Resumo da teoria ministrada em classe 2011.1

Resumo da teoria ministrada em classe 2011.1

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RESUMO DA TEORIA

MINISTRADA EM CLASSE

2010.2

Caro Aluno

Compartilhando com o que será mencionado a seguir, por Brunetti, ao longo desses anos em classe verifiquei um maior aproveitamento dos meus alunos quando mostrava as aplicações mais simples, mais mensuráveis, exemplos em que os mesmos conseguissem visualizar os fenômenos e começassem a perceber como esta disciplina faz parte do nosso dia a dia, em todas as áreas em que tenhamos presente “um fluido”. É uma disciplina apaixonante quando a ela nos dedicamos e buscamos enxergar através não só de uma aula de uma apostila ou mesmo de um livro, mas quando a enxergamos como engenheiros que somos.

Logo, a idéia desta apostila é auxiliar seus estudos ligados a Fenômenos de Transporte, o que implica dizer que ela não substituirá nem a bibliografia recomendada e nem tão pouco as aulas de seu curso.

A proposta é que você assuma o volante de sua aprendizagem, ou seja, você se ensine, já que meu papel será simplesmente de apoio para que isto aconteça.

Bom aprendizado.

Solange Maria Ribeiro de Assis

PREFÁCIO

Vivemos cercados de fluídos.

A Água que sai pela torneira; o ar que respiramos, que também sustenta o avião e, ao mesmo tempo, cria uma resistência ao seu movimento; o óleo que lubrifica os mecanismos; o bocal da mangueira de jardim, que provoca uma alta velocidade do jato de água na saída, são, entre outros, fenômenos que observamos ou dos quais participamos diariamente.

Ao observar o comportamento dos fluidos, verifica-se que é repetitivo o que permite concluir que deve ser comandado por leis físicas.

Cabe ao cientista pesquisador estudar os fenômenos, compreendê-los, descobrir as variáveis envolvidas e arranja-las em modelos matemáticos cada vez mais precisos e completos.

É vocação do engenheiro se valer do conhecimento das leis que regem o comportamento dos fluidos para tirar proveito deles e fazer acontecer o que se deseja para o progresso e o conforto da humanidade.

Devido ao grande número de variáveis que influem em cada fenômeno, os modelos matemáticos tornam-se complexos para a compreensão e o seu manuseio. Entretanto, em muitas aplicações da engenharia, algumas dessas variáveis e alguns efeitos são de importância secundaria, permitindo a simplificação das equações para a solução da maioria dos problemas práticos.

Assim, por exemplo, ao considerar o regime permanente, mesmo que seja em media, elimina-se a variável tempo, o que simplifica a solução dos problemas, já que o resultado será o mesmo em qualquer instante.

Ao desprezar o atrito (efeitos tangenciais), a compreensão de alguns fenômenos torna-se qualitativamente mais fácil.

Desprezando-se a variação da massa especifica ou densidade como no caso dos líquidos, o manuseio dos modelos fica muito mais simples.

Assim, partindo de modelos matemáticos complexos, ao impor simplificações validas para obter resultados razoáveis em muitos problemas, pode-se chegar a equações mais amenas e compreensíveis para a aplicação pratica.

A pratica de ensino, ao longo de muitos anos, mostrou-nos que o caminho inverso parece ser o mais proveitoso para o aprendizado.

Com o conhecimento do conteúdo podem-se acompanhar facilmente outras disciplinas profissionalizantes de um curso de engenharia ou resolver inúmeros problemas da vida profissional.

Citado pelo Prof Eng Franco Brunetti no seu livro Mecânica dos Fluídos.

Sumário

1 - INTRODUCÃO

06

1.1 – Definição de um Fluido

09

12 – Equações Básicas

11

1.3 – Métodos de Análise

11

1.4 - Lei do Movimento

12

1.5 – Dimensões e Sistemas de Unidades

12

1.6 – Propriedades dos Fluidos

16

2 - ESTÁTICA DOS FLUIDOS

2.1 - Definição

24

2.2 - Pressão em um ponto

24

2.3 - Equação básica da estática dos fluidos

25

2.4 - Pressões Instrumentais e absolutas

28

2.5 -Manômetros

30

3. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

3.1 - O Fluido como um continuo

37

3.2 - Campo de velocidade

37

3.3 - Campo de tensões

40

3.4 - Tensão em um ponto

41

3.5 - Fluido Newtoniano: Viscosidade

43

3.6 - Descrição e classificação dos escoamentos de fluidos

46

3.7 - Propriedades do Transporte Molecular

50

4. ANÁLISE DIMENSIONAL E SEMELHANÇA DINÂMICA

4.1- Introdução

53

4.1- Teorema de Buckinghan

56

5. DINÂMICA DOS FLUÍDOS

63

5.1 - Principio de conservação de massa - Equação da continuidade

64

5.2 - Equação da quantidade de movimento - Equação de Bernoulli

66

5.3 - Equação de Euler

69

5.4 - Teorema de Torricelli

69

6 - ESCOAMENTO VISCOSO INCOMPRESSIVEL

6.1- Movimento Laminar e Turbulento

71

6.2 - Perda de Carga Normal

72

6.3 - Perda da Carga Localizada

74

7 - PROBLEMAS SIMPLES DE ESCOAMENTO EM TUBOS

77

8 - ASSOCIAÇÕES DE TUBULAÇÕES

79

9 - BIBLIOGRAFIA

82

1 - INTRODUCÃO

Fenômenos de Transporte:

Estuda o transporte de quantidade de movimento (ou momentum), transporte de calor e transporte de massa.

Mecânica:

É a ciência que estuda o equilíbrio e o movimento dos corpos sólidos, líquidos e gasosos, bem como as causas que provocam este movimento.

Mecânica dos Fluidos:

A mecânica dos fluidos é a ciência que estuda o comportamento físico dos fluídos, assim como as leis que regem esse comportamento, tanto com o fluido em repouso como em movimento.

São denominados fluidos os líquidos e gases.

Quando temos um fluido como meio atuante em algum sistema, o conhecimento e desenvolvimento dos princípios básicos da mecânica dos fluidos se fazem necessário.

A mecânica dos fluídos tem dois ramos importantes no estudo das operações básicas:

  • A estática dos fluídos: estuda os fluídos em estado de equilíbrio em ausência de esforços cortantes.

  • A dinâmica dos fluídos: estuda os fluídos em movimento sujeitos a tensões cisalhantes.

Na estática dos fluídos, o PESO ESPECÍFICO é a propriedade mais importante, ao passo que no escoamento de fluídos, a MASSA ESPECÍFICA e a VISCOSIDADE são propriedades predominantes.

Onde ocorre apreciável compressibilidade, princípios da termodinâmica devem ser considerados.

CAMPO DA MECÃNICA DOS FLUIDOS

As bases lançadas pela mecânica dos fluidos são fundamentais para muitos ramos de aplicação da engenharia. Este amplo campo tem chegado a incluir muitas áreas extremamente especializadas como, por exemplo:

  • O estudo do comportamento de um furacão

  • Os esforços em barragens

  • Lubrificação

  • Os corpos flutuantes

  • As maquinas hidráulicas e de grande efeito

  • Pistas inclinadas e verticais para decolagem

  • Ventilação

  • O fluxo de água através de canais e condutos

  • As ondas de pressão produzidas na explosão de uma bomba

  • As características aerodinâmicas de um avião supersônico.

  • As asas de aviões para vôos subsônicos e supersônicos

  • Cascos de barcos, navios e aerobarcos.

  • Projeto para fogos de artifício.

  • Projetos de submarinos e automóveis

Uma das perguntas mais comuns nos cursos de Engenharia é: Por que estudar Mecânica dos Fluidos?

Como se podem observar, pelo exposto, poucos são os ramos da engenharia que escapam totalmente do conhecimento dessa ciência que se torna assim, uma das de maior importância entre as que devem fazer parte dos conhecimentos básicos do engenheiro.

Aplicações:

Transportes:

- Recentemente as industriais de automóvel têm dado maior importância ainda ao projeto aerodinâmico. Esta importância também tem sido verificada no projeto de carros e barcos de corrida.

- Projeto de sistemas de propulsão para vôos espaciais. Exemplo mostrado na figura 1 - um foguetão espacial possui uma grande quantidade de energia química (no combustível) pronta a ser utilizada enquanto espera na rampa. Quando o combustível é queimado, esta energia é transformada em calor, uma forma de energia cinética. Os gases de escape produzidos impelem o foguetão cima.

Figura 1 Figura 2

- Na figura 2 temos o exemplo de uma velha locomotiva a vapor que transforma energia química em energia cinética. A queima de madeira ou carvão na caldeira é uma reação química que produz calor, obtendo vapor que dá energia à locomotiva.

- A Espiral provocada por um avião a decolar, visível pelo impacto do ar, que desliza das suas asas, com um corantegasoso expelido do chão e visto na figura 3.

Figura 3

Figura 3 Figura 4

- A Espiral é provocada por um avião a decolar, visível pelo impacto do ar, que desliza das suas asas, com um corantegasoso expelido do chão é visto na figura 4.

- O desastre da ponte de Tacoma ocorrido há alguns anos atrás evidencia as possíveis conseqüências que ocorrem, quando os princípios básicos da mecânica dos fluidos são negligenciados – figura 4.

Engenharia:

- Estes mesmos princípios são utilizados em modelos para determinação das forças aerodinâmicas devidas às correntes de ar em torno de edifícios e estruturas. Ex : vibração de um edifício durante um terremoto

- O projeto de todo o tipo de maquinas de fluxo incluindo bombas, separadores, compressores e turbinas requer claramente o conhecimento de Mecânica dos Fluidos.

- Lubrificação, sistemas de aquecimento e refrigeração para residências particulares e grandes edifícios comerciais, sistemas de ventilação em túneis e o projeto de sistemas de tubulação para transporte de fluidos requer também o conhecimento da mecânica dos Fluidos.

Medicina:

- 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.

Recreação:

- O posicionamento da vela de um barco para obter maior rendimento com o vento.

- A forma e superfície da bola de golfe para um melhor desempenho são ditadas pelos referidos princípios.

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