14: Mecânica dos Fluidos
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Imagine-se caminhando por uma praia na costa leste dos Estados Unidos. O ar cheira a sal marinho e o sol aquece seu corpo. De repente, um alerta aparece no seu celular. Uma depressão tropical se transformou em um furacão. A pressão atmosférica caiu para quase 15% abaixo da média. Como resultado, os meteorologistas esperam chuvas torrenciais, ventos superiores a 100 mph e milhões de dólares em danos. Enquanto você se prepara para evacuar, você se pergunta: como uma queda tão pequena na pressão pode levar a uma mudança tão severa no clima?
A pressão é um fenômeno físico responsável por muito mais do que apenas o clima. Mudanças na pressão fazem com que os ouvidos “estourem” durante a decolagem em um avião. Mudanças na pressão também podem fazer com que os mergulhadores sofram um distúrbio às vezes fatal conhecido como “curvas”, que ocorre quando o nitrogênio dissolvido na água do corpo em profundidades extremas retorna ao estado gasoso no corpo à medida que o mergulhador chega à superfície. A pressão está no cerne do fenômeno chamado flutuabilidade, que faz com que os balões de ar quente subam e os navios flutuem. Antes de entendermos completamente o papel que a pressão desempenha nesses fenômenos, precisamos discutir os estados da matéria e o conceito de densidade.
- 14.1: Prelúdio da Mecânica dos Fluidos
- Imagine-se caminhando por uma praia na costa leste dos Estados Unidos. O ar cheira a sal marinho e o sol aquece seu corpo. De repente, um alerta aparece no seu celular. Uma depressão tropical se transformou em um furacão. A pressão atmosférica caiu para quase 15% abaixo da média. Como resultado, os meteorologistas esperam chuvas torrenciais, ventos superiores a 100 mph e milhões de dólares em danos.
- 14.2: Fluidos, densidade e pressão (Parte 1)
- Um fluido é um estado da matéria que cede a forças laterais ou de cisalhamento. Líquidos e gases são ambos fluidos. A estática dos fluidos é a física dos fluidos estacionários. Densidade é a massa por unidade de volume de uma substância ou objeto, enquanto a pressão é a força por unidade de área perpendicular sobre a qual a força é aplicada. A pressão devida ao peso de um líquido de densidade constante é dada pelo produto da profundidade, densidade e aceleração do líquido devido à gravidade.
- 14.3: Fluidos, densidade e pressão (Parte 2)
- A pressão é definida para todos os estados da matéria, mas é particularmente importante ao discutir fluidos. Uma característica importante dos fluidos é que não há resistência significativa ao componente de uma força aplicada paralelamente à superfície de um fluido. As moléculas do fluido simplesmente fluem para acomodar a força horizontal. Uma força aplicada perpendicularmente à superfície comprime ou expande o fluido.
- 14.4: Medição da pressão
- A pressão manométrica é a pressão relativa à pressão atmosférica. A pressão absoluta é a soma da pressão manométrica e da pressão atmosférica. Os manômetros de tubo aberto têm tubos em forma de U e uma extremidade está sempre aberta. Eles são usados para medir a pressão. Um barômetro de mercúrio é um dispositivo que mede a pressão atmosférica. A unidade de pressão SI é o pascal (Pa), mas várias outras unidades são comumente usadas.
- 14.5: Princípio e Hidráulica de Pascal
- Pressão é força por unidade de área. Uma mudança na pressão aplicada a um fluido fechado é transmitida sem diminuir para todas as partes do fluido e para as paredes de seu recipiente. Um sistema hidráulico é um sistema de fluido fechado usado para exercer forças.
- 14.6: Princípio e flutuabilidade de Arquimedes
- A força de empuxo é a força ascendente líquida em qualquer objeto em qualquer fluido. A força de empuxo está sempre presente e atua em qualquer objeto imerso parcial ou totalmente em um fluido. O princípio de Arquimedes afirma que a força de empuxo em um objeto é igual ao peso do fluido que ele desloca.
- 14.7: Dinâmica de fluidos
- A vazão Q é definida como o volume V que passa de um ponto no tempo t. A unidade SI da taxa de fluxo é (m^3) /s, mas outras taxas podem ser usadas, como L/min. A taxa de fluxo e a velocidade são relacionadas pelo produto da área da seção transversal do fluxo por sua velocidade média. A equação da continuidade afirma que, para um fluido incompressível, a massa que flui para dentro de um tubo deve ser igual à massa que sai do tubo.
- 14.8: Equação de Bernoulli
- A equação de Bernoulli afirma que a pressão é a mesma em quaisquer dois pontos em um fluido incompressível sem atrito. O princípio de Bernoulli é a equação de Bernoulli aplicada a situações em que a altura do fluido é constante. O princípio de Bernoulli tem muitas aplicações, incluindo arrastamento e medição de velocidade.
- 14.9: Viscosidade e turbulência
- Nesta subseção, apresentamos as forças de atrito que atuam nos fluidos em movimento. Por exemplo, um fluido que flui através de um tubo está sujeito à resistência, um tipo de atrito, entre o fluido e as paredes. O atrito também ocorre entre as diferentes camadas de fluido. Essas forças resistivas afetam a forma como o fluido flui através do tubo.
Miniatura: Visualização do túnel de vento de neblina (partícula de água) de um aerofólio NACA 4412 em um fluxo de baixa velocidade (Re = 20.000) (CC SA-BY 3.0; Georgepehli).