Mecânica Dos Fluidos - 6ª Ed White, Frank

Mecânica Dos Fluidos - 6ª Ed White, Frank

(Parte 1 de 7)

Lei dos gases ideais: p 5 rRT, Rar 5 287 J/kg-KTensão superficial: Dp 5 Y(R1 21 1 R2

Hidrostática, densidade constante:

Força Hidrostática sobre superfície: F 5 ghCGA, yCP 5 2Ixxsenu/(hCGA), xCP 5 2Ixysenu/(hCGA)

Força de flutuação:

FB 5 gfluido(volume deslocado)

Quantidade de movimento no VC: d/dt( CV rVd ) 1 S[(rAV)V]saída 2 S[(rAV)V]entrada 5 SF

Fluxo permanente de energia: (p/g 1 aV2/2g 1 z)entrada 5 (p/g 1 aV2/2g 1 z)saída 1 hatrito 2 hbomba 1 hturbina

Continuidade incompressível: V 5 0Navier-Stokes: r(dV/dt) 5 rg 2 p 1 µ 2V

Escoamento irrotacional não permanente de Bernoulli:

Perda de carga em tubo: hf 5 f(L/d) V2/(2g) em que f 5 Fator de atrito do gráfico de Moody

Orifício, bocal, escoamento venturi:

cf 5 0,664/Rex1/2 , CA 5 1,328/ReL

Escoamento turbulento sobre placa plana:

d/x 5 0,16/Rex1/7, cf 5 0,027/Rex1/7, CD 5 0,031/ReL 1/7

Escoamento em canal gradualmente variado:

Fator de atrito f = h L d

Rugosidade relativa

ed= 0,000001ed= 0,000005Número de Reynolds Re =Vd n

Turbulência completa, tubos rugososZona de transição

Zona crítica

Escoamento laminar

Tubos lisos Recr

Escoamento laminar

Diagrama de Moody*

* Esse diagrama corresponde à Figura 6.13 da página 376. O Diagrama de Moody é considerado o mais famoso e útil para a ciência da Mecânica dos

Fluídos, podendo ser usado para escoamentos em dutos circulares ou não circulares, além de ser adaptado para uma aproximação de escoamentos em camada-limite.

Mecânica dos Fluidos Sexta Edição

Frank M. White University of Rhode Island

Tradução Mario Moro Fecchio

Tradução Técnica

Nelson Manzanares Filho

Mestre em Ciências na área de Máquinas de Fluxo pela Universidade Federal de Itajubá

Doutor em Engenharia Aeronáutica – Mecânica na área de Aerodinâmica,

Propulsão e Energia, pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos Professor Titular do Instituto de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Itajubá

Revisão Técnica

José Carlos Cesar Amorim

Mestre em Energia na área de Engenharia pela Universidade Federal de Itajubá

Doutor em Hidráulica pelo Institut National Polytechnique de Grenoble (França) Professor Associado do Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro

Versão impressa desta obra: 2011

Obra originalmente publicada sob o título Fluid mechanics, 6th edition ISBN 0072938447/9780072938449

© 2007, The McGraw-Hill Companies, Inc., New York, NY, 10020

Preparação do original: Mônica de Aguiar Rocha Leitura fi nal: Vera Lúcia Pereira Capa: Rosana Pozzobon (arte sobre capa original do Studio Montage, St. Louis, Missouri) Editora sênior: Arysinha Jacques Affonso Editor assistente: Cesar Crivelaro Diagramação: Triall Composição Editorial Ltda.

Reservados todos os direitos de publicação em língua portuguesa à AMGH Editora Ltda. (AMGH Editora é uma parceria entre ARTMED Editora S.A. e MCGRAW-HILL EDUCATION) Av. Jerônimo de Ornelas, 670 – Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070

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SAC 0800 703-3444

W584mWhite, Frank M.

Mecânica dos fl uídos [recurso eletrônico] / Frank M.

White ; tradução: Mario Moro Fecchio, Nelson Manzanares Filho ; revisão técnica: José Carlos Cesar Amorim. – 6. ed. – Dados eletrônicos. – Porto Alegre : AMGH, 2011.

Editado também como livro impresso em 2011. ISBN 978-85-8055-009-2

1. Mecânica dos fl uídos. 2. Engenharia civil. I. Título.

CDU 532 _ Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB 10/2052

Sobre o autor

Frank M. White é Professor emérito de Engenharia Mecânica e Oceanográfica na Universidade de Rhode Island (URI). Estudou no Georgia Tech e no M.I.T. Em 1966, na URI, ajudou a fundar o primeiro departamento de engenharia oceanográfica dos Estados Unidos. Conhecido principalmente como professor e autor, recebeu oito prêmios e escreveu quatro livros-texto sobre mecânica dos fluidos e transferência de calor.

De 1979 a 1990 foi editor-chefe do ASME Journal of Fluids Engineering e atuou de 1991 até 1997 como diretor do ASME Board of Editors e do Publications Committee. É membro da ASME e, em 1991, recebeu o ASME Fluids Engineering Award. Vive com sua esposa, Jeanne, em Narragansett, Rhode Island.

Dedico a Jeanne Dedico a Jeanne vii

Prefácio

Abordagem geralA sexta edição de Mecânica dos fluidos passou por algumas adições e exclusões, mas sem sofrer mudanças em sua concepção. A estrutura básica dos 1 capítulos, mais os apêndices, permanece a mesma. Manteve-se a tríade das abordagens integral, diferencial e experimental. Muitos exercícios e alguns exemplos totalmente resolvidos foram alterados. Conservou-se o estilo informal, orientado ao estudante. Acrescentaram-se novas fotografias, figuras e muitas referências, num total de 418. O autor acredita firmemente em "leituras adicionais", especialmente na pós-graduação.

Ferramentas de aprendizado

O número total de problemas propostos aumentou, de 1.089 na primeira edição, para 1.674 nesta sexta edição. Muitos deles são problemas básicos de fim de capítulo, classificados de acordo com o tópico. Há também Problemas Dissertativos, Problemas para Exames de Fundamentos de Engenharia, de múltipla escolha, Problemas Abrangentes e Problemas de Projeto. O apêndice lista aproximadamente 700 Respostas aos Problemas Selecionados. Os problemas resolvidos foram reestru- turados no texto, de acordo com a sequência de passos descrita na Seção 1.3. Uma versão para estudantes do Engineering Equation Solver (EES), descrito no Apêndice E, está incluído no texto e desempenha papel de importante ferramenta para a mecânica dos fluidos e, sem dúvida, para outros problemas de engenharia. Ele é não apenas um excelente solver, mas contém ainda propriedades termodinâmicas, gráficos de alta qualidade, verificação de unidades e muitas funções matemáticas. O autor é extremamente grato a Sanford Klein e William Beckman, da Universidade de Wisconsin, pela ajuda valiosa e contínua na preparação e atualização do EES para uso neste texto.

Mudanças de conteúdoHá algumas revisões em cada capítulo. O Capítulo 1 foi revisado de forma que a história da mecânica dos fluidos é apresentada antes, na Seção 1.2. As técnicas de solução de problemas foram transferidas para a Seção 1.3. A discussão sobre o campo de velocidade, na Seção 1.7, foi abreviada, e a parte matemática passou para o Capítulo 4. A rápida, mas útil, abordagem sobre fluidos não newtonianos foi aperfeiçoada. Um revisor auxiliou o autor a melhorar o tratamento da incerteza experimental, Seção 1.13. Atualizou-se a discussão sobre o Exame de Fundamentos de Engenharia (FE), e o texto contém 85 problemas do tipo FE.

O Capítulo 2, graças às solicitações do revisor, livrou-se da pesada abordagem

Navier-Stokes, que agora retornou ao Capítulo 4. A ênfase volta a ser a hidrostática plena. O tratamento dos manômetros foi melhorado. Em vez de se apoiar inteiramente nas fórmulas hidrostáticas de momento de inércia, um novo exemplo mostra viii Prefácio como trabalhar diretamente com distribuições de pressões. O tratamento do movimento do corpo rígido foi abreviado para evitar excessivas excursões tridimensionais, e a Seção 2.10 sobre medida de pressão apresenta os manômetros digitais.

No Capítulo 3, reduziu-se significativamente o desenvolvimento da análise do volume de controle. O Exemplo 3.5, de integração do campo V(x, y, z), foi substituído por outro menos sofisticado, uma comporta de fundo. A equação de Bernoulli ainda é apresentada por último e não é desmembrada em novo capítulo. Insistimos no fato de que a relação de Bernoulli é arriscadamente limitada e muitas vezes mal utilizada tanto pelos estudantes quanto pelos engenheiros graduados. Os revisores sugeriram uma maneira melhor para explicar quando a equação de Bernoulli é inválida. O Exemplo 3.2, caso de escoamento transiente complicado e insatisfatório, foi substituído por um exemplo melhor.

O Capítulo 4 agora começa com o tratamento do vetor aceleração, removido do

Capítulo 2. Após uma convincente sugestão dos revisores, a Seção 4.10, Escoamentos potenciais ilustrativos, mudou para o Capítulo 8. Aqui foram acrescentados mais 20 novos problemas.

O Capítulo 5 continua a enfatizar o método do teorema pi para determinar grupos adimensionais. Mas acrescentei uma discussão, um exemplo e alguns problemas para o método de Ipsen (um livro-texto de 1960), excelente abordagem alternativa que fornece todos os grupos pi de uma só vez. Por solicitação do revisor, incluí quatro novos exemplos e “mais ar e não tanta água”.

O Capítulo 6 acrescentou um tratamento do problema do escoamento em tubo

Tipo-4: como determinar o comprimento correto do tubo. Com pequenas perdas, incluíram-se novos dados sobre perdas em difusores. Na medição de escoamento, foi adicionado um tratamento sobre velocimetria de imagem de partícula.

O Capítulo oferece novos dados sobre arraste em automóveis, incluindo o recorde mundial de percurso, de 12.665 milhas por galão! Também há uma discussão sobre o Airbus A-380.

O Capítulo 8 agora contém todo o material de escoamento potencial que estava no Capítulo 4. Além de novos dados sobre sustentação e arraste de cilindros rotativos, que gera muitas dúvidas sobre a exatidão da figura clássica usada em edições anteriores e em outros livros.

O Capítulo 9 precisou de algumas mudanças, na opinião do autor. Novas tendências em aeronáutica foi atualizado, e acrescentaram-se 25 novos problemas.

O Capítulo 10 foi beneficiado com referências novas e atualizadas e uma foto de abertura mais impactante. Encontram-se também 18 novos problemas.

O Capítulo 1 foi auxiliado pelas sugestões do revisor. Uma nova seção, com problemas e dados, sobre o desempenho de hélices livres, foi incluída. Mais discussões e dados sobre turbinas de vento, que certamente têm um grande futuro, foram adicionados.

O Apêndice B, Tabelas de escoamento compressível, foi bastante abreviado usando maiores incrementos no número de Mach. As tabelas têm a aparência de função, e as funções de escoamento podem ser facilmente obtidas do Excel, MATLAB ou por meio de uma calculadora comum.

Material na Internet para o aluno

Entre no site da Bookman Editora (w.bookman.com.br) procure por este livro e acesse os materiais adicionais (disponíveis em inglês).

Agradecimentos ix

Área do professorNa exclusiva Área do Professor em w.bookman.com.br, os professores podem acessar materiais como Manual de Solução , Banco de Imagens e outros recur- sos adicionais referentes aos capítulos (disponíveis em inglês).

AgradecimentosForam tantas as pessoas que me ajudaram, que se torna impossível lembrar ou listar todas elas. Sheldon Green da Universidade de British Columbia, Gordon Hollo- way da Universidade de New Brunswick, Saeed Moaveni da Minnesota State University Mankato, e Tapan K. Sengupta do Indian Institute of Technology em Kanpur deram muitas sugestões úteis. Samuel S. Sih do Walla Walla College e John Borg da Marquette University foram especialmente prestativos com o manual de soluções. Muitos outros revisores e correspondentes forneceram boas sugestões, correções e materiais: Larry Belfiore da Colorado State University; Paulo Vatavuk da Universidade Unicamp, Brasil; Bertrand Côté da Université de Sherbrooke, Canadá; Elizabeth J. Kenyon do EJK Technical Publishing Services; John Ladd do Integrated Defense Systems, St. Louis, MO; Andris Skattebo do Scandpower A/S; Jeffrey S. Allen da Michigan Technological University; Peter R. Spedding da Queen’s University, Belfast, Irlanda do Norte; Cristina L. Archer da Stanford University; Fulvio Bellobuono da Universidade de Nápoles; Debendra K. Das da Universidade do Alaska Fairbanks; Kevin O’Sullivan da Associated Press; Lennart Lüttig e Nina Koliha do REpower Systems AG, Hamburgo, Alemanha; Jesse Shoemaker e Gina Mabbott da Dwyer Instruments; Pirouz Kavehpour da UCLA; Johan Stander da University of Stellenbosch, África do Sul; Sukanta K. Dash do Indian Institute of Technology em Kharagpur; David Chelidze, Richard Lessmann, e Donna Meyer da University of Rhode Island; Craig Swanson da Applied Science Associates, Inc.; Ghanem F. Oweis da American University of Beirut, Líbano; Cliff Moses da Universidade do Texas em San Antonio; Ephraim Sparrow da Universidade de Minnesota; Deborah Pence da Oregon State University; Dale Hart da Louisiana Tech University; Georg Huber da Klagenfurt, Austria; Ken Craig da Universidade de Pretoria, África do Sul; Lino Guzzella do ETH Zurich; Edmund Robertson e John O’Connor da Universidade de St. Andrews; Gary L. Peak da McCauley Corp.; Haecheon Choi da Seoul National University; e Nevan C. Hanumara do M.I.T.

A equipe editorial e de produção da McGraw-Hill prestou uma ajuda enorme.

Muitos agradecimentos a Bill Stenquist, Amanda Green, Melinda Bilecki, Kelley Butcher, Jonathan Plant, Megan Hoar, Carrie Burger, John Leland, Tracy Konrardy, Suzanne Jeans, Brenda Ernzen, Michael Weitz, Christine Walker, Louis Poncz, Brenda Rolwes, Pamela Carley, Jenny Hobein, e Christina Nelson. Por fim, foi muito bem-vindo, como de costume, o apoio e encorajamento contínuo de minha esposa e família. Obrigado também ao nosso cachorro, Sadie, e ao nosso gato, Harry.

Sumário

Prefácio vii

Capítulo 1 Introdução 15

1.14 O Exame de Fundamentos de Engenharia (FE) nos EUA 59

Problemas para exames de fundamentos de engenharia 68

Capítulo 2 Distribuição de pressão em um f luido 75

2.9 Distribuição de pressão no movimento de corpo rígido 107

Resumo 119 Problemas 119 Problemas dissertativos 142

Problemas para exames de fundamentos de engenharia 142

Capítulo 3 Relações integrais para um volume de controle 149

3.1 Leis físicas básicas da mecânica dos fluidos 149 3.2 O teorema de transporte de Reynolds 153 3.3 Conservação da massa 160 3.4 A equação da quantidade de movimento linear 165 3.5 O teorema da quantidade de movimento angular 179 3.6 A equação da energia 184 3.7 Escoamento sem atrito: a equação de Bernoulli 195

Resumo 204 Problemas 205 Problemas dissertativos 232

Problemas para exames em fundamentos de engenharia 233

xii Sumário

Capítulo 4 Relações diferenciais para escoamento de f luidos 237

4.1 O campo de aceleração de um fluido 238 4.2 A equação diferencial da conservação da massa 239

4.3 A equação diferencial da quantidade de movimento linear 246

4.4 A equação diferencial da quantidade de movimento angular 252

4.5 A equação diferencial da energia 254 4.6 Condições de contorno para as equações básicas 256 4.7 A função corrente 261 4.8 Vorticidade e irrotacionalidade 269 4.9 Escoamentos irrotacionais sem atrito 271

4.10 Alguns escoamentos viscosos incompressíveis ilustrativos 276

Resumo 284 Problemas 285 Problemas dissertativos 295

Problemas para exames de fundamentos de engenharia 296

Resumo 339 Problemas 339 Problemas dissertativos 348

Problemas para exames de fundamentos de engenharia 348

6.1 Regimes de número de Reynolds 353 6.2 Escoamentos viscosos internos e externos 358 6.3 Perda de carga – o fator de atrito 361

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