Mecânica dos Fluidos
Conteúdo da Aula:
Sobre a pressão estática em um ponto de fluido podemos fazer a seguinte afirmação:" A pressão num ponto de um fluido em repouso é a mesma em qualquer direção."
Podemos visualizar esse efeito na figura 1. Basta uma pequena análise para comprovar tal afirmação.
Vimos que pressão é definida como p = F/A, assim temos que F = p.A, ou seja, quando temos uma pressão atuante numa área, obrigatoriamente temos uma força agindo. Por outro lado, temos a lei de Newton do movimento diz que F = m.a, ou seja, quando existe uma força aplicada sobre uma massa obrigatoriamente surge uma aceleração. Mas se o fluido está em repouso, indica que não temos força resultante, portanto essas forças se anulam em um dado ponto, do contrário teríamos resultante da força diferente de zero e consequentemente, um escoamento de fluido.
Lei de Pascal: A lei de Pascal diz que "A pressão aplicada num ponto de um fluido em repouso transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido."
Isso significa que quando aplicamos uma determinada pressão num fluido, essa pressão provocará um aumento de pressão em todos os pontos do fluido.
Este é o princípio dos sistemas hidráulicos e pneumáticos.
Podemos visualizar esse fenômeno na figura 2. Digamos que as pressões nos pontos 1, 2 e 3 sejam 1 bar, 2 bar e 3 bar respectivamente (lado esquerdo).
Ao aplicarmos uma pressão nesse sistema de 20 bar (lado direto), os pontos 1, 2 e 3 passaram a ter as seguintes pressões 21 bar, 22 bar e 23 bar, respectivamente.
Para exemplificar a Lei de Pascal, vejamos um exemplo:
A figura (3) representa esquematicamente um elevador hidráulico. Os dois êmbolos têm êmbolos tem, respectivamente, as áreas A2 = 10 cm^2, A1 = 100 cm^2. Se for aplicado uma força de 200 N, no êmbolo (2), qual será a força transmitida em (1)?
Resolução: A pressão transmitida pelo êmbolo (2) será 𝑝2 = 𝐹2/𝐴2.
Pela lei de Pascal, essa pressão será transmitida integralmente ao êmbolo (2), portanto, p1 = p2.
Substituindo a expressão para cálculo de pressão e isolando a força F1, obtemos, 2000 N. Conforme resolução indicada na figura (4).
Carga de Pressão: Uma consequência do Teorema de Stevin em relação a pressão estática de um fluido e a altura de coluna de líquido correspondente é uma constante para um mesmo fluido, ou seja, mesmo que em sistemas diferentes com pressões iguais, a coluna de líquido será igual.
Dessa forma, podemos expressar a pressão de um fluido através de um unidade de comprimento.
A essa altura correspondente a uma pressão é dado o nome de "Carga de Pressão". Desse conceito deriva o conceito de perda de carga, muito usado em escoamentos de qualquer fluido. Veremos isso mais adiante.
Ilustramos esse conceito na figura 5. A carga de pressão correspondente ao ponto 1 é a altura h1, enquanto a carga de pressão do ponto 2 corresponde à altura h2.
Para exemplificar o conceito de carga de pressão, imaginemos a seguinte situação, ilustrada na figura (6). Temos um tubo por onde escoa um líquido a uma dada pressão (lado esquerdo).
Se fizermos um furo nesse tubo e anexarmos uma tubo transparente auxiliar verticalmente, observaremos uma determinada altura que o líquido irá assumir. Essa altura é exatamente a mesma da carga de pressão. Desse princípio que temos a medição de pressão por meio de piezômetros e manômetros em U que falaremos mais adiante.
Figuras, Fórmulas e Resolução:
CONSIDERAÇÕES SOBRE A MECÂNICA DOS FLUIDOS
A Mecânica dos Fluidos é uma disciplina da engenharia muito importante, pois ela trata da interação dos fluidos em diversos sistemas.
Fluido nada mais é do que a junção dos líquidos em gases em uma única classificação, assim passamos a dividir o estudo da mecânica em dois, o estudo relativo aos sólidos e o estudo relativos aos fluidos.
Entender os conceitos da Mecânica dos Fluidos é fundamental para qualquer aspirante a engenheiro, até mesmo os técnicos e tecnologos.
Os princípios da Mecânica dos Fluidos estão inseridos em qualquer sistemas que envolva um líquido ou gás (também vapor) e portanto, essencial na engenharia.
Nossa playlist de Mecânica dos Fluidos aborda os seguintes temas:
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Introdução
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Conceito técnico de Fluido
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Lei de Newton da Viscosidade e Tensão de Cisalhamento
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Fluidos Newtonianos e Fluidos Não-Newtonianos
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Conceito de Viscosidade Dinâmica
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Conceito de Massa Específica
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Conceito de Peso Específico
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Conceito de Densidade Relativa ou Peso Específico Relativo
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Conceito de Viscosidade Cinemática
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Estática dos Fluidos
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Conceito de Pressão
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Princípio de Stevin
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Lei de Pascal
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Conceito de Carga de Pressão
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Superfícies Submersas e Comportas
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Manometria e Manômetro em U
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Cinemática dos Fluidos
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Conceito de Escoamento em Regime Permanente e Não-Permanente
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Conceito de Escoamento Laminar, Escoamento de Transição e Escoamento Turbulento
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Número de Reynolds
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Conceito de Escoamento Ideal ou Não-Viscoso
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Conceito de Escoamento Incompressível
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Conceito de Linhas de Corrente e Trajetória
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Conceito de Escoamento Uniforme
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Conceito de Velocidade Média na Seção
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Conceito de Vazão Volumétrica
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Conceito de Vazão em Massa
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Equação da Continuidade
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Lei de Conservação da Massa
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Equação da Energia
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Energias Mecânicas Associadas ao Fluido
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Equação de Bernoulli
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Equação da Energia na presença de Uma Bomba ou Uma Turbina
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Equação da Energia Para um Fluido Real
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Altura Manométrica da Bomba
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Potência Hidráulica e Potência de Eixo
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Equação da Continuidade de Movimento
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Cálculo de Força Exercida por Um Fluido
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Cálculo de Perda de Carga
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Conceito de Raio Hidráulico e Diâmetro Hidráulico
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Conceito de Rugosidade Real, Rugosidade Uniforme e Rugosidade Equivalente
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Diagrama de Moody-Rouse
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Cálculo de Perda de Carga Distribuída
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Cálculo de Perda de Carga Localizada pelo comprimento equivalente e pelo coeficiente de perda de carga localizada.
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Exercício: Instalação de Bombeamento