝑣2 = 𝑣𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 + 𝑣𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒 = 𝑉 + 𝑉𝑤 → 𝒗𝒓 = 𝟏 𝒎/𝒔 + 𝟎, 𝟑 𝒎/𝒔 = 𝟏, 𝟑 𝒎/𝒔 Logo: 𝐹𝑡2 = 𝜇 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 𝜀2 = 0,027 𝑃𝑎 ∙ 𝑠 × 0,20 𝑚 × 0,20 𝑚 × 1,3 𝑚/𝑠 0,0026 𝑚 → 𝑭𝒕𝟐 = 𝟎, 𝟓𝟒 𝑵 Então a força total sobre a chapa é: 𝐹𝑅 = 𝐹𝑡1 + 𝐹𝑡2 = 1,08 𝑁 + 0,54 𝑁 → 𝑭𝑹 = 𝟏, 𝟔𝟐 𝑵 5. A viscosidade de um fluido deve ser medida por um viscosímetro construído com dois cilindros concêntricos de 40 cm de comprimento. O diâmetro externo do cilindro interno é de 12 cm e a folga entre os dois cilindros é de 0,15 cm. O cilindro interno é girado a 300rpm e o torque medido foi de 1,8 N.m . Determine a viscosidade do fluido. Resolução Primeiramente, sabemos que, para um sistema linear de velocidades: 𝜏 = 𝜇 ∙ 𝑣0 𝜀 → 𝜇 = 𝜏 ∙ 𝜀 𝑣0 → 𝜇 = 𝐹𝑡 𝐴 ∙ 𝜀 𝑣0 (1) Dessa forma, precisamos encontrar a velocidade de escoamento do fluido e a força tangencial aplicada. Sabemos que o torque é um momento resultante de uma força que gera rotação e é dado por: 𝜏𝑜 = 𝐹 ∙ 𝑑 → 𝜏𝑜 = 𝐹𝑡 ∙ 𝑅 → 𝐹𝑡 = 𝜏𝑜 𝑅 = 1,8 𝑁 ∙ 𝑚 0,06 𝑚 → 𝑭𝒕 = 𝟑𝟎 𝑵 Onde: 𝜏𝑜 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 (𝑁 ∙ 𝑚) 𝐹 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑔𝑒𝑟𝑎 𝑜 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 − 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 (𝑁) 𝑑 = 𝐷𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑒𝑖𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 𝑎𝑜 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 (𝑚) Sabendo a velocidade angular, dada na questão, podemos encontrar a velocidade linear que precisamos, através da equação: 𝑣 = 𝜔 ∙ 𝑅 = 300 𝑟𝑝𝑚 × 0,06 𝑚 = 300 𝑟𝑝𝑚 × ( 2𝜋 60 𝑠 ) × 0,06 𝑚 → 𝒗 = 𝟏, 𝟖𝟖𝟒 𝒎/𝒔 Onde: 𝑣 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 (𝑚/𝑠) 𝜔 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 (𝑟𝑎𝑑/𝑠) 𝑅 = 𝑅𝑎𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 (𝑚) Observe que, na questão, a velocidade angular é dada em rotações por minuto (rpm). Sabendo que 1 rotação possui 2𝜋 radianos (rad), então para converter o valor basta realizar a multiplicação. Além disso, deve-se converter o tempo de minuto para segundos, fazendo a divisão por 60 s. Agora temos todos os dados necessários para encontrar a viscosidade pela Equação 1: 𝜇 = 𝐹𝑡 𝐴 ∙ 𝜀 𝑣0 = 30 𝑁 2𝜋𝑅 ∙ 𝐿 ∙ 0,0015 𝑚 1,884 𝑚/𝑠 = 30 𝑁 2 × 3,14 × 0,06 𝑚 × 0,4 𝑚 ∙ 0,0015 𝑚 1,884 𝑚/𝑠 → 𝝁 = 𝟎, 𝟏𝟓𝟖 𝑵 ∙ 𝒔/𝒎² Observe que a área de contato do fluido corresponde à área da superfície do cilindro interno e sua espessura corresponde à folga entre os cilindros.
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