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Fundamentos da Lubrificação e Lubrificantes – Aula 4PROF. DENILSON J. VIANA
Introdução à LubrificaçãoLubrificação
É o fenômeno de redução do atrito entre duas superfícies em movimento relativo por meio da introdução de uma substancia entre as mesmas.
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Essa substancia pode ser:
Sólida◦Lubrificação sólida. Ex.: A grafita é o lubrificante mais recomendado para fechaduras.
Fluida◦Lubrificação fluida. É a mais usual, sendo utilizado um óleo mineral de petróleo como base ou sintéticos.
◦Embora pouco empregado na prática, diversos outros fluidos podem ser utilizados, inclusive ar e água.
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A função básica da lubrificação é possibilitar que o movimento se faça com o mínimo de:◦Aquecimento
◦Ruído
◦Desgaste
Isto é feito substituindo-se a atrito direto entre as duas superfícies pelo atrito fluido.
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A espessura do fluido entre as superfícies em movimento deve ser superior a soma das alturas das rugosidades.
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Conceitos fundamentais sobre Fluidos
Definição Básica de Fluidos◦É uma substância que não tem forma própria, assumindo o formato de seu recipiente.
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Principio da Adesão◦Os pontos de um fluido em contato com uma superfície sólida
aderem aos pontos desta. ◦Por consequência, adquirem seu estado de movimento.
Experimento das duas placas
Sólido preso entre duas
placas planas
Deforma-se angularmente
Fluido entre duas placas
planas
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Viscosidade
Historicamente os primeiros estudos científicos sobre atrito e lubrificação foram realizados por Leonardo D'Vinci no século XVI.
No século seguinte (1687) Isaac Newton introduz o conceito de viscosidade (1687).
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Outras conclusões sobre experimento das placas◦Tensão de cisalhamento
𝐹𝑡
𝐹𝑛 𝐹
A
𝜏 =𝐹𝑡𝐴
Onde:𝜏 = Tensão de CisalhamentoFt = Força tangencialA = Área
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◦A placa superior é acelerada pela força Ft
◦Após um determinado instante a velocidade v0 passa a ser constante.
◦Pela Lei de Newton: F = m . a
◦Para v = cte, a = 0, ou seja, 𝐹=0 (Equilíbrio Dinâmico)
◦De onde vem a força que anula a força Ft?
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◦𝜏 × 𝐴 = 𝐹𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 Anula Ft
◦Equilíbrio Dinâmico: Velocidade constante
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Newton descobriu que em muitos fluidos a tensão de cisalhamento é proporcional (𝛼) ao gradiente de velocidade
Lei de Newton da Viscosidade
Fluidos Newtonianos
◦Obedecem a essa lei
◦São a grande maioria de fluidos. Ex.: ar, agua, óleos, etc
Fluidos não newtonianos
◦São de pequeno interesse geral
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Exemplo de Fluido Não Newtoniano
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Viscosidade Absoluta ou Dinâmica
A Lei de Newton da viscosidade impõe uma proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento e o gradiente da velocidade.
Tal fato leva a introdução de um coeficiente de proporcionalidade
𝜇 = viscosidade dinâmica ou absoluta
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◦A grandeza 𝜇 é uma propriedade de cada fluido e de suas condições (pressão e temperatura).
◦A viscosidade dos fluidos é originada pela coesão entre as moléculas e pelo choque entre elas
◦A viscosidade não é uma propriedade que se pode observar em um fluido em repouso
Podemos concluir que:Viscosidade é a propriedade que indica a maior ou a menor dificuldade de um fluido escoar.
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A viscosidade dinâmica ◦Possui um valor diferente para cada fluido
◦Varia para um mesmo fluido, principalmente em relação a temperatura
◦Nos líquidos, diminui com a temperatura
◦Nos gases, aumenta com a temperatura
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Simplificação Prática da Lei da Viscosidade de Newton
Quando a distancia E é pequena, podemos considerar sem muito erro que a variação de v com y é linear.
Simplificando temos:
Lei de Newton
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Unidades de viscosidade dinâmica
No SI
1 Pa.s = 1 N.s/m² = 1 kg/(m.s)
No CGS
1 P (poise) = 100 cP (centipoise) = 1 g/(cms) = 0,1 Pa.s
1 cP = 1mPa.s
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Massa Específica (𝝆)
É a massa de fluido por unidade de volume.
Unidades
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Peso Específico (𝛄)
É a peso de fluido por unidade de volume.
Unidades
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Viscosidade Cinemática (𝛎)
É o quociente entre a viscosidade dinâmica e a massa especifica.
Unidades
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Exemplo
Um pistão de peso G = 4 N cai dentro de uma camisa com uma velocidade constante de 2m/s. O diâmetro do cilindro é 10,1 cm e o do pistão é 10,0cm. Determinar a viscosidade do lubrificante colocado na folga entre o pistão e o cilindro.
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Solução
Se 𝑣= 𝑐𝑡𝑒 𝐿𝑜𝑔𝑜:
𝑎= 0 Equilíbrio Dinâmico
𝐹= 𝑚.
𝑎= 0
Vimos que 𝜏 = 𝜇𝑣0
𝜀, logo:
𝜇 =𝜏 .𝜀
𝑣0
𝜏 =𝐹𝜇
𝐴e 𝐹𝜇 = 𝐺 temos:
𝜏 =𝐺
𝜋.𝐷.𝐿=
4
𝜋.0,1.0,05=254,65 N/m²
𝜀 =𝐷𝑒−𝐷𝑖
2=10,1−10,0
2= 0,05 𝑐𝑚 = 0,0005 𝑚
𝜇 =𝜏 .𝜀
𝑣0=254,65 .0,0005
2= 6,37. 10−2𝑁𝑠/𝑚²
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Exercício 1
São dadas duas placas paralelas à distancia de 2 mm. A placa superior move-se com velocidade de 4m/s, enquanto a inferior é fixa. Se o espaço entre as duas placas for preenchido com óleo (𝜇=8,3.10-3Pa.s) qual será a tensão de cisalhamento que agirá no óleo?
Resp. 𝜏 = 16,6 N/m²
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Exercício 2
Uma placa quadrada de 1 m de lado e 20N de peso desliza sobre um plano inclinado de 30° sobre uma película de óleo. A velocidade da placa é 2 m/s constante. Qual é a viscosidade dinâmica do óleo, se a espessura de película é de2mm?]
Resp: 𝜇=10-2N.s/m²
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Exercício 3
O pistão da figura tem uma massa de 0,5 kg. O cilindro de comprimento ilimitado é puxado para cima com velocidade constante. O diâmetro do cilindro é 10 cm e do pistão é 9 cm e entre os dois existe um óleo de 𝜈 = 10-4 m²/s e 𝛾=8 000 N/m³. Com que velocidade deve subir o cilindro para que o pistão permaneça em repouso? (Supor diagrama linear e g = 10m/s²)
Resp.: v=22,1 m/s