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CURSO: ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDRÁULICA GERAL PROFESSOR(ES): ALEXANDRE MARCOS FREIRE DA COSTA E SILVA PERÍODO LETIVO: 2011 - JANEIRO A JUNHO TURMA(S): ECI 5 NA; ECI 5 NB; ECI 5 NC PERÍODO DE AULA: 07/02/2011 A 30/06/2011

Aula 01

- Noções Introdutórias e Princípios Fundamentais –

1. Hidráulica – Conceito e Origem.

Hidráulica ⇒ palavra que vem do grego e é a união de hydra = água, e aulos = condução/tubo é, portanto, uma parte da física que se dedica a estudar o comportamento dos líquidos em movimento e em repouso. É responsável pelo conhecimento das leis que regem o transporte, a conversão de energia, a regulagem e o controle do fluido agindo sobre suas variáveis (pressão, vazão, temperatura, viscosidade, etc).

2. A Água no planeta.

Água ⇒ substância natural única, sem ela a vida no nosso planeta seria impossível. No mundo há bastante água, mas ela não está distribuída com igualdade, alguns lugares possuem em abundância e em outros lugares ela falta.

A superfície da Terra é constituída de três quartos de água, cerca de 70%, a maior parte está concentrada nos oceanos e mares, cerca de 97,5%, o restante 2,5% está concentrado em icebergs e geleiras, sendo que só 0,007% vai para os rios, lagos e reservatórios da superfície do planeta.

Na natureza, encontramos diversos tipos de água, dependendo dos elementos que ela contém. Algumas são ideais para o consumo, enquanto que outras são prejudiciais á saúde. São elas:

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a) Água potável: é o tipo ideal para o consumo, é fresca e sem impurezas; b) Água poluída: é a água suja ou contaminada, isto é, contém impurezas,

micróbios, vírus, etc; c) Água doce: é a água dos rios, lagos e das fontes; d) Água salgada: é a que contém muitos sais dissolvidos, como por

exemplo, a água do mar; e) Água destilada: é constituída unicamente de hidrogênio e oxigênio, não

há impurezas e nenhum tipo de sal dissolvido; f) Águas minerais: são denominadas assim porque contêm uma grande

quantidade de sais minerais dissolvidos, assim ela possui cheiro e sabor diferente da água que consumimos.

3. Ciclo natural da água.

Pode admitir-se que a quantidade total de água existente na Terra, nas suas três fases, sólida, líquida e gasosa, se tem mantido constante, desde o aparecimento do Homem. A água da Terra, que constitui a hidrosfera, se distribui por três reservatórios principais, os oceanos, os continentes e a atmosfera, entre os quais existe uma circulação perpétua denominada ciclo da água ou ciclo hidrológico. O movimento da água no ciclo hidrológico é mantido pela energia radiante de origem solar e pela atração gravítica.

A energia solar esquenta a água dos oceanos, mares e massas terrestres, transferindo-as à atmosfera como vapor de água. Na atmosfera, o vapor forma as nuvens, essas são transportadas por patrões do clima, que recebe influência da topografia do terreno. Às vezes o vapor se condensa em forma de neblina ou nuvens e eventualmente desce à Terra como precipitação, acumulando-se em águas superficiais e sob o terreno. Ato contínuo, o processo de reciclagem, com o regresso da água para a atmosfera continua. Os principais processos desse ciclo são: evaporação, transpiração, precipitação, infiltração, respiração e a combustão.

Para seguir o movimento da água através deste ciclo, a energia do sol evapora a água do mar até a atmosfera. Enquanto o vapor ascende dos oceanos e do terreno, deixa atrás de si minerais, tais como sais, que podem converter em inóspita a terra. Mas nos oceanos, este é só uma parte de um processo natural, que não causa efeito na vida marinha.

O vapor de água invisível se une então a procissão de moléculas de água numa viajem que o levará de regresso ao solo ou à água, em forma de precipitação. A precipitação pode tomar uma das várias formas possíveis, mas sempre começará como água congelada.

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As moléculas de água se juntam e se lançam até a superfície da Terra. Assim, a água termina como gota de chuva, cristal de neve ou granizo, o que depende da estação do ano, da localização e do clima.

4. Evolução histórica do uso da água (hidráulica).

Egito Antigo (3500 a.C): Abundância das águas do rio Nilo ⇒ uso na irrigação e consumo humano através de barragens e canais.

Mesopotâmia: Povos antigos (Sumérios, Assírios, Persas, Caldeus, Babilônicos) localizados na região de planícies do Oriente Médio, utilizavam as águas dos rios Tigres e Eufrates ⇒ regiões alagadiças (agricultura e consumo humano). Primeiro sistema público de abastecimento de água (o Aqueduto de Jerwan, na Assíria – 691 a.C.).

Incas, Astecas e Maias (América): Construíram numerosos sistemas de canalização de águas para irrigação, principalmente nas terras áridas da costa do Peru.

Império Romano: Maior civilização antiga que atuou no saneamento e com obras hidráulicas. Guiados pelo bom senso, os romanos deram grande importância aos cuidados sanitários e de higiene.

a) No século IV a.C., Roma contava com 856 banhos públicos, 14 termas (750 milhões de litros/dia) distribuídos por uma rede com mais de 400Km de extensão.

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b) Os esgotos eram levados em condutos subterrâneos até um local, a cloaca máxima, onde eram lançados no rio Tibre.

c) Criaram os primeiros dispositivos de medição de consumo de água.

d) Realizavam práticas de reúso, ao utilizarem água dos banhos públicos nas descargas das latrinas.

e) Para proporcionar água destinada ao consumo e à limpeza, a cidade de Roma era provida de 14 grandes aquedutos que traziam água de fontes distantes através de condutos subterrâneos ou suspensos.

f) Existe um aqueduto em Nîmes, na França, que é utilizado até hoje, dois mil anos depois de sua construção pelos romanos.

g) No ano 70 a.C., Sextus Julius Frontinus foi nomeado Superintendente de Águas de Roma.

Condutos subterrâneos de esgotos Banheiros públicos

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Obra hidráulica - Aqueduto

Em 250 a.C., Arquimedes enunciou alguns princípios de Hidrostática no seu “Tratado sobre Corpos Flutuantes”.

A bomba de pistão foi idealizada pelo físico grego Ctesibius e, no ano 200 a. C., foi construída pelo seu discípulo Hero.

Na Idade Média, as condições sociais e econômicas determinaram a tendência para substituir o trabalho manual por máquinas acionadas pela água.

Nos séculos X e XI expandiu-se a utilização da roda hidráulica e no século XIII, sua utilização foi intensificada para o esmagamento de frutos e sementes, na prensa de fibras, tecidos, minérios e peças metálicas e, como para o acionamento de foles de fornalhas.

No século XVI, os filósofos voltaram suas atenções para os problemas encontrados nos projetos de chafarizes e fontes monumentais, como o próprio Leonardo da Vinci.

Nos séculos seguintes, GALILEU e seus discípulos, principalmente TORRICELI (Itália), STEVIN (Holanda), PASCAL e o PADRE MARIOTTE (França) ⇒ avançaram nas pesquisas e determinaram as primeiras leis dos movimentos dos líquidos.

Mas tarde outros físicos também contribuíram com os estudos e os avanços da Mecânica dos Fluidos e da hidráulica, como os aparelhos para medir

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velocidade dos fluidos – PITOT e VENTURE, as contribuições oferecidas por POISEUILLE e BERNOULLI, além das investigações de REYNOLDS, os trabalhos de PRANDTL e as experiências de FROUDE.

Na primeira metade do século XX, as turbinas hidráulicas e as bombas rotativas difundiram-se, ao que esteve associado no desenvolvimento das tecnologias elétricas. A produção de energia hidrelétrica sofreu grande expansão, tendo contribuído para o desenvolvimento industrial de muitos países. No Brasil, a energia elétrica fornecida pelas usinas hidrelétricas é atualmente a principal fonte de atendimento à população.

Usina Hidrelétrica - turbinas hidráulicas e bombas rotativas

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5. Hidráulica – Subdivisões e Seguimentos de Aplicabilidade.

A Hidráulica pode ser dividida em:

a) Geral ou Teórica:

- Hidrostática ⇒ (Fluidos em repouso ou em equilíbrio),

- Hidrocinemática ⇒ (Fluidos em movimento – velocidade e trajetórias),

- Hidrodinâmica ⇒ (Fluidos em movimento – velocidades, acelerações e forças atuantes).

b) Hidráulica Aplicada ou Hidrotécnica:

- Hidráulica Urbana:

Sistema de Abastecimento de Água,

Sistema de Esgotamento Sanitário,

Sistemas de Drenagem Pluvial,

Canais.

- Hidráulica Rural ou Agrícola,

Sistema de Drenagem,

Sistema de Irrigação,

- Hidráulica Fluvial e Marítima,

Rios,

Canais,

Portos,

Obras Marítimas.

- Instalações Prediais:

Hidrossatário,

Águas Pluviais,

Prevenção e Combate à Incêndio.

- Técnica Hidrelétrica: Usinas hidrelétricas.

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6. Obras Hidráulicas Atuais.

Barragens e Hidrelétricas.

Sistema de Abastecimento de Água – Estação Elevatória e Adutora.

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Drenagem Urbana – Galeria de Águas Pluviais

Sistema de Esgotamento Sanitário – Estação de Tratamento de Esgotos (ETE)

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7. Conceitos e Grandezas da Física e da Mecânica dos Fluidos Aplicadas à Hidráulica.

7.1 - Massa – Força – Peso.

- Massa: A massa de um objeto é a medida da quantidade de matéria que constitui um corpo ⇒ g e Kg (SI).

- Peso: O peso de um objeto resulta da força gravítica que atua sobre a massa deste corpo ⇒ Kgf e N (SI).

- Força: consiste num agente físico capaz de produzir aceleração, alterando o estado de inércia de um objeto (2ª Lei de Newton) ⇒ Kgf e N (SI).

7.2 - Unidades de Medida.

- O Newton : 1 N = Kg . m/s2

- A Dina: 1 DIN = g . cm/s2.

- O Quilograma-força: 1 Kgf = kg . 9,8 m/s2.

- O Grama-força: 1 gf = g . 980 cm/s2.

7.3 - Pressão.

- Pressão: Força aplicada (atuante) sobre uma superfície por unidade de área.

Unidade: N/m2, DIN/cm2, Kgf/cm2 e Lbf/pol2.

* Pascal: 1 Pa = 1 N/m2,

* Baria: 1B = 1 DIN/cm2,

* PSI: 1 psi = Lbf/pol2.

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7.4 - Conversões de unidades.

- 1 Kgf = 9,8 N.

- 1 N = 105 DIN.

- 1 gf = 10-3 Kgf.

- 1 gf = 980 DIN.

- 1 Lbf = 0,454 Kgf.

- 1 Pa = 1,0197 . 10-5 Kgf/cm2.

- 1 mPa (mega pascal) = 106 Pa = 106 N/m2.

- 1mPa = 10Kgf/cm2 = 100 mca.

- 1Kgf/cm2 = 10 mca.