Mecânica dos Fluidos

1. Mecânica dos Fluidos Introdução Propriedades Básicas dos Fluidos

2. 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.

3. 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;

4. 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 fluido é o meio atuante

5. 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

6. 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;

7. 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

8. Por que estudarMecânica dos Fluidos?

9. 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.

10. 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;

11. 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

12. Importância Desta forma, torna-se importante o conhecimento global das leis tratadas no que se denomina Fenômenos de Transporte.

13. Os Fenômenos de Transporte na Engenharia • Engenharia Civil e Arquitetura Constitui a base do estudo de hidráulica e hidrologia e tem aplicações no conforto térmico em edificações

14. Os Fenômenos de Transporte na Engenharia • Engenharias Sanitária e Ambiental Estudos da difusão de poluentes no ar, na água e no solo

15. Os Fenômenos de Transporte na Engenharia • Engenharia Mecânica Processos de usinagem, processos de tratamento térmico, cálculo de máquinas hidráulicas, transferência de calor das máquinas térmicas e frigoríficas e Engenharia aeronáutica

16. Os Fenômenos de Transporte na Engenharia • Engenharia 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;

17. Quais as diferenças fundamentais entre fluido e sólido? • Fluido é mole e deformável • Sólido é duro e muito pouco deformável

18. 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.

19. Fluidos:Líquidos e Gases Líquidos: - Assumem a forma dos recipientes que os contém; • Apresentam um volume próprio (constante); • Podem apresentar uma superfície livre;

20. Fluidos:Líquidos e Gases 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.

21. Teoria Cinética Molecular “Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se encontrarem”

22. Estados Físicos da Matéria

23. 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.

24. 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 comportaria exatamente como se fosse um sólido, isto é, seria incompressível.

25. F Fatores importantes na diferenciação entre sólido e fluido O fluido não resiste a esforços tangenciais por menores que estes sejam, o que implica que se deformam continuamente.

26. Fatores importantes na diferenciação entre sólido e fluido Já os sólidos, ao serem solicitados por esforços, podem resistir, deformar-se e ou até mesmo cisalhar.

27. 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.

28. 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.

29. Propriedades dos fluidos • Massa específica -  É a razão entre a massa do fluido e o volume que contém essa massa (pode ser denominada de densidade absoluta)

30. Propriedades dos fluidos • Massa específica -  Nos sistemas usuais: Sistema SI............................Kg/m3 Sistema CGS.........................g/cm3 Sistema MKfS........................Kgf.m-4.s2

31. Massas específicas de alguns fluidos

32. Propriedades dos fluidos • Peso específico -  É a razão entre o peso de um dado fluido e o volume que o contém. W

33. Propriedades dos fluidos • Peso específico -  Nos sistemas usuais: Sistema SI............................N/m3 Sistema CGS.........................dines/cm3 Sistema MKfS........................Kgf/m3

34. Propriedades dos fluidos • Relação entre peso específico e massa específica W

35. Propriedades dos fluidos • Volume Específico - Vs Vs= 1/γ =V/W É definido como o inverso do peso específico

36. Propriedades dos fluidos • Volume específico - Vs Nos sistemas usuais: Sistema SI............................m3/N Sistema CGS......................... cm3/dines Sistema MKfS........................ m3/Kgf

37. Propriedades dos fluidos • Densidade Relativa - δ (ou Densidade) δ =  o É a relação entre a massa específica de uma substância e a de outra tomada como referência

38. Propriedades dos fluidos • Densidade Relativa - δ (ou Densidade) Para os líquidos a referência adotada é a água a 4oC Nos sistemas usuais: Sistema SI.....................ρ0 = 1000kg/m3 Sistema MKfS ............... ρ0 = 102 kgf.m-4 .s2

39. Propriedades dos fluidos • Densidade Relativa - δ (ou Densidade) Para os gases a referência é o ar atmosférico a 0oC Nos sistemas usuais: Sistema SI................. ρ0 = 1,29 kg/m3 Sistema MKfS .............ρ0 = 0,132 kgf.m-4 .s2

40. 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.