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Física IIFluidos:
EstáticaOtoniel da Cunha Mendes
Engenharias
Sample text here
Os slides desta aula foram
adaptados de:
1. Notas de aulas encontrados
na internet
2. Livros
3. Apostilas.
Antes de estudarmos fluidos, devemos lembrar quea matéria, como a conhecemos, se apresenta em trêsdiferentes estados físicos, de acordo com a agregação departículas: o estado sólido, o estado líquido e o estadogasoso.
Sólidos
Um sólido é um sistema
macroscópico rígido com forma
e volume bem definidos.
Cada átomo vibra em torno do
seu ponto de equilíbrio, mas ele
não tem liberdade para se
movimentar no interior do sólido.
Assim como líquidos, sólidos
são quase incompressíveis
Sólidos não são completamente
incompressíveis, porém
Podemos deformar um sólido
Mudar sua forma: Esticar, Dobrar,
Comprimir e Expandir
Líquidos Líquidos são similares a gases
no sentido que os átomos ou
moléculas podem se mover em
relação aos outros átomos ou
moléculas no líquido
Líquidos diferem de gases no
sentido que líquidos são quase
incompressíveis
Se colocarmos um líquido em um
recipiente, ele irá preencher
apenas o volume do recipiente
que corresponde ao volume
inicial do líquido, deixando o
volume restante desocupado
Gases
Substâncias que existem como
gases têm átomos ou moléculas
que se movem pelo espaço como
partículas livres
Os átomos ou moléculas livres
podem colidir com outros átomos
ou moléculas ou com a parede de
um recipiente
Se um gás é colocado em um
recipiente, ele irá se expandir até
preencher o volume do recipiente
Um gás pode ser tratado como um
fluido porque pode fluir
Um gás é compressível, o que significaque, se o volume de um recipiente éalterado, o gás vai se redistribuir parapreencher o recipiente uniformemente
Os fluidos são sistemas macroscópicos, e nosso
estudo dos mesmos nos levará muito além do modelo de
partículas. Dois novos conceitos, densidade e pressão,serão introduzidos para descrever sistemas macroscópicos.
Começaremos com a estática dos fluidos,
para situações em que o fluido permanece emrepouso
Objetivos de
Aprendizagem1. ESTÁTICA DOS FLUIDOS
1.1. Propriedades dos fluidos
1.2. Pressão num fluido
1.3. Equilíbrio num campo de forças
1.4. Fluido incompressível no campo gravitacional
1.5. Aplicações
(a) Princípio de Pascal
(b) Vasos comunicantes
(c) Pressão atmosférica. Manômetros
1.6. Princípio de Arquimedes
Equilíbrio dos corpos flutuantes
1.7. Variação da pressão atmosférica com a altitude
De maneira bem simples, um fluido é uma substância que
flui ou escoa. Uma vez que fluem, os fluidos assumem a
forma de seus recipientes em vez de reterem uma forma
própria.
Você pode pensar que os gases e os líquidos são muito
diferentes, mas ambos são fluidos e suas semelhanças
são, muitas vezes, mais importantes do que suas
diferenças.
Fluidos
Massa Especifica
1. A questão é ambígua, pois depende da quantidade de ferro e de madeira.
2. Um grande cepo de madeira é claramente mais pesado do que um prego
de ferro.
3. Uma questão melhor formulada indagaria se o ferro e mais denso do que a
madeira, para a qual a resposta e sim.
• O ferro é mais pesado do que a madeira?
As massas dos átomos e os espaçamentos entre eles e que determinam a
massa especifica do material. Concebemos a massa especifica como a “leveza” ou o
“peso” de materiais de mesmo tamanho. Ela da uma medida de como a matéria
esta compactada, ou de quanta massa ocupa um certo espaço; e a quantidade de
massa por unidade de volume:
Densidade
No caso dos fluidos, estamos interessados em substâncias sem
uma forma bem definida e em propriedades que podem variar de um
ponto a outro da substância. Nesse caso é útil estudarmos a
densidade
Define-se densidade como a propriedade da matéria
correspondente à massa contida por unidade de volume, ou
seja, a proporção existente entre a massa de um corpo e
seu volume
mV dm
dV
Densidade
A densidade de alguns materiais variam de um ponto para outro.
Exemplo o corpo humano, que inclui gordura de baixa densidade e ossos de
altas densidades.
A unidade SI de densidade é o quilograma por metro cúbico (1
kg/m3).
1 g/cm3 1000 kg/m3
1 lbm/ft3 16,02 kg/m3
1 slug/ft3 515,4 kg/m3
É comum encontrarmos alguns livros em sistemas que não
são os sistemas internacionais, logo a conversão pode ser
feita da seguinte maneira
Densidade
Pausa para teste
Água no estado sólido. Água no estado líquido.
Aqui esta uma questão fácil: Quando a água congela, ela se expande. O que isso
nos diz acerca da massa específica do gelo comparada com a massa específica da
água?
Densidade Relativa & Peso Especifico
Densidade Relativa
SG substância
H2O @ 4
0C
Como a densidade é uma relação entre as massas específicas, o valor
de SG não depende do sistema de unidades
Peso Especifico
Wsubstância
V g
Note que o peso especifico é utilizado para caracterizar o peso do
sistema fluido.
Pressão
“Pressão” é uma palavra que todos conheceme usam. Você provavelmente tem uma idéia de sensocomum sobre o que é pressão. Por exemplo, vocêsente os efeitos da variação da pressão em seustímpanos quando mergulha ou decola em um avião.
■ “Algo” empurra a águaou o ar lateralmente, parafora do orifício.■ Em um líquido, este“algo” é maior quando aprofundidade é maior. Emum gás, este “algo” pareceser o mesmo em todos oslugares.
Pressão
Vamos definir a pressão neste ponto no fluido como sendo a razão entre a força e a área na qual a força é exercida:
NOTA A pressão em si não é uma força, mesmo que às vezes falemosinformalmente sobre “a força exercida pela pressão”. O enunciadocorreto é que o fluido exerce uma força sobre uma superfície.
De acordo com sua definição, a pressão tem por unidade o N/m2. A unidade de pressão do SI é o pascal, definido como:
Pressão
Pressão
Pressão AtmosféricaNós vivemos no fundo de um oceano de ar. De maneira parecida com a
água de um lago, a atmosfera exerce pressão.
Um dos mais
célebres experimentos para
demonstrar a pressão da
atmosfera foi realizado em
1654 por Otto von
Guericke, burgomestre da
cidade de Magdeburg e
inventor da bomba a vácuo.
Pressão Atmosférica
Da mesma maneira que a pressão da água e causada por seu próprio peso,
a pressão atmosférica e causada pelo peso do próprio ar. Estamos tão adaptados ao
ar totalmente invisível que muitas vezes nos esquecemos de que ele também
possui peso. Talvez um peixe, de maneira análoga, também “se esqueça” do peso
da água. A razão de não sentirmos esse peso que aperta nossos corpos e que a
pressão dentro destes equilibra a pressão contrária produzida pelo ar que nos ro-
deia. Não existe uma força resultante para sentirmos.
Pressão Atmosférica
A pressão atmosférica não e uniforme. Além das variações com a altitude,
existem as variações localizadas da pressão atmosférica, causadas por
aproximações de frentes frias e tempestades. A medição das variações da pressão
do ar e fundamental para os meteorologistas elaborarem previso es de tempo.
A pressão atmosférica normal ao nível do mar é:p = 1 atm = 1,013 x 105 pa
Outra unidade usual é o milímetro de mercúrio (mmHg), que é a pressão que uma coluna de mercúrio de 1 mm de altura exerce sobre uma superfície onde a gravidade g = 9,8 m/s2 e temperatura 00 C. A relação entre mmHg e atm é a seguinte:
1 atm = 760 mmHg
Pressão em líquidosA gravidade faz com que um líquido ocupe as partes
mais fundas de um recipiente.
• Uma vez que o fluido está em repouso, a pressão dada pela Equação é
chamada de pressão hidrostática.
• A Equação supõe que o líquido seja incompressível, isto é, que sua
densidade não aumente com a profundidade.
• Esta é uma suposição muito boa no caso de líquidos, mas não para gases, que são realmente compressíveis
Pressão em líquidos
Quando desprezamos o peso do fluido, a pressão no interior do
fluido é a mesma em todos os pontos do seu volume. Vamos introduzir
agora a definição de gradiente:
f p
dp
dz g
p p0 gz z0
Lei de Stevin: a pressão em um ponto de um fluido em equilíbrio estático
depende da profundidade desse ponto, mas não da dimensão horizontal do
fluido no recipiente.
Pressão em líquidos
Pressão em líquidos
Relação da altitude barométrica para gases
Ao deduzirmos a relação entre profundidade e pressão,
fizemos o uso da incompressibilidade dos líquidos
Entretanto, se nosso fluido for um gás, não podemos fazer
essa suposição
Começamos novamente com uma fina camada de fluido em uma
coluna de fluido
A diferença de pressão entre as superfícies inferior e superior ainda
é dada pelo peso da camada fina de fluido dividida pela área
p F
A
mg
A
Vg
A
hA gA
gh
Relação da altitude barométrica para gases
O sinal negativo vem do fato de que a pressão decresce com o aumento de
altitude, porque o peso da coluna de fluido acima é reduzido
Até agora nada está diferente da dedução para o caso incompressível
Contudo, para fluidos compressíveis, temos que a densidade é
proporcional à pressão
Estritamente falando, essa relação só é verdadeira para gases ideais
0p
p0
Relação da altitude barométrica para gases
Combinando nossas duas equações, obtemos
Tomando o limite h0, obtemos a equação
Essa equação é uma equação diferencial
A solução dessa equação diferencial é
Essa equação é conhecida como a fórmula da pressão barométrica
Ela relaciona a pressão e a altitude em gases
Ela se aplica contanto que a temperatura não varie em função da altitude e desde que a gravidade seja constante.
p
h
g0p0p
dp
dh
g0p0p
p(h) p0eh0g / p0
Medição e uso da pressão
Manômetro de tubo abertoUm dispositivo simples que pode ser utilizado
para medir a pressão manométrica de um gás
é o manômetro de tubo aberto
Pode ser construído conectando-se um tubo
em forma de U, parcialmente preenchido com
mercúrio, a um recipiente fechado com o gás
cuja pressão manométrica se deseja medir
A diferença na altura, h, entre os dois níveis
de mercúrio no recipiente pode ser
relacionada à pressão manométrica
Perceba que a pressão manométrica pode
ser positiva ou negativa
pg p p0 gh
Medição e uso da pressãoUm aparelho simples para medir a pressão atmosférica e o
barômetro de mercúrio. Você pode construir um pegando um tubo
longo de vidro, fechado em uma extremidade, enchendo-o com
mercúrio e invertendo sua posição, de modo que a extremidade
aberta fique dentro de uma vasilha de mercúrio. O espaço acima domercúrio e um vácuo e, assim, tem pressão zero.
Princípio de Pascal
Quando apertamos uma extremidade de um tubo de
pasta de dente para fazer a pasta sair pela outra
extremidade estamos pondo em prática o princípio de Pascal.
O princípio foi enunciado com
clareza pela primeira vez em 1652
por Blaise Pascal (em cuja
homenagem foi batizada a
unidade no SI)
Uma variação da pressão aplicada a um fluido
incompressível contido em um recipiente é transmitido
integralmente a todas as partes do fluido e às paredes do
recipiente.
Princípio de Pascal
EmpuxoQualquer um que já tenha retirado um objeto submerso
para fora d’agua esta familiarizado com o empuxo, perda
aparente de peso sofrida pelos objetos quando estão submersos
em um líquidoA razão disso e que, quando a
rocha esta submersa, a água exerce
sobre ela uma força de baixo para
cima, oposta a atração
gravitacional. Esta força
direcionada para cima e chamada
de força de empuxo e e uma
decorrência do aumento da pressão
devido ao aumento da
profundidade.
Empuxo
As forças devido a pressão da água, em qualquer lugar da superfície de
um objeto, são exercidas perpendicularmente a superfície – como e indicado na
figura por alguns vetores.
Uma vez que as forças exercidas de baixo para cima, na parte inferior, são
maiores do que as forças exercidas para baixo, no topo, elas não se cancelam e
existe, portanto, uma força resultante orientada para cima. Esta força é a força de
empuxo.
Princípio de Arquimedes
Arquimedes (287 - 212 AC) de Siracusa, Sicília
O rei Hieron II de Siracusa pediu para
Arquimedes determinar se a coroa real era feita de
ouro puro ou parcialmente de ouro e prata
Conta-se que uma ideia ocorreu a Arquimedes
para determinar a composição da coroa do rei
quando ele sentou-se em sua banheira e a água
da banheira transbordou
Diz-se que Arquimedes teria gritado
“Eureka” (Eu descobri)
Princípio de Arquimedes
O principio de Arquimedes afirma: quando um corpo estáparcialmente ou completamente imerso em um fluido, o
fluido exerce sobre o corpo uma força de baixo para cima
igual ao peso do volume do fluido deslocado pelo corpo.
Princípio de Arquimedes
Considere um cubo de água em um volume de água
O peso desse cubo de água é sustentado
pela força de empuxo FB resultante da
diferença de pressão entre o topo e a base
do cubo
Para nosso cubo de água imaginário,
a força de empuxo é igual ao peso
Agora vamos substituir o cubo de água
por um cubo de aço
O cubo de aço pesa mais do que o cubo de
água, logo, agora há uma força resultante Fres dada por
F2 F1 mg FB
Princípio de Arquimedes
Obviamente, essa força resultante faria o cubo de aço afundar
Vamos substituir nosso cubo de aço por um cubo de madeira
Agora, o peso da madeira é menor que o peso da água que a
madeira deslocou, logo, a força resultante aponta para cima
O bloco de madeira subiria em direção a superfície
Se colocarmos um objeto menos denso que a água
na água, o objeto vai boiar
O objeto irá afundar na água só até que o peso do objeto
seja igual ao peso da água deslocada
Um objeto flutuante desloca seu próprio peso de fluido
Se posicionarmos um objeto mais denso do que a água dentro
da água, ele irá experimentar uma força de empuxo
peso real - força de empuxo = peso aparente
a
Princípio de Arquimedes
Princípio de Arquimedes
