Hidrodinâmica

Por Luiz Guilherme Rezende Rodrigues

Doutorado em Física (UFJF, 2019)
Mestrado em Física (UFJF, 2015)
Graduado em Bacharelado em Física (UFJF, 2015)
Graduado em Licenciatura em Física (UFJF, 2013)

Categorias: Mecânica de Fluidos
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Mecânica é o ramo da física que analisa não só o movimento e sua evolução no tempo, mas, também o repouso dos corpos. A Mecânica é dividida em três ramificações, dentre elas a Dinâmica.

Dinâmica é a área da Mecânica que estuda os movimentos dos corpos considerando a causa geradora de movimento. Como causa, define-se o conceito de força. Em outras palavras, força é a grandeza física responsável pela geração de movimento.

Em física um corpo pode se encontrar em equilíbrio em duas situações. Na primeira, o corpo está livre de forças atuantes, neste caso, o equilíbrio é denominado estático e o corpo se encontra em repouso. Já na segunda o corpo está sob a ação de uma ou mais forças, neste caso, o equilíbrio é denominado dinâmico e o corpo se encontra em movimento retilíneo uniforme. Neste caso, a força resultante que atua sobre este corpo será nula.

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Hidrodinâmica

Diferentemente da Hidrostática onde os fluidos encontram-se em equilíbrio, seja ele estático ou dinâmico na Hidrodinâmica os fluidos se encontram fora do equilíbrio. Isso é o mesmo que dizer que a força resultante aplicada ao fluido não é nula. Então a Hidrodinâmica é a área da física dedicada ao estudo de fluidos em movimento sob a ação de forças. A Hidrodinâmica é uma área altamente aplicada na Engenharia. O estudo da Hidrodinâmica é baseado nos seguintes conceitos:

Vazão

Certamente você ao utilizar uma mangueira de água já percebeu que ao tampar a boca da mangueira a água saía mais rápida. Em outras palavras você estava diminuindo a área da saída de água da mangueira. Por outro lado, você pode nunca ter se perguntado qual a explicação física para isso. A grandeza envolvida em tal situação é denominada vazão e está intimamente ligado a velocidade de escoamento e a área de seção transversal por onde o fluido escoa. Para o melhor entendimento, considere um tubo cilíndrico de seção transversal de área percorrida por um fluido qualquer cuja o módulo da velocidade de escoamento seja igual a (situação representada pela Figura 1).

Figura 1: Tubo cilíndrico percorrido por um fluido.

A vazão nesse tubo é dada então pela razão entre a velocidade e o tempo necessário para o fluido escoar pela área S. Matematicamente:

A vazão também pode ser obtida pelo produto entre a área S e a velocidade do fluido:

Equação da continuidade

Considere um tubo com duas seções transversais de áreas diferentes e respectivamente iguais a S1 e S2 (essa situação é representada pela Figura 2).

Figura 2: Tubo com duas áreas de seção transversais diferentes percorrido por um fluido.

A equação da continuidade diz que, apesar do tubo não possuir a mesma área de seção transversal ao longo de seu comprimento, as vazões durante todo seu comprimento é a mesma. Ou seja:

Princípio de Bernoulli

Considera-se dois pontos quaisquer A e B dentro de um fluido em movimento sob a ação da aceleração da gravidade (situação representada pela Figura 3). Uma vez que a velocidade é uma grandeza vetorial, que sempre é tangente a trajetória, as velocidades vetoriais de A e B serão diferentes. O princípio de Bernoulli diz então que, deve-se levar em conta um setor potencial, um setor cinético e um setor potencial gravitacional.

Figura 3: Velocidade dos pontos A e B em um fluido em movimento.

Esta equação pode ser reescrita da seguinte maneira:

Onde p, h e v são as diferenças entre as pressões A e B, alturas A e B e velocidades A e B respectivamente.

O princípio de Bernoulli é um tipo de equação de conservação de energia e apresenta inúmeras aplicações em Mecânica dos Fluidos.

Referências:

BONJORNO, José Roberto; BONJORNO, Regina Azenha; BONJORNO, Valter; CLINTON, Márcico Ramos. Física História & Cotidiano. São Paulo: Editora FTD, 2004, volume único.

HEWITT, Paul G. Física Conceitual. Porto Alegre: Editora: Bookman, 2011, 11ª. ed. v. único.

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