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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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Porque estudar Mecânica 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.
O projeto de todos os meios de transporte requer a aplicação dos princípios de Mecânica dos Fluidos, tais como, as asas de aviões para vôos subsônicos e supersônicos, máquinas de grande efeito, aerobarcos, projetos de submarinos e automóveis, entre tantos outros.
Importância: A Mecânica dos Fluidos está envolvida em assuntos importantes, tais como: Produção de energia, Produção e conservação de alimentos, Obtenção de água potável, 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 e muito mais.
Ela está presente na Engenharia Civil e Arquitetura constituindo a base do estudo de hidráulica e hidrologia e tem aplicações no conforto térmico em edificações. Na Engenharias Sanitária e Ambiental contribui para os estudos da difusão de poluentes no ar, na água e no solo.
Na Engenharia Mecânica é integrante nos processos de usinagem, processos de tratamento térmico, cálculo de máquinas hidráulicas, transferência de calor das máquinas térmicas e frigoríficas e Engenharia aeronáutica.
Na Engenharia Elétrica e Eletrônica é 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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Fluidos são substâncias capazes de escoar e que se deformam com facilidade. Incluem os líquidos, os gases e até mesmo o plasma. Fluidos ideais não oferecem qualquer resistência à aplicação de forças, ao ponto de assumirem o mesmo formato do recipiente em que são confinados.

Veja também: Dicas para resolver exercícios de Cinemática e se dar bem em qualquer prova

Características dos fluidos

Os fluidos podem ser divididos inicialmente em duas categorias: fluidos ideais e fluidos reais. Neste artigo trataremos dos fluidos ideais. Para tanto, vamos conferir algumas de suas principais características:

·         não apresentam viscosidade;

·         não resistem a cortes;

·         são incompressíveis;

·         não apresentam turbulências.

·         Além dessas características, uma vez que os fluidos não apresentam formato definido, suas propriedades são estudadas a partir de grandezas como massa específica e pressão que eles são capazes de exercer.

·         Massa específica

·         A massa específica de um fluido diz respeito à quantidade de matéria contida em um certo volume. Pode ser calculada por meio da massa do fluido dividida pelo volume ocupado por ele.

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·         ρ – massa específica

·         m – massa

·         V – volume

·         A unidade de medida da massa específica, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, é o kg/m³, entretanto é comum que utilizemos unidades como o g/cm³ ou ainda o kg/L.

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·         A massa específica dos fluidos é definida com base na densidade da água, que apresenta densidade de 1000 kg/m³, 1 g/cm³ ou 1 kg/L. Na tabela a seguir, vamos conferir a massa específica de outros fluidos conhecidos.

| Substância | Massa específica (g/cm³)
| Álcool | 0,79
| Benzeno | 0,90
| Água | 1,00
| Mercúrio | 13,60
| Hexano | 0,66
| Nitroglicerina | 1,60

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·         Pressão hidrostática

·         Os fluidos em repouso são capazes de exercer pressão, que é proporcional à sua densidade e altura. A pressão hidrostática, também conhecida como pressão manométrica, pode ser calculada pelo produto entre massa específica, aceleração da gravidade e altura do fluido.

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·         ρ – massa específica (kg/m³)

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·         g – aceleração da gravidade (m/s²)

·         h – altura do fluido em relação à superfície (m)

·         A partir do teorema de Stevin, também é possível determinar qual é a pressão em um ponto qualquer no interior de um fluido. Para tanto, deve-se levar em conta se o fluido encontra-se ou não sujeito a uma pressão externa, como a pressão atmosférica.

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·         P ₀ – pressão atmosférica

·         Chamamos de pressão atmosférica a pressão exercida pelo fluido que compõe a atmosfera terrestre. Ao nível do mar, a pressão atmosférica da Terra vale aproximadamente 1,01.10⁵ Pa (pascal), e 1 Pa equivale a uma força de 1 N, aplicada sobre uma área de 1 m².

·         Quanto maior é a profundidade do fluido, maior é a pressão, por isso a água é lançada mais longe.

·         Teorema de Pascal

·         De acordo com o Teorema de Pascal, toda pressão exercida sobre um fluido distribui-se de maneira uniforme em seu interior. Além disso, a força que o fluido exerce sobre o recipiente que o confina é sempre perpendicular à superfície do recipiente. Quer entender melhor sobre o assunto? Acesse o nosso artigo específico: Teorema de Pascal.

·         Veja também: Hidrostática — área da Física que explica o comportamento dos fluidos em condições de equilíbrio estático

·         Teorema de Arquimedes

·         Segundo o teorema de Arquimedes, o volume de fluido que é deslocado quando inserimos algum corpo no interior de um fluido corresponde ao próprio volume do corpo inserido. Além disso, se o peso do volume de fluido deslocado for menor que o peso do corpo inserido sobre o fluido, então esse corpo afundará. Se quiser saber mais sobre o assunto, acesse nosso artigo específico: Teorema de Arquimedes.

·         Dinâmica dos fluidos

·         A dinâmica dos fluidos é a área da mecânica que estuda os fluidos em movimento. Vamos ilustrar a situação em que um fluido ideal escoa através de um tubo de diferentes áreas de seção reta e diferentes alturas.

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·         A principal equação da dinâmica dos fluidos é a equação de Bernoulli. Por meio dela, é possível relacionar diferentes pontos do fluido ilustrado na imagem anterior.

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·         P ₁ e P ₂ – pressões nos pontos 1 e 2

·         h ₁ e h ₂ – alturas dos pontos 1 e 2

·         v ₁ e v ₂ – velocidades de escoamento do fluido nos pontos 1 e 2

·         A equação de Bernoulli é derivada da conservação da energia mecânica. Para que ela seja válida, entretanto, é necessário que o fluido estudado seja ideal. Essa equação tem diversas aplicações práticas, tais como a aerodinâmica e a hidrodinâmica.

·         O voo dos aviões, por exemplo, é explicado por meio da equação de Bernoulli. O ar que flui sobre a parte superior da asa do avião escoa mais rapidamente que o ar que passa pelo lado debaixo da asa. Isso faz com que a pressão em cima da asa seja menor que pressão na parte de baixo, desse modo, surge uma força de sustentação capaz de manter o avião no ar.

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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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Quando um fluido está em equilíbrio, ele não tende a escorregar. Dessa forma, as interações que ele mantém juntamente com outros objetos ou corpos são sempre normais às superfícies de contato. Cabe lembrar que os líquidos não puxam os objetos ou corpos com quem mantêm contato. Sendo assim, dizemos que a interação normal à superfície sempre acontece no sentido de que o líquido empurra a área de contato do corpo. Dessa forma, a pressão exercida por um fluido nas paredes de um recipiente qualquer é sempre uma grandeza positiva.

A fim de analisar como varia a pressão em um líquido na direção vertical, vamos considerar um cilindro que contém certa quantidade de líquido homogêneo, como mostra a figura acima.

Para a condição de equilíbrio do líquido na direção vertical, temos:

F B= F A+ P liq    e   P=m.g

como V=A.h,temos:P= μ.A.h.g

Partindo desses princípios, podemos dizer que:

F B= F A+  μ .  A .  h .  g

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Para simplificar a equação, podemos dividi-la pela área da superfície do cilindro, assim temos:
p B= p A+  μ .  h .  g

Esse resultado, que fornece a diferença de pressão entre dois níveis no interior de um líquido, em presença de gravidade, isto é:

p B- p A= μ .  h .  g

é chamado de Teorema de Stevin ou Lei de Stevin em homenagem a Simon Stevin (1548-1620). Na equação acima, p A é a pressão exercida pelo ar atmosférico no local. Em seu teorema, Stevin diz que:

- Quando dois pontos de uma mesma porção de um mesmo líquido em equilíbrio estão no mesmo nível, significa que estão submetidos à mesma pressão.

- A diferença de pressão entre dois pontos de um líquido homogêneo em equilíbrio é dada pela pressão exercida pela coluna de líquido entre eles.

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O empuxo é uma força vertical que atua sobre todo objeto mergulhado em um fluido. Essa força é conhecida como Princípio de Arquimedes.

Os grandes navios flutuam por causa do equilíbrio entre peso e empuxo

Ao mergulhar total ou parcialmente um objeto em um fluido qualquer, surgirá sobre o objeto uma força denominada de empuxo, que é exercida pelo fluido e possui direção vertical e sentido para cima.

A imagem acima mostra um objeto esférico parcialmente imerso em um fluido de densidade ρ. Sobre o objeto atuam duas forças: peso e empuxo.

Como surge o empuxo?

Imagine um objeto completamente imerso em água. A pressão exercida pelo líquido atua em todos os pontos do objeto. À medida que o corpo vai afundando, a pressão em seus pontos inferiores torna-se maior que a pressão nas partes superiores. A diferença de pressão gera a força denominada de empuxo.

Como o empuxo foi descoberto?

A descoberta dessa força é atribuída ao grego Arquimedes, que definiu a grandeza da seguinte forma:

“Todo corpo mergulhado em um líquido sofre uma força chamada de empuxo que corresponde ao peso do volume de líquido deslocado”.

O empuxo é tratado em diversas literaturas como Princípio de Arquimedes.

Como o empuxo é calculado?

O empuxo corresponde ao peso do volume de líquido deslocado pelo corpo imerso em um fluido. Sabendo que o peso é fruto do produto da massa pela gravidade e chamando de mDES a massa de líquido deslocado, temos:

E = m DES . g

A densidade volumétrica é definida como a razão entre a massa e o volume da substância, sendo assim, para o volume de líquido deslocado (VDES), temos:

ρ = m DES ÷ V DES

m DES = ρ . V DES

Portanto, o empuxo pode ser definido como:

E = ρ . V DES . g

OBS: O volume de líquido deslocado corresponde ao volume imerso do corpo mergulhado no fluido.

Flutuação de navios

Alguma vez você já se perguntou como os enormes navios cargueiros ou transatlânticos flutuam no mar sendo tão pesados? A resposta está no empuxo!

Quando determinado objeto não maciço é depositado sobre um fluido, o seu peso atua na vertical para baixo. À medida que o objeto desce, a quantidade de fluido deslocado aumenta e o empuxo também aumenta. No momento em que o empuxo se tornar igual à força peso, o objeto permanecerá em um estado de equilíbrio estático e flutuará na superfície do líquido.

Exemplo de exercício

Um objeto de densidade 300 kg/m³ e massa 15.000 kg flutua nas calmas águas de um lago. Se a densidade do fluido é 1000 kg/m³, determine o volume emerso do corpo.

Resolução:

Como o objeto flutua na água, podemos dizer que o empuxo é igual ao peso:

E = p
ρ . VDES . g = m . g

ρ . VDES = m

1000 . VDES = 15.000
VDES = 15 m3

A partir da definição de densidade, podemos encontrar o volume total do corpo:

ρ = m ÷ V

V = m ÷ ρ

V = 15.000 ÷ 300

V = 50 m3

Como o volume total do corpo é 50 m³ e o volume imerso em água é de 15 m³, podemos concluir que o volume emerso é de 35 m³.

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Esse é um vídeo introdutório a um assunto de suma importância, que é a Mecânica dos Fluidos.

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Esse é um vídeo introdutório a um assunto de suma importância, que é a Mecânica dos Fluidos.

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Esse é um vídeo introdutório a um assunto de suma importância, que é a Mecânica dos Fluidos. Nesse vídeo você vai acompanhar a definição de fluido e algumas de suas propriedades, principalmente a viscosidade absoluta definida a partir da lei de Newton da viscosidade, além da tensão de cisalhamento.

O canal- O mundo da mecatrônica- é um canal de cunho educativo/ tecnológico. Nele você poderá encontrar vídeos de cursos teóricos, exercícios e prática dos mais variados temas referentes a Engenharia Mecatrônica, tais como: Eletrônica, Eletrônica Digital, Eletrônica de Potência, Circuitos Elétricos, Microcontroladores, Engenharia de Controle, Robótica, Mecânica dos Fluidos, Elementos de Máquinas, Resistência dos Materiais, Materiais de Construção, Fundamentos Matemáticos e muito mais.
Meu nome é Flávio Menezes, sou Engenheiro Mecânico e Engenheiro Eletrônico, pós graduado em Engenharia de Petróleo e com MBA em Gerenciamento de Projetos, com anos de experiência na Indústria.
Estude, invista em você! O seu país conta com você!

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Medição de vazão por pressão diferencial, Equação de Bernoulli, Escala quadrática e energias.

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Medição de vazão por pressão diferencial, Equação de Bernoulli, Escala quadrática e energias.

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Neste vídeo  uma explicação básica de distribuição de energia em uma tubulação  com  fluxo mostro como é encontrado a pressão diferencial de um transmissor de pressão diferencial.

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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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É a 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.

Mecânica dos Fluidos: É a 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, entre outros.

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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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Mecânica dos Fluídos e Engenharia mecânica

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Neste vídeo  uma explicação básica de distribuição de energia em uma tubulação  com  fluxo mostro como é encontrado a pressão diferencial de um transmissor de pressão diferencial. Vazão é o módulo de 16hs do curso de instrumentação da Serttec.

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Medição de vazão por pressão diferencial, Equação de Bernoulli, Escala quadrática e energias.