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Mecânica dos Fluidos
Introdução Propriedades Básicas dos
Fluidos
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Introdução Mecânica: Ciência que estuda o equilíbrio e o
movimento de corpos sólidos, líquidos e gasosos, bem como as causas que provocam este movimento;
Em se tratando somente de líquidos e gases, que são denominados fluidos, recai-se no ramo da mecânica conhecido como Mecânica dos Fluidos.
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Introdução Mecânica dos Fluidos: Ciência que trata do
comportamento dos fluidos em repouso e em movimento. Estuda o transporte de quantidade de movimento nos fluidos.
Exemplos de aplicações: O estudo do comportamento de um furacão; O fluxo de água através de um canal; As ondas de pressão produzidas na explosão de uma
bomba; As características aerodinâmicas de um avião
supersônico;
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Por que estudarMecânica dos Fluidos?
O conhecimento e entendimento dos
princípios e conceitos básicos da Mecânica
dos Fluidos são essenciais na análise e
projeto de qualquer sistema no qual um
fluidofluido é o meio atuante
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Por que estudarMecânica dos Fluidos?
O projeto de todos os meios de transporte requer a aplicação dos princípios de Mecânica dos Fluidos. Exemplos: as asas de aviões para vôos subsônicos e supersônicos máquinas de grande efeito aerobarcos pistas inclinadas e verticais para decolagem cascos de barcos e navios projetos de submarinos e automóveis
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Por que estudarMecânica dos Fluidos?
Projeto de carros e barcos de corrida (aerodinâmica); Sistemas de propulsão para vôos espaciais; Sistemas de propulsão para fogos de artifício; Projeto de todos os tipos de máquinas de fluxo incluindo
bombas, separadores, compressores e turbinas; Lubrificação; Sistemas de aquecimento e refrigeração para
residências particulares e grandes edifícios comerciais;
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Por que estudarMecânica dos Fluidos? O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma
(1940) evidencia as possíveis conseqüências que ocorrem, quando os princípios básicos da Mecânica dos Fluidos são negligenciados;
A ponte suspensa apenas 4 meses depois de ter sido aberta ao tráfego, foi destruída durante um vendaval;
Inicialmente, sob a ação do vento, o vão central pôs-se a vibrar no sentido vertical, passando depois a vibrar torcionalmente, com as torções ocorrendo em sentido oposto nas duas metades do vão. Uma hora depois, o vão central se despedaçava
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Por que estudarMecânica dos Fluidos?
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Por que estudarMecânica dos Fluidos? O sistema de circulação do sangue no corpo humano
é essencialmente um sistema de transporte de fluido e como conseqüência o projeto de corações e pulmões artificiais são baseados nos princípios da Mecânica dos Fluidos;
O posicionamento da vela de um barco para obter maior rendimento com o vento e a forma e superfície da bola de golfe para um melhor desempenho são ditados pelos mesmos princípios.
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Aceno Histórico Até o início do século o estudo dos fluidos foi
efetuado essencialmente por dois grupos – Hidráulicos e Matemáticos;
Os Hidráulicos trabalhavam de forma empírica, enquanto os Matemáticos se concentravam na forma analítica;
Posteriormente tornou-se claro para pesquisadores eminentes que o estudo dos fluidos deve consistir em uma combinação da teoria e da experiência;
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Importância
Nos problemas mais importantes, tais como: Produção de energia Produção e conservação de alimentos Obtenção de água potável Poluição Processamento de minérios Desenvolvimento industrial Aplicações da Engenharia à Medicina
Sempre aparecem cálculos de: Perda de carga Forças de arraste Trocas de calor Troca de substâncias entre fases
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Importância
Desta forma, torna-se importante o conhecimento global das leis tratadas no que se denomina Fenômenos de Transporte.
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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia
Engenharia Civil e ArquiteturaEngenharia Civil e Arquitetura
Constitui a base do estudo de hidráulica e hidrologia e tem aplicações no conforto térmico em edificações
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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia
Engenharias Sanitária e AmbientalEngenharias Sanitária e Ambiental
Estudos da difusão de poluentes no ar, na água e no solo
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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia
Engenharia MecânicaEngenharia Mecânica
Processos de usinagem, processos de tratamento térmico, cálculo de máquinas hidráulicas, transferência de calor das máquinas térmicas e frigoríficas e Engenharia aeronáutica
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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia
Engenharia Elétrica e EletrônicaEngenharia Elétrica e Eletrônica
Importante nos cálculos de dissipação de potência, seja nas máquinas produtoras ou transformadoras de energia elétrica, seja na otimização do gasto de energia nos computadores e dispositivos de comunicação;
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Quais as diferenças fundamentais entre
fluido e sólido?
Fluido é mole e deformável
Sólido é duro e muito pouco deformável
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Passando para uma linguagem científica:
A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a estrutura molecular:
Sólido: as moléculas sofrem forte força de atração (estão muito próximas umas das outras) e é isto que garante que o sólido tem um formato próprio;
Fluido: apresenta as moléculas com um certo grau de liberdade de movimento (força de atração pequena) e não apresentam um formato próprio.
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Fluidos:Líquidos e Gases
Líquidos: - Assumem a forma dos
recipientes que os contém;
- Apresentam um volume próprio (constante);
- Podem apresentar uma superfície livre;
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Gases e vapores:-apresentam forças de atração intermoleculares desprezíveis;-não apresentam nem um formato próprio e nem um volume próprio;-ocupam todo o volume do recipiente que os contém.
Fluidos:Líquidos e Gases
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Teoria Cinética Molecular
“Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se encontrarem”
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Estados Físicos da Matéria
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Fluidos
De uma maneira geral, o fluido é caracterizado pela relativa mobilidade de suas moléculas que, além de apresentarem os movimentos de rotação e vibração, possuem movimento de translação e portanto não apresentam uma posição média fixa no corpo do fluido.
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Fluidos x Sólidos
A principal distinção entre sólido e fluido, é pelo comportamento que apresentam em face às forças externas. Por exemplo, se uma força
de compressão fosse usada para distinguir um sólido de um fluido,este último seria inicialmente comprimido, e a partir de um certo ponto ele se comportariaexatamente como se fosse um sólido, isto é, seria incompressível.
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Fatores importantes na diferenciação entre sólido
e fluidoO fluido não resiste a esforços tangenciais
por menores que estes sejam, o que implica
que se deformam continuamente.
F
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Já os sólidos, ao serem solicitados
por esforços, podem resistir,
deformar-se e ou até mesmo
cisalhar.
Fatores importantes na diferenciação entre sólido
e fluido
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Fluidos x Sólidos
Os sólidos resistem às forças de cisalhamento até o seu limite elástico ser alcançado (este valor é denominado tensão crítica de cisalhamento), a partir da qual experimentam uma deformação irreversível, enquanto que os fluidos são imediatamente deformados irreversivelmente, mesmo para pequenos valores da tensão de cisalhamento.
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Fluidos: outra definição
Um fluido pode ser definido como uma substância que muda continuamente de forma enquanto existir uma tensão de cisalhamento, ainda que seja pequena.
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Propriedades dos fluidosMassa específica -
É a razão entre a massa do fluido e o volume que contém essa massa (pode ser denominada de densidade absoluta)
Vm
volumemassa
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Propriedades dos fluidosMassa específica - Nos sistemas usuais:
Sistema SI............................Kg/m3
Sistema CGS.........................g/cm3
Sistema MKfS........................Kgf.m-4.s2
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Massas específicas de alguns fluidos
Fluido (Kg/m3)Água destilada a 4 oC 1000Água do mar a 15 oC 1022 a 1030Ar atmosférico à pressão atmosférica e 0 oC
1,29
Ar atmosférico à pressão atmosférica e 15,6 oC
1,22
Mercúrio 13590 a 13650Petróleo 880
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Propriedades dos fluidos Peso específico -
É a razão entre o peso de um dado fluido e o volume que o contém.
VG
volumepeso
W
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Propriedades dos fluidosPeso específico - Nos sistemas usuais:
Sistema SI............................N/m3
Sistema CGS.........................dines/cm3
Sistema MKfS........................Kgf/m3
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Propriedades dos fluidosRelação entre peso específico e
massa específica
gV
gmVG
W
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Propriedades dos fluidosVolume Específico - Vs
Vs= 1/γ =V/W
É definido como o inverso do peso específico
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Propriedades dos fluidosVolume específico - VsNos sistemas usuais:
Sistema SI............................m3/NSistema CGS......................... cm3/dinesSistema MKfS........................ m3/Kgf
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Propriedades dos fluidosDensidade Relativa - δ (ou
Densidade)
É a relação entre a massa específica de uma substância e a de outra tomada como referência
δ = o
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Propriedades dos fluidosDensidade Relativa - δ (ou Densidade)
Para os líquidos a referência adotada é a água a 4oCNos sistemas usuais:
Sistema SI.....................ρ0 = 1000kg/m3 Sistema MKfS ............... ρ0 = 102 kgf.m-4 .s2
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Propriedades dos fluidosDensidade Relativa - δ (ou Densidade)
Para os gases a referência é o ar atmosférico a 0oCNos sistemas usuais:
Sistema SI................. ρ0 = 1,29 kg/m3 Sistema MKfS .............ρ0 = 0,132 kgf.m-4 .s2
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Exercícios
1. Determine o peso de um reservatório de óleo que possui uma massa de 825 kg.
2. Se o reservatório do exemplo anterior tem um volume de 0,917 m3 determine a massa específica, peso específico e densidade do óleo.
3. Se 6,0m3 de óleo pesam 47,0 kN determine o peso específico, massa específica e a densidade do fluido
4. Se 7m3 de um óleo tem massa de 6.300 kg, calcule sua massa específica, densidade, peso e volume específico no sistema (SI). Considere g= 9,8 m/s2
5. Repita o problema anterior usando o sistema MKfS. Compare os resultados.
6. O peso específico da água à pressão e temperatura usuais é aproximadamente igual a 9,8 kN/m3. A densidade do mercúrio é 13,6. Calcule a densidade, a massa específica e o volume específico do mercúrio, nos sistemas SI e MKfS.