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MECANICA DOS FLUIDOS
A mecânica dos fluidos é o ramo da mecânica que estuda o comportamento físico dos fluidos e suas propriedades. Os aspectos teóricos e práticos da mecânica dos fluidos são de fundamental importância para a solução de diversos problemas encontrados habitualmente na engenharia, sendo suas principais aplicações destinadas ao estudo de escoamentos de líquidos e gases, máquinas hidráulicas, aplicações de pneumática e hidráulica industrial, sistemas de ventilação e ar condicionado além de diversas aplicações na área de aerodinâmica voltada para a indústria aeroespacial. O estudo da mecânica dos fluidos é dividido basicamente em dois ramos, a estática dos fluidos e a dinâmica dos fluidos. A estática dos fluidos trata das propriedades e leis físicas que regem o comportamento dos fluidos livre da ação de forças externas, ou seja, nesta situação o fluido se encontra em repouso ou então com deslocamento em velocidade constante, já a dinâmica dos fluidos é responsável pelo estudo e comportamento dos fluidos em regime de movimento acelerado no qual se faz presente a ação de forças externas responsáveis pelo transporte de massa. Dessa forma, pode-se perceber que o estudo da mecânica dos fluidos está relacionado a muitos processos industriais presentes na engenharia e sua compreensão representa um dos pontos fundamentais para a solução de problemas geralmente encontrados nos processos industriais.
Um fluido é caracterizado como uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento, não importando o quão pequena possa ser essa tensão. Os fluidos compreendem as fases liquidas e gasosas (ou de vapor) das formas físicas nas quais a matéria existe. A principal característica dos fluidos está relacionada à propriedade de não resistir à deformação e apresentam a capacidade de fluir, ou seja, possuem a habilidade de tomar a forma de seus recipientes. Esta propriedade é proveniente da sua incapacidade de suportar uma tensão de cisalhamento em equilíbrio estático. Os fluidos podem ser classificados como: Fluido Newtoniano ou Fluido Não Newtoniano. Esta classificação está associada à caracterização da tensão, como linear ou não linear no que diz respeito à dependência desta tensão com relação à deformação e à sua derivada.
Os fluidos também são divididos em líquidos e gases, os líquidos formam uma superfície livre, isto é, quando em repouso apresentam uma superfície estacionária não determinada pelo recipiente que contém o líquido. Os gases apresentam a propriedade de se expandirem livremente quando não confinados (ou contidos) por um recipiente, não formando, portanto uma superfície livre. A superfície livre característica dos líquidos é uma propriedade da presença de tensão interna e atração/repulsão entre as moléculas do fluido, bem como da relação entre as tensões internas do líquido com o fluido ou sólido que o limita. Um fluido que apresenta resistência à redução de volume próprio é denominado fluido incompressível, enquanto o fluido que responde com uma redução de seu volume próprio ao ser submetido à ação de uma força é denominado fluido compressível.
Outro conceito: O conceito de fluidos envolve líquidos e gases, logo, é necessário distinguir
estas duas classes: “Líquidos é aquela substância que adquire a forma do recipiente que a
contém possuindo volume definido e, é praticamente, incompressível. Já o gás é uma substância que ao preencher o recipiente não formar superfície livre e não tem volume
definido, além de serem compressíveis.
Fluido: gás e líquido
- Fluido como meio lubrificante
Para um corpo deslizar sobre outro, deve-se vencer uma força adversa denominada:
força de atrito. O atrito pode ser estático: os corpos permanecem imóveis, ou cinemático ou de
deslizamento, que é devido basicamente a dois fatores:
- rugosidade da superfície;
- tendência das áreas mais planas das superfícies se soldarem, quando submetidas a
condições severas de deslizamento.
Apesar do atrito apresentar uma série de aspectos positivos, já que sem o mesmo seria impossível andar, ou até mesmo frear um automóvel, em muitas outras aplicações ele é
indesejável, pois se gasta uma certa quantidade de energia para vencê-lo, o que implica em
perda, tanto da potencia como do rendimento do sistema. Além disto, sabemos que o atrito pode acarretar em aumento da temperatura das partes que se encontram em contato,
podendo até mesmo originar uma fusão das mesmas.
♦ O que aconteceria com o motor de um veículo, se o mesmo operar sem o óleo lubrificante? Certamente fundiria...
Uma das tarefas do engenheiro consiste em controlar o atrito, aumentá-lo onde o
mesmo é necessário e reduzi-lo onde for inconveniente. Desejando reduzi-lo, recorremos a lubrificação, que consiste em introduzir uma película
fluida com a finalidade de transformar o atrito sólido x solido em sólido x fluido.
Todos os fluidos, de um certo modo, são lubrificantes, sendo que alguns apresentam melhor desempenho do que outros. A escolha adequada de um fluido lubrificante é
responsável por uma boa eficiência ou não do funcionamento do sistema.
- Calculo da força resistiva viscosa (Fμ)
A figura a seguir mostra duas superfícies deslizantes que estão separadas por um fluido
lubrificante, que geralmente apresenta um fluxo laminar, ou seja, a película é composta de camadas extremamente finas ou laminas, cada uma movendo-se na mesma direção, porém
com velocidades diferentes. Com as lâminas se movendo com velocidades diferentes, cada lâmina deverá deslizar
sobre a outra, o que comprova a existência de uma força entre elas.
A resistência a esta força, considerada por unidade de área é denominada de tensão de cisalhamento (τ).
Considerando a tensão de cisalhamento constante ao longo da película lubrificante,
pode-se determinar a intensidade da força de resistência viscosa pela equação 1:
Fμ = τ. A Eq. 1
- Fluidos incompressíveis → são aqueles que para qualquer variação de pressão não ocorre variação de seu volume (ρ = constante);
- Fluidos compressíveis → são aqueles que para qualquer variação de pressão ocorre variações sensíveis de seu volume (ρ ≠ constante).
Esta classificação é muito limitada, já́ que todos os fluidos são compressíveis, por este motivo, consideramos:
- escoamentos incompressíveis → que são aqueles provocados por uma variação de pressão que origina, tanto uma variação de temperatura como de volume desprezíveis (ρ = constante);
- escoamentos compressíveis → que são aqueles provocados por uma variação de pressão que origina, tanto uma variação de temperatura como de volume sensíveis (ρ não constante).
b. Peso específico ():É a relação entre o peso de um fluido e volume ocupado, seu valor pode ser obtido pela aplicação da equação 2. 2 Como o peso é definido pelo princípio fundamental da dinâmica (2ª Lei de Newton) a equação pode ser reescrita do seguinte modo: 3 A partir da análise das equações é possível verificar que existe uma relação entre a massa específica de um fluido e o seu peso específico, e assim, pode-se escrever que: 3 Onde: = peso específico do fluido (N/m 3 ) G = peso do fluido (N) g = aceleração da gravidade (m/s 2 )
c. Peso específico relativo (): Representa a relação entre o peso específico do fluido em estudo e o peso específico da água. Em condições de atmosfera padrão o peso específico da água é 10000N/m 3 , e como o peso específico relativo é a relação entre dois pesos específicos, o mesmo é um número adimensional, ou seja não contempla unidades.
d. Viscosidade cinemática (ν): é o quociente entre a viscosidade dinâmica e a massa especifica. Sua unidade é m 2 /s ou centistoke : 1cSt = 0,01 St
Onde: μ = viscosidade dinâmica (N.s/m 2 ) ρ = massa específica (kg/m 3 )
- Tabela de Propriedade dos Fluidos
