Mec¢nica dos Fluidos Unidade 1- Propriedades Bsicas dos Fluidos

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  • Mecnica dos Fluidos Unidade 1- Propriedades Bsicas dos Fluidos
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  • Quais as diferenas fundamentais entre fluido e slido? Fluido mole e deformvel Slido duro e muito pouco deformvel
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  • Os conceitos anteriores esto corretos! Porm no foram expresso em uma linguagem cientfica e nem to pouco compatvel ao dia a dia da engenharia.
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  • Passando para uma linguagem cientfica: A diferena fundamental entre slido e fluido est relacionada com a estrutura molecular, j que para o slido as molculas sofrem forte fora de atrao, isto mostra o quo prximas se encontram e isto tambm que garante que o slido tem um formato prprio, isto j no ocorre com o fluido que apresenta as molculas com um certo grau de liberdade de movimento, e isto garante que apresentam uma fora de atrao pequena e que no apresentam um formato prprio.
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  • Primeira classificao dos fluidos: Lquidos apesar de no ter um formato prprio, apresentam um volume prprio, isto implica que podem apresentar uma superfcie livre.
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  • Primeira classificao dos fluidos (continuao): Gases e vapores alm de apresentarem foras de atrao desprezvel, no apresentarem nem um formato prprio e nem um volume prprio, isto implica que ocupam todo o volume a eles oferecidos.
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  • Outro fator importante na diferenciao entre slido e fluido: O fluido no resiste a esforos tangenciais por menores que estes sejam, o que implica que se deformam continuamente. F
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  • Outro fator importante na diferenciao entre slido e fluido (continuao): J os slidos, a serem solicitados por esforos, podem resistir, deformar-se e ou at mesmo cisalhar.
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  • Princpio de aderncia observado na experincia das duas placas: As partculas fluidas em contato com uma superfcie slida tm a velocidade da superfcie que encontram em contato. F v v = constante V=0
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  • Gradiente de velocidade: y v v = constante V=0 representa o estudo da variao da velocidade no meio fluido em relao a direo mais rpida desta variao.
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  • Dando continuidade ao nosso estudo, devemos estar aptos a responder: Quem maior 8 ou 80?
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  • Para a resposta anterior... Deve-se pensar em definir a grandeza qualitativamente e quantitativamente. Qualitativamente a grandeza ser definida pela equao dimensional, sendo esta constituda pela base MLT ou FLT, e onde o expoente indica o grau de dependncia entre a grandeza derivada e a grandeza fundamental (MLT ou FLT)
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  • A definio quantitativa depende do sistema de unidade considerado Por exemplo, se considerarmos o Sistema Internacional (SI) para a mecnica dos fluidos, temos como grandezas fundamentais: M massa kg (quilograma) L comprimento m (metro) T tempo s (segundo)
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  • As demais grandezas so denominadas de grandezas derivadas: F fora N (newton) [F] = (M*L)/T 2 V velocidade m/s [v] = L/T dv/dy gradiente de velocidade hz ou 1/s
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  • Um outro sistema bastante utilizado at hoje o MK*S Nele as grandezas fundamentais adotadas para o estudo de mecnica dos fluidos so: F fora kgf (1 kgf = 9,8 N) L comprimento m metro T tempo s (segundo)
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  • M massa utm (1 utm = 9,8 kg) - massa especfica kg/m - Algumas grandezas derivadas no MK*S:
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  • Lei de Newton da viscosidade: Para que possamos entender o valor desta lei, partimos da observao de Newton na experincia das duas placas, onde ele observou que aps um intervalo de tempo elementar (dt) a velocidade da placa superior era constante, isto implica que a resultante na mesma zero, portanto isto significa que o fluido em contato com a placa superior origina uma fora de mesma direo, mesma intensidade, porm sentido contrrio a fora responsvel pelo movimento. Esta fora denominada de fora de resistncia viscosa - F
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  • Determinao da intensidade da fora de resistncia viscosa: Onde a tenso de cisalhamento que ser determinada pela lei de Newton da viscosidade.
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  • Enunciado da lei de Newton da viscosidade: A tenso de cisalhamento diretamente proporcional ao gradiente de velocidade.
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  • Constante de proporcionalidade da lei de Newton da viscosidade: A constante de proporcionalidade da lei de Newton da viscosidade a viscosidade dinmica, ou simplesmente viscosidade -
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  • A variao da viscosidade muito mais sensvel temperatura: Nos lquidos a viscosidade diretamente proporcional fora de atrao entre as molculas, portanto a viscosidade diminui com o aumento da temperatura. Nos gases a viscosidade diretamente proporcional a energia cintica das molculas, portanto a viscosidade aumenta com o aumento da temperatura.
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  • Segunda classificao dos fluidos: Fluidos newtonianos so aqueles que obedecem a lei de Newton da viscosidade; Fluidos no newtonianos so aqueles que no obedecem a lei de Newton da viscosidade. Observao: s estudaremos os fluidos newtonianos
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  • Para o nosso prximo encontro: 1. Desconfiando que a gasolina utilizada no motor de seu carro est adulterada, o que voc faria para confirmar esta desconfiana? (esta deve ser entregue no incio do prximo encontro) 2. Para se calcular o gradiente de velocidade o que se deveria conhecer? (esta representar o incio do prximo encontro)
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  • Verificao da gasolina atravs da sua massa especfica: Pesquisa-se os valores admissveis para a massa especfica da gasolina. Escolhe-se um recipiente de volume (V) conhecido. Atravs de uma balana obtm-se a massa do recipiente vazio (m 1 ) Enche o recipiente com uma amostra de volume (v) da gasolina
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  • Determina-se a massa total (recipiente mais o volume V da amostra da gasolina m 2 ) Atravs da diferena entre m 2 e m 1 se obtm a massa m da amostra de volume V da gasolina, portanto, obtm-se a massa especfica da mesma, j que: Verificao da gasolina atravs da sua massa especfica:
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  • Compara-se o valor da massa especfica obtida com os valores especificados para que a gasolina seja considerada sem adulterao. Atravs da comparao anterior obtm-se a concluso se a gasolina encontra-se, ou no, adulterada.
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  • Para desenvolver este clculo necessrio se conhecer a funo v = f(y) Clculo do gradiente de velocidade v v = constante V=0 y
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  • O escoamento no fluido no tendo deslocamento transversal de massa (escoamento laminar) Considerar v = f(y) sendo representado por uma parbola v v = constante V=0 y
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  • v = a*y 2 + b*y + c Onde: v = varivel dependente; y = varivel independente; a, b e c so as incgnitas que devem ser determinadas pelas condies de contorno
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  • Condies de contorno: Para y =o tem-se v = 0, portanto: c = 0 Para y = tem-se v = v que constante, portanto: v = a* 2 + b* (I) Para y =, tem-se o gradiente de velocidade nulo: 0 = 2*a* + b, portanto: b = - 2*a* Substituindo em (I), tem-se: v = - a* 2, portanto: a = - v/ 2 e b = 2*v/
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  • Comprovao da terceira condio de contorno: Considerando a figura a seguir, pode-se escrever que: Portanto no vrtice se tem tg (90-90) = tg 0 = 0 dv dy 90-
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  • Equao da parbola: E a equao do gradiente de velocidade seria:
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  • Exerccio de aplicao: Sabendo-se que a figura a seguir a representao de uma parbola que apresenta o vrtice para y = 30 cm, pede-se: a)A equao que representa a funo v = f(v) b)A equao que representa a funo do gradiente de velocidade em relao ao y c)A tenso de cisalhamento para y = 0,1; 0,2 e 0,3 m 0,30 m y 4 m/s
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  • Soluo: a) Determinao da funo da velocidade: Para y =o, tem-se v =0, portanto: c = 0 Para y = 0,3 m, tem-se v = 4m/s, portanto: 4 = 0,09a + 0,3b (I) Para y = 0,3 m, tem-se o gradiente de velocidade nulo, ou seja: 0 = 0,6a + b, portanto: b = -0,6a, que sendo considerada em (I) resulta: 4 = 0,09a 0,18a. Portanto: a =-4/0,09 e b = 8/0,3
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  • Soluo (cont): b) Para a determinao do gradiente de velocidade simplesmente deriva-se a funo da v = f(y)
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  • c) Para o clculo da tenso de cisalhamento evoca-se a lei de Newton da viscosidade, ou seja:
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  • Simplificao prtica da lei de Newton da viscosidade Esta simplificao ocorre quando consideramos a espessura do fluido entre as placas (experincia das duas placas) o suficientemente pequena para que a funo representada por uma parbola seja substituda por uma funo linear
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  • V = a*y + b y v = cte v = 0
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  • Simplificao prtica da lei de Newton da viscosidade:
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  • Determinao da viscosidade: 1. Conhecendo-se o fluido e a sua temperatura. Neste caso se conhece o x e o y e atravs do diagrama a seguir obtm-se a viscosidade em centipoise (cP) 1cP = 10 -2 P = 10 -2 (dina*s)/cm = 10 -3 (N*s)/m = 10 -3 Pa*s
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  • Para gases: a viscosidade aumenta com a temperatura T (C) (cP) y x
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  • Para