Disciplina: Mecânica dos Fluidos Escola de Engenharia de Lorena EEL – USP 1) CONCEITOS E PROPRIEDADES FUNDAMENTAIS DOS FLUIDOS; 2) ESTÁTICA DOS FLUIDOS; 3) CONCEITOS LIGADOS AO ESCOAMENTO DOS FLUIDOS; 4) ESCOAMENTO INCOMPRESSÍVEL DE FLUIDOS NÃO VISCOSOS; 5) ESCOAMENTO VISCOSO INCOMPRESSÍVEL. Profa. Dra. Daniela Helena Pelegrine Guimarães (email: [email protected]) 2. ESTÁTICA DOS FLUIDOS: EQUAÇÃO FUNDAMENTAL; UNIDADES E ESCALAS PARA MEDIDAS DE PRESSÃO; MANÔMETROS; EMPUXO. I. EQUAÇÃO FUNDAMENTAL: RELEMBRANDO: - FLUIDO: SUBSTÂNCIA QUE ESCOARÁ CONTINUAMENTE SEMPRE QUE UMA TENSÃO DE CISALHAMENTO FOR APLICADA SOBRE ELA. FLUIDO EM REPOUSO =0 CONCLUSÃO: PARA UM FLUIDO ESTÁTICO, SOMENTE A TENSÃO NORMAL ESTARÁ PRESENTE. PRESSÃO IMPORTÂNCIA EM ESTUDAR ESTÁTICA DOS FLUIDOS: - CÁLCULOS DE FORÇAS SOBRE OBJETOS SUBMERSOS; - DESENVOLVER INSTRUMENTOS PARA MEDIR PRESSÃO; - DEDUÇÃO DE PROPRIEDADES DA ATMOSFERA E DOS OCEANOS; - DETERMINAÇÃO DE FORÇAS DESENVOLVIDAS POR SISTEMAS HIDRÁULICOS (PRENSAS INDUSTRIAIS, FREIOS DE AUTOMÓVEIS). FLUIDO HOMOGÊNEO E ESTÁTICO: UMA PARTÍCULA FLUIDA RETÉM SUA IDENTIDADE POR TODO O TEMPO E OS ELEMENTOS FLUIDOS NÃO DEFORMAM: APLICAMOS A SEGUNDA LEI DO MOVIMENTO DE NEWTON. P6 Z P3 (atrás) P2 P1 P4 (frente) P5 Y X - GRAVIDADE* - CORPO (OU CAMPO) - CAMPOS ELÉTRICOS - CAMPOS MAGNÉTICOS FORÇAS: - NORMAIS PRESSÃO - SUPERFÍCIE = 0 para fluido ESTÁTICO - TANGENCIAIS CISALHAMENTO A) FORÇA DE CAMPO: d FB g dm MAS: d FB g dV dm dV z (x+dx, y+dy, z+dz) dz (x,y,z) dx dy Y X d FB g dx dy dz B) FORÇA DE SUPERFÍCIE: PRESSÃO: p px, y, z z dz O dx dy Y X - EM O: PRESSÃO=p - NA FACE ESQUERDA: pL p dp yL y p dp dy p dp dy dy dy 2 dy 2 dp dp dy p p y y p R - NA FACE DIREITA: R dy dy 2 z ^ p dy p dx dz j y 2 dz O ^ p dy p dx dz j y 2 dx dy Y X p dx p dx ^ ^ d FS p dy dz i p dy dz i x 2 x 2 ^ ^ p dy p dy p dx dz j p dx dz j y 2 y 2 p dz p dz ^ ^ p dx dy k p dx dy k z 2 z 2 p ^ p ^ p ^ d FS i j k dxdydz p dxdydz y z x - COMO A FORÇA RESULTANTE LEVA EM CONSIDERAÇÃO AS FORÇAS DE CAMPO E DE SUPERFÍCIE: d F d FS d FB p g dxdydz dV - OU, POR UNIDADE DE VOLUME: dF dV p g - APLICANDO A SEGUNDA LEI DE NEWTON: p g 0 PARA CADA COMPONENTE: p gx 0 x p gy 0 y p gz 0 z z p 0 x Y g x g y 0; g z g p g z X - PARA UM FLUIDO INCOMPRESSÍVEL: II) UNIDADES PRESSÃO: p 0 y E p p0 g h ESCALAS PARA dp g dz TEOREMA DE STEVIN MEDIDAS 760 mm Hg = 1 atm = 1,013 X 105 Pa = 1,0332 Kgf/cm2 =24 psi DE Pressão é a mesma em todas as direções; Fluido em repouso: mesma pressão em todos os pontos situados a uma mesma altura, não importa o formato do recipiente; PB PA Se a pressão for nula na superfície livre, então, a uma dada profundidade: h p h Nos gases, caso a diferença de cota entre dois pontos não seja muito grande: B A pA pB pC C LEI DE PASCAL: A pressão aplicada num ponto de fluido em repouso transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido: F1 F1 F2 P A1 A2 EXEMPLO: A figura mostra esquematicamente uma prensa hidráulica. Os dois êmbolos têm, respectivamente, A1=10 cm2 e A2=100 cm2. Se for aplicada uma força de 200N no êmbolo (1), qual será a força transmitida em (2)? (2) F2 F1 (1) p1 p2 Pressão Absoluta ou Pressão Total: Pabs Patm Pman . Pressão Atmosférica: depende da altitude do local: Santos: Patm = 760 mm Hg = 1 atm = 1,013 X 105 Pa São Paulo: Patm =706 mmHg=0,93 atm= 9,42 X 104 Pa Pressão Manométrica: N 2 Pa m Pman . g h III) MANÔMETROS: Manômetro em U: P1 ÁGUA P2 h2 h1 A B hf pa 1h1 2h2 3h3 4h4 5h5 6h6 pb Tubo de Bourdon: - Princípio de Funcionamento: curvatura originada em um tubo de secção elíptica, pela pressão exercida em seu interior. SECÇÃO ELÍPTICA SECÇÃO CIRCULAR DESENROLAR DO TUBO EXERCÍCIOS: 1) Qual é a altura da coluna de mercúrio (Hg=13.600Kg/m3) que irá produzir na base a mesma pressão de uma coluna de água de 5 m de altura? (H2O=1.000 Kg/m3). 2) No manômetro da figura, o fluido A é água e o B, mercúrio. Qual é a pressão p1? Dados: Hg=13600Kg/m3;H2O=1000Kg/m3. 3) No manômetro diferencial da figura, o fluido A é água, B é óleo e o fluido manométrico é mercúrio. Sendo h1=25 cm, h2=100 cm, h3=80cm e h4=10 cm, qual é a diferença de pressão pa-pb? Dados: H2O=1000Kg/m3; Hg=13600Kg/m3; óleo=800 Kg/m3 . 4) No sistema da figura, desprezando-se o desnível entre os cilindros, determinar o peso G, que pode ser suportado pelo pistão V. Desprezar os atritos. Dados: p1=500kPa; AI=10 cm2; AHI=2 cm2; AII=2,5 cm2; AIII=5 cm2; AIV=20 cm2;AV=10 cm2; h=2,0m; Hg=13600Kg/m3. 5) Calcular a leitura no manômetro A da figura. Hg=13600Kg/m3. 6) Calcular a pressão registrada no manômetro representado pela figura a seguir. Qual a força que age sobre o topo do reservatório? IV) EMPUXO: PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES: em um corpo, total ou parcialmente imerso em um fluido, age uma força vertical de baixo para cima, denominada EMPUXO , cuja intensidade é igual ao peso do volume de fluido deslocado. U V Fy´ E = .V D A Fy C B E = .V - Corpo flutuará se: E G - Corpo afundará se: E G G G APARENTE G corpo E EXERCÍCIOS: 1) Um cilindro de ferro fundido, de 30 cm de diâmetro e 30 cm de altura é imerso na água do mar (=10300 N/m3). Qual é o empuxo que a água exerce no cilindro? Qual seria o empuxo se o cilindro fosse de madeira (=7500N/m3)? Neste caso, qual seria a altura submersa do cilindro? hsub 2) Um corpo pesa 800 N no ar e, quando submerso em água (H2O=10000N/m3), tem um peso aparente de 500 N. Determinar o volume do corpo e seu peso específico. 3) Caixas de livros, cada qual com 20 kg, são colocadas sobre uma balsa quadrada de 3 metros de lado e 11 cm de espessura, que flutua em águas calmas. A madeira da balsa tem densidade relativa de 0,6. Quantas caixas podem ser colocadas sobre a balsa sem haver perigo de os livros molharem?