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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.