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Projecto Faraday Textos de Apoio

Fluidos em Movimento 12ยบ Ano de Escolaridade

Porto, Outubro de 2009

Ficha T´ ecnica Projecto de interven¸cão no ensino da F´ısica no secundário. Financiamento Funda¸c˜ ao Calouste Gulbenkian. Execu¸ c˜ ao Departamento de F´ısica, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto. Escolas Participantes ES Filipa de Vilhena ES Fontes Pereira de Melo ES Garcia de Orta ES da Maia ES de Santa Maria da Feira

Coordena¸ c˜ ao J. M. B. Lopes dos Santos Manuel Joaquim Marques

Portal URL: http://www.fc.up.pt/faraday

Texto do 12º Ano Redactor Principal J. M. B. Lopes dos Santos

3 Colabora¸ c˜ ao e revis˜ ao Elisa Arieiro Carlos M. Carvalho Manuel Joaquim Marques Maria de F´ atima Mota

Cap´ıtulo 5

Fluidos em movimento 5.1

Velocidade num fluido

Se olharmos para as folhas que flutuam nas águas de um rio ou ribeiro, notamos que elas se deslocam com maior velocidade no centro do mesmo do que nas margens. Por vezes, junto à margem, podemos até vê-las a deslocar-se no sentido oposto da corrente do rio. Num s´ olido r´ıgido, n˜ ao deform´ avel, as distˆ ancias entre diferentes pontos do mesmo s˜ ao fixas. Por isso é relativamente simples caracterizar o seu deslocamento. Se o s´ olido se movimentar sem rota¸cão, todos os seus pontos têm o mesmo deslocamento. Em cada instante, uma u ´ nica velocidade, ~v (t), define o estado de movimento do corpo, porque todos os pontos do corpo têm a mesma velocidade (fig. 5.1). Num fluido n˜ ao temos esta simplifica¸cão. Cada ponto do fluido pode ter uma velocidade diferente. Mas o que é um ponto do fluido?

Figura 5.1: No movimento de transla¸ca˜o da moeda todos os pontos tˆem o mesmo deslocamento.

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO 11111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 v(r,t) 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 y 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 r 11111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 00000000000000000000000000000000000 11111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 x 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111

Figura 5.2: A velocidade ~v (~r, t) ´e a velocidade da part´ıcula de fluido que est´ a em ~r no instante t.

Se olharmos para uma dada posi¸cão ~r no interior do fluido, podemos imaginar que marcamos um pequeno volume do mesmo (tão pequeno quanto desejarmos) à volta de ~r. Registando o movimento dessa part´ıcula de fluido, podemos em princ´ıpio determinar a sua velocidade. Vejamos alguns exemplos de como poder´ıamos na pr´ atica realizar esta medi¸c˜ ao. Se estivéssemos interessados nas velocidade à superf´ıcie de um rio, bastava-nos pousar uma pequena rolha (pequena para n˜ ao perturbar o movimento do rio) e filmar o seu movimento. Pousando rolhas em posi¸cões diferentes do rio obter´ıamos, em geral, velocidades diferentes em cada posi¸cão. A medi¸c˜ ao da velocidade do vento pode ser feita com um anemómetro. A figura 5.3 ilustra dois tipos de anem´ ometros. No primeiro caso o vento faz rodar os três copos montados num eixo de rota¸cão vertical. Quanto maior for a velocidade do vento, maior ser´ a a velocidade de rota¸cão do anem´ ometro; a direçcão do vento n˜ ao é determinada por este tipo de dispositivo. No segundo caso o vento faz rodar uma turbina muito leve, com eixo horizontal. Este tipo de anem´ ometro mede a componente da velocidade segundo a direçc˜ ao do eixo da turbina. O importante é que a indica¸cão de cada dispositivo pode variar no tempo e depender do local onde estiver colocado. Ou seja, para caracterizar o movimento do fluido (no caso de fluidos designa-se muitas vezes por escoamento) devemos conhecer em cada instante, t, e cada posi¸cão no fluido, ~r, a velocidade, ~v (~r, t).

5.1. VELOCIDADE NUM FLUIDO

Figura 5.3: Dois tipos de anem´ometro

5.1.1

O conceito de campo

Durante o boletim meteorol´ ogico s˜ ao dadas as temperaturas m´ aximas e m´ınimas das cidades mais importantes do pa´ıs. A temperatura atmosférica, T , varia no tempo, ao longo do dia, e de local para local. Uma caracteriza¸cão completa do estado da temperatura implicaria conhecer, para cada posi¸cão ~r no territ´ orio português e cada instante t de um dia, o valor da temperatura correspondente T (~r, t). Este é um exemplo de um campo de temperaturas. Em F´ısica chamamos campo a qualquer grandeza definida em todos os pontos de uma dada regi˜ ao do espa¸co. De um modo geral os campos variam também no tempo. O movimento de um fluido é caracterizado por um campo de velocidades, ~v (~r, t). Na figura 5.4 da p´ agina 8 damos um exemplo de representa¸c˜ ao gr´ afica de um escoamento: trata-se do escoamento de um fluido ` a volta de uma esfera s´ olida fixa1 . Cada seta da figura representa o vector velocidade do ponto onde tem origem. Esta figura mostra que a velocidade do fluido é muito pequena pr´ oximo da esfera (de facto a velocidade anula-se na superf´ıcie da esfera). O objectivo principal da disciplina de Dinâmica de Fluidos é precisamente a determina¸c˜ ao dos campos de velocidades em circunstâncias variadas. 1

Este escoamento particular pode ser calculado exactamente; chama-se escoamento de Stokes. Contudo, s´ o se observa para velocidades do fluido muito baixas. Para velocidades mais elevadas o campo de velocidades torna-se muito mais complicado.

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

Figura 5.4: Um exemplo de escoamento de um fluido em torno de uma esfera. Cada seta representa o vector velocidade do ponto onde tem origem. Note-se como o fluido circula `a volta da esfera e tem velocidade muito pequena junto dela.

ET V 1 : Na figura 5.4 tomemos o eixo Ox como horizontal, passando pelo centro da esfera. a) Fazer uma representa¸cão gr´ afica esquem´ atica da componente vx da velocidade em fun¸cão da coordenada x para y = 0 (ao longo do eixo Ox). Quanto vale vy neste eixo? b) Fazer uma representa¸cão gr´ afica esquem´ atica da componente vy da velocidade em fun¸cão de x para um valor de y fixo, ligeiramente superior ao raio da esfera (ao longo de uma linha paralela a Ox).

A figura 5.5 mostra uma outra representa¸cão do mesmo campo de velocidades usando linhas de corrente. As linhas de corrente s˜ ao linhas tangentes ao vector velocidade em cada ponto. A trajectória de uma part´ıcula do fluido também é tangente à sua velocidade em cada instante. Poder´ıamos então pensar que as linhas de corrente s˜ ao trajectórias de part´ıculas de fluido. De facto, à vezes s˜ ao, outras vezes n˜ ao. Vejamos porquê. As figuras 5.4 e 5.5, representam como que um instantâneo, uma “fotografia” do campo de velocidades, num dado instante. Se

5.1. VELOCIDADE NUM FLUIDO

Figura 5.5: Uma representa¸ca˜o do campo de velocidades com linhas de corrente.

o campo de velocidades variar no tempo, as linhas de corrente variam também e nesse caso n˜ ao coincidem com as trajectórias das part´ıculas de fluido. O exemplo do torniquete usado em rega é esclarecedor. O escoamento da ´ agua num tubo dobrado fá-lo girar em torno de um eixo vertical. As linhas de corrente est˜ ao naturalmente confinadas ao interior do tubo em cada instante. Mas este roda e, portanto, as linhas de corrente variam no tempo. Como se vê na figura 5.6 da p´ agina 10, uma part´ıcula de fluido, que se move para o exterior à medida que o tubo roda, desenha uma trajectória que n˜ ao coincide com nenhuma linha de corrente. Contudo, no caso de escoamentos que n˜ ao dependem do tempo, ~v (~r, t) → ~v (~r), escoamentos estacion´ arios, as part´ıculas de fluido deslocam-se sempre ao longo da mesma linha de corrente e as trajectórias coincidem, de facto, com as linhas de corrente. A anima¸cão stokes_anim.gif, dispon´ıvel no portal do Faraday, ilustra este facto. Em resumo:

as linhas de corrente s˜ ao, em cada ponto tangentes `a velocidade do fluido, e no caso de escoamentos que n˜ ao dependem do tempo, coincidem com as traject´orias de part´ıculas do fluido.

⊲ Actividade 5.1

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

linha de corrente em t 1

B t2

trajectória de uma partícula de fluido.

Figura 5.6: As linhas de corrente em t1 e t2 n˜ ao s˜ao as mesmas porque o torniquete roda. Uma part´ıcula de fluido tem uma traject´ oria tangente a uma linha de corrente em t1 e a outra linha de corrente em t2 .

ET V 2 : As linhas de corrente de um escoamento nunca se cruzam. a) Porquˆe? Qual seria a velocidade do fluido no ponto de cruzamento? b) Duas linhas de corrente relativas a instantes de tempo diferentes podem cruzar-se?

d=v ∆t

5.2

Teorema de Bernoulli

5.2.1 Figura 5.7: Num intervalo de tempo ∆t, a torneira injecta na mangueira um cilindro de agua de altura v∆t. ´

Caudal e velocidade

Quando queremos que a água saia com mais velocidade2 de uma mangueira, tapamos parte da sa´ıda. Porquê? Suponhamos que a velocidade da água à sa´ıda da torneira (com mangueira) é v = 2 m s−1 e que o diˆ ametro da torneira é d = 2 cm. Que volume de água sai da torneira por segundo? Num segundo a torneira injecta na mangueira um cilindro de água de altura 2 m e diˆ ametro de base 2 cm. Ou seja, o volume de água 2

Mais velocidade e n˜ ao mais “for¸ca” como habitualmente dizemos!

5.2. TEOREMA DE BERNOULLI

por segundo, o caudal, ´e Q = v × A = vπ

d2 = 6,3 × 10−4 m3 s−1 , 4

em que A é ´ area da seçc˜ ao da torneira. Como a mangueira est´ a cheia de ´ agua e a ´ agua é praticamente incompress´ıvel, tem que sair exactamente o mesmo caudal pela outra extremidade. Assim, se for A′ a ´ area da abertura de sa´ıda da mangueira, Q = v ′ × A′ = v × A = 6,3 × 10−4 m3 s−1 . Se A′ for menor que A, a velocidade v ′ ser´ a maior: v′ = v ×

A . A′

Se reduzirmos a ´ area a metade, a velocidade de sa´ıda dobra e ´ tamb´em por esta raz˜ assim sucessivamente. E ao que os rios fluem calmamente em regi˜ oes onde o leito ´e largo e espa¸coso, e muito mais rapidamente nos estreitamentos.

ET V 3 : Uma torneira de diˆ ametro 2 cm enche um balde de 10 litros em 45 s. Com que velocidade ´e que a ´agua emerge da torneira?

5.2.2

Velocidade e linhas de corrente

Se pensarmos em termos de linhas de corrente, n˜ ao é dif´ıcil concluir que, para fluidos incompress´ıveis, a velocidade aumenta quando as linhas de corrente se aproximam e diminui quando se afastam. A por¸c˜ ao de fluido marcada a sombreado na figura 5.8 ocupa uma regi˜ ao cuja parede lateral é definida por linhas de corrente. Este volume de fluido mantém-se sempre dentro do mesmo tubo de linhas de corrente, pois a velocidade do fluido é paralela às paredes do tubo: n˜ ao h´ a fluido a atravess´ a-la. Ao deslocar-se em direçcão à regi˜ ao onde as linhas de corrente se apertam, o tubo estreita-se, o comprimento da por¸c˜ ao sombreada de fluido tem que aumentar para o seu volume se mantenha. Para que isso seja poss´ıvel, a seçcão anterior do fluido sombreado deve ter uma velocidade superior à da seçc˜ ao posterior: a velocidade do fluido aumenta quando as linhas de corrente se apertam (fig. 5.10).

Figura 5.8: O fluido marcado a sombreado mant´em-se dentro do mesmo tubo de linhas de corrente.

⊲ Actividade 5.1

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

Teorema de Bernoulli e conserva¸ c˜ ao de energia

∆V

t + ∆t A

O teorema de Bernoulli é uma consequência da conserva¸caõ de energia mecânica em fluidos sem viscosidade. Concentremo-nos na por¸caõ de fluido compreendida dentro de um tubo de linhas de corrente e limitado por duas superf´ıcies, A e B. Um pouco mais tarde, em t + ∆t, este mesmo fluido ocupa a região entre C e D. Como o fluido é incompress´ıvel o volume entre A e C e B e D é o mesmo, ∆V . O fluido que est´ a atr´ as de A exerce uma press˜ ao PA e realiza um trabalho sobre o fluido sombreado WA = PA × SA × dA = PA × ∆V . Mas o fluido sombreado, por sua vez, realiza trabalho sobre o fluido que est´ a à frente de B, que podemos calcular do mesmo modo. Assim a varia¸caõ de energia do fluido sombreado é WA − WB = (PA − PB ) × ∆V. Este trabalho aparece como uma varia¸caõ de energia cinética, que resulta do facto de o fluido entre B e D ter uma velocidade vB diferente da do fluido entre A e C, vA : (PA − PB ) × ∆V =

1 1 2 2 mB vB − mA vA . 2 2

Como mA = mB = ρ∆V , em que ρ ´e a massa vol´ umica, PA +

2 ρv 2 ρvA = PB + B . 2 2

Isto ´e o mesmo que dizer que P + ρv 2 /2 = constante. Se houver

uma varia¸c˜ao de altura entre A e B, temos que incluir o termo de energia potencial grav´ıtica e obt´em-se P + ρv 2 /2 + ρgh = constante. .

Caixa 5.1: O teorema de Bernoulli.

5.2. TEOREMA DE BERNOULLI

B A

Figura 5.10: O fluido em B tem uma velocidade maior do que em A. Uma part´ıcula de fluido acelera ao passar de A para B. A press˜ ao ´e maior onde as linhas de corrente est˜ ao mais afastadas.

Pressão aumenta

Isto significa que uma part´ıcula de fluido aumenta de velocidade à medida que se desloca neste escoamento. Segundo Newton, acelera¸cão significa for¸ca: que for¸ca acelera o fluido? No cap´ıtulo anterior já t´ınhamos conclu´ıdo que se a pressão variar num fluido, as for¸cas de pressão sobre uma part´ıcula de fluido têm resultante n˜ ao nula, no sentido em que a pressão diminui. Neste caso, a resultante das for¸cas de pressão sobre o fluido a sombreado tem que ser dirigida para a regi˜ ao de estreitamento das linhas de for¸ca. Ou seja, a pressão tem que ser maior na regi˜ ao onde as linhas de for¸ca est˜ ao mais espa¸cadas e menor onde elas se estreitam.

Figura 5.9: Se a press˜ ao aumentar no sentido da seta, a resultante das for¸cas de press˜ ao no ~ elemento sombreado, R, n˜ ao ´e nula e tem sentido oposto ao do aumento de press˜ ao.

Em conclusão: onde a velocidade de um escoamento é maior a pressão é menor e vice-versa. Este resultado, que é uma consequência da aplica¸cão das leis de Newton aos fluidos, foi descoberto por Daniel Bernoulli, um f´ısico e matem´ atico do século XVIII. Além das for¸cas de pressão, Bernoulli considerou também o peso do l´ıquido e mostrou que a aplica¸cão do princ´ıpio de conserva¸c˜ ao de energia mecˆ anica ao movimento do fluido (ver Caixa 5.1 da p´ agina 12) permitia concluir a seguinte rela¸cão entre pressão, P , velocidade, v, e altura, h, de qualquer ponto do fluido (ρ é a massa vol´ umica): P+

ρv 2 + ρgh = constante 2

(5.1)

Para altura constante obtemos P + ρv 2 /2 = constante, o que implica naturalmente que se v aumenta, P diminui e vice-versa: ´e o caso que temos vindo a discutir. Para fluidos em repouso, por

⊲

Teorema Bernoulli

Figura 5.11: A velocidade do ar ´e maior por cima da asa, onde as linhas de corrente se aproximam, que por baixo. Logo a press˜ ao ´e maior em baixo e a resultante das for¸cas de press˜ ao empurra a asa para cima.

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

outro lado, este resultado n˜ ao é mais que o princ´ıpio fundamental da hidrostática, P + ρgh = constante : a pressão aumenta se a altura diminui (profundidade aumenta). A rela¸c˜ ao entre pressão e velocidade expressa pelo teorema de Bernoulli, apesar de um pouco inesperada, explica muitos resultados de escoamentos de fluidos.

⊲ Actividade 5.2

Um dos mais importantes é o da sustenta¸cão dos aviões. O perfil longitudinal de uma asa tem uma forma que favorece um escoamento do ar mais r´ apido por cima da asa que por baixo. O resultado é uma pressão maior por baixo da asa e uma resultante das for¸cas de pressão dirigida para cima. Na recente tragédia de Nova Orléans, o telhado do est´ adio Superdome foi arrancado porque a pressão no interior (ar em repouso) era maior que no exterior, onde sopravam ventos com velocidades da ordem dos 200 km h−1 .

ET V 4 : Assumindo a validade do teorema de Bernoulli, calcular a diferen¸ca de pressão entre o interior e o exterior do Superdome. Calcular a for¸ca que uma tal diferen¸ca de pressão origina sobre uma área de um hectare (10 000 m 2 , aproximadamente a área de um campo de futebol.

5.3 5.3.1

Viscosidade Dissipa¸c˜ ao em l´ıquidos

Após retirar a colher, depois mexer uma ch´ avena de ch´ a ou café, o l´ıquido demora apenas alguns segundos a parar: é óbvio que n˜ ao h´ a conserva¸c˜ ao de energia mecˆ anica no movimento de fluidos reais, pois se houvesse, um l´ıquido, depois de agitado, n˜ ao pararia. Em l´ıquidos reais existem for¸cas semelhantes às for¸cas de atrito que dissipam a energia, isto é, transferem energia do movimento macroscópico, para movimentos desordenados das moléculas ou atomos, que se manifestam por um aumento de temperatura. ´ No décimo ano verific´ amos isso mesmo: agitando água com uma varinha m´ agica observ´ amos um aumento de temperatura (rever

5.3. VISCOSIDADE

a Actividade A9). O trabalho realizado pelas p´ as da varinha, a partir de carta altura, n˜ ao aumenta a energia de movimento macroscópico da ´ agua: as for¸cas de viscosidade da água transferem a energia fornecida pela varinha para energia interna, e a temperatura da ´ agua sobe. Contudo, existem situa¸c˜ oes em que, para tempos n˜ ao muito longos, podemos ignorar essa dissipa¸cão e considerar que a energia se conserva. S´ o nesses casos o teorema de Bernoulli é uma boa aproxima¸c˜ ao ao comportamento de fluidos reais. Intuitivamente associamos uma maior viscosidade a uma maior dificuldade de escoamento. Por exemplo, ao vertermos um l´ıquido entre dois recipientes o l´ıquido mais viscoso fá-lo-á mais lentamente. Ao analisar estas situa¸cões verifica-se que as for¸cas de viscosidade, têm algumas caracter´ısticas comuns com as for¸cas de atrito (ver figura 5.12): s˜ ao for¸cas paralelas ` as superf´ıcies sobre as quais se exercem;

duas camadas de fluido em movimento a velocidades diferentes exercem for¸cas de viscosidade uma sobre a outra, as quais se op˜ oem ao deslocamento relativo entre as camadas.

Por exemplo, no escoamento da figura 5.12, a velocidade do fluido na direçc˜ ao x aumenta com a coordenada z: o fluido acima do plano sombreado (regi˜ ao B) move-se com maior velocidade que o fluido da regi˜ ao A. O fluido A exerce, então, sobre o fluido B for¸cas de viscosidade, que tendem a retardá-lo; as for¸cas de B sobre A têm sentido oposto (princ´ıpio de açcão e reaçcão) e tendem a acelerar A. Para o mesmo escoamento, em l´ıquidos diferentes, estas for¸cas s˜ ao tanto mais intensas quanto mais viscoso for o l´ıquido.

5.3.2

For¸cas de resistˆ encia ao movimento num fluido

Regime de Stokes Quando um s´ olido de move num fluido, este tem que se movimentar, porque o espa¸co ocupado pelo s´ olido vai variando. Se o movimento de fluido ´e dissipativo, a energia mecˆ anica n˜ ao se conserva, diminui: se n˜ ao fornecermos energia exteriormente, o s´ olido acaba por parar.

B x

A v1

Figura 5.12: A camada A exerce for¸cas de viscosidade sobre a camada B, atrav´es do plano que as separa, que tendem a anular a diferen¸ca de velocidade entre as duas camadas de fluido.

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

Isto significa que um fluido viscoso oferece resistˆencia ao movimento de s´ olidos no seu interior: exerce for¸cas com sentido oposto ao da velocidade do s´ olido, de modo a diminuir o m´ odulo da sua velocidade. Para velocidades muito baixas, verifica-se que essa for¸ca ´e proporcional ` a velocidade do corpo, ~ = −γS ~v . F

(5.2)

Esta lei chama-se lei de Stokes. Como o sentido da for¸ca é oposto ao da velocidade, é também oposto ao do deslocamento num pequeno intervalo de tempo e o trabalho realizado sobre o corpo é negativo: ~ · ∆r ~ ≈ F~ · ~v ∆t = −γS v 2 ∆t. w=F A energia mecˆ anica do corpo diminui: ∆E = −γS v 2 ∆t, ou, dividindo por ∆t e tomando o limite ∆t → 0, dE = −γs v 2 . dt A energia dissipada por unidade de tempo (potência) é tanto maior quanto maior for a velocidade do s´ olido. Para uma esfera, é conhecida a express˜ ao do coeficiente γS : γS = 6πRη em que R é o raio da esfera e η a viscosidade dinˆ amica do fluido. Podemos tomar esta express˜ ao como a defini¸cão de η: quanto mais viscoso o l´ıquido, maior a for¸ca de Stokes e maior ser´ a η. Na tabela 5.1 indicamos as viscosidades de alguns l´ıquidos.

ET V 5 : Quais s˜ ao a unidades SI de η?

5.3. VISCOSIDADE L´ıquido

η/10−3 Pa s (T = 293 K)

´ Agua

1.00

Azeite

Glicerina

1495

´ Oleo de Motor SAE 10

50 ∼ 100

Ar (300 K)

0,018

Tabela 5.1: Tabela de viscosidades de alguns l´ıquidos.

Regime de Newton A lei de Stokes s´ o é válida para velocidades relativas do s´ olido e l´ıquido muito baixas3 . O fenómeno do escoamento de um fluido viscoso ` a volta de um s´ olido é extremamente complexo e n˜ ao é conhecida nenhuma lei da for¸ca de resistência do fluido aplic´ avel para qualquer valor de velocidade relativa. Contudo, para gamas de velocidades mais altas que as da lei de Stokes, a seguinte express˜ ao d´ a uma descri¸cão razo´ avel da for¸ca (regime de Newton): ~ = −γN v 2~ek F

(5.3)

em que ~ek ´e o versor na direc¸c˜ ao da velocidade. O coeficiente γN tem a seguinte express˜ ao, γN =

1 CD ρA, 2

em que: ρ é a massa vol´ umica do fluido; A é a ´ area da seçc˜ ao do s´ olido perpendicular à direçcão de movimento (para uma esfera, A = πR2 ); CD é um n´ umero que depende da forma do s´ olido. Para uma esfera vale 0,5 e varia tipicamente entre 0,02 (uma asa), até 2 (uma placa plana colocada perpendicularmente à direçcaõ de propaga¸c˜ ao). 3

Mesmo para velocidades baixas, a express˜ ao de γS ´e modificada se houver outros s´ olidos pr´ oximos da esfera em considera¸c˜ ao. Por exemplo, a proximidades das paredes de um recipiente onde se move a esfera aumenta a for¸ca de resistˆencia de Stokes.

Mas, afinal, o que é neste contexto uma velocidade baixa? Para que valores de velocidade s˜ ao válidas estas duas expressões da for¸ca de resistência do fluido ao movimento de um s´ olido?

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

Figura 5.13: A expressão da for¸ca de resistência de Newton d´ a um valor superior à de Stokes para velocidades altas e menor para velocidades baixas.

Se representarmos as express˜ oes γS v e γN v 2 em fun¸cão de v (uma recta e uma par´ abola, respectivamente, fig. 5.13, verificamos que os seus valores s˜ ao idênticos para uma velocidade u definida pela condi¸c˜ ao: γS . γS u = γN u2 ⇒ u = γN Para v < u, a express˜ ao de Stokes d´ a um valor superior à de Newton, γS v > γN v 2 ; se v > u, verifica-se o contr´ ario γS v < γN v 2 . A lei de Stokes é aplic´ avel para v ≪ u; a lei de Newton vale no regime oposto, v ≫ u. Usando as express˜ oes de γS e γN para o caso de uma esfera (A = 2 πR , CD ≈ 0,5), obtemos: u≈

5.3.3

η 6πRη ≈ 24 . CD ρA/2 ρR

For¸cas de resistˆ encia e lei da in´ ercia

As for¸cas de resistência de fluidos ao movimento de s´ olidos têm uma consequência curiosa. Se for aplicada uma for¸ca externa a um corpo em repouso no seio de um fluido, o corpo acelera de acordo com a segunda lei de Newton: a sua velocidade aumenta. Mas a for¸ca de resistência do fluido aumenta também, pois depende da velocidade, até que acaba por atingir o valor a for¸ca externa: a partir dessa altura o corpo passa a ter movimento uniforme (~v constante). Se retirarmos a for¸ca externa a for¸ca de resistência do fluido faz diminuir a velocidade até zero. Ou seja, se ignorarmos a for¸ ca de resistˆ encia do fluido, conclu´ımos que para ter movimento uniforme temos que ter uma for¸ca externa e que sem for¸ca externa a velocidade decai para zero. Era isto, precisamente, que acreditava Aristóteles! Pudera, vivemos dentro de um fluido, o ar! Foram precisos os génios de Galileu e de Newton para perceber que, para descobrir a verdade, era necessário imaginarmos os corpos subtra´ıdos à influência da atmosfera, de qualquer outro meio e de qualquer outro corpo!

5.4

Respostas aos ET Vs

5.1. ET V 1 : vy = 0 no eixo Ox.

5.4. RESPOSTAS AOS ET VS vx

(a)

−R

(b)

−R

5.2. ET V 2 : Duas linhas que se cruzam têm tangentes com direçc˜ oes diferentes, no ponto de cruzamento. Ora a velocidade de um fluido num dado ponto s´ o pode ser uma, n˜ ao pode tomar dois valores distintos. Se as linhas de corrente disserem respeito a instantes diferentes, as suas tangentes no ponto de cruzamento d˜ ao as direçcões das velocidades do fluido em instantes diferentes. Logo, podem perfeitamente cruzar-se. 5.3. ET V 3 : O caudal é 10 × 10−3 = 2,22 × 10−4 m3 s−1 . 45 Como Q = vA, temos Q=

2,22 × 10−4 Q = = 0,71 m s−1 . A 3,14 × 10−4

5.4. ET V 4 : Sendo a velocidade interior vi = 0 m s−1 e a exterior ve = 200/3,6 = 56 m s−1 , a diferen¸ca de pressões é 1 Pi − Pe = ρve2 . 2 A massa vol´ umica do ar é ρ = 1,3 kg m−3 o que d´ a, Pi − Pe = 2,01 × 103 Pa. Numa ´ area de 104 m2 a for¸ca total seria, F = (Pi − Pe ) × 104 = 2,01 × 107 N, ou seja, mais de 20 milh˜ oes de Newton, o que corresponde ao peso de quase 2000 toneladas. 5.5. ET V 5 : γS tem unidades N/(m s−1 ) = N m−1 s. Logo a viscosidade η = γS /(6πR) tem unidades N m−2 s = Pa s.

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

5.5

Actividades quest˜ oes e problemas

5.5.1

Actividades

5.1. Visualiza¸ c˜ ao e coment´ ario de duas anima¸ co ˜es de movimentos de fluidos. Ver ficha de Actividade A39. 5.2. Ilustra¸ co ˜es experimentais do teorema de Bernoulli Ver ficha de Actividade A40. 5.3. Medi¸ c˜ ao da viscosidade de um l´ıquido. Ver ficha de Actividade A41.

5.5.2 Figura 5.14: Uma linha de corrente?

Figura 5.15: Um escoamento num canal.

Quest˜ oes

5.1. A figura 5.14 pode representar uma linha de corrente de um escoamento? E a trajectória de uma part´ıcula de fluido? 5.2. A figura 5.15 mostra o campo de velocidade de um escoamento num canal. Mesmo na margem a velocidade é zero. Suponhamos que colocamos na água um linha de b´ oias dispostas perpendicularmente à margem. (a) Como se altera a posi¸cão das b´ oias com o tempo? Continuam a definir uma linha recta perpendicular à margem? 5.3. Se observarmos o escoamento de água de uma torneira, notamos que o fio de água é mais estreito em baixo do que à sa´ıda da torneira. (a) Porquê? (b) E se a água for expelida para cima, por exemplo com uma mangueira, o diˆ ametro do jacto aumenta ou diminui com a altura? Porquê?

Figura 5.16: Qual ´e a velocidade de sa´ıda do l´ıquido?

5.4. A ´ area do bico da seringa da figura 5.16 é dez vezes inferior a´ ` area da seçcão mais larga de seringa. (a) Se deslocarmos o êmbolo a uma velocidade de 1 cm s−1 , com que velocidade sai o fluido no bico?

˜ 5.5. ACTIVIDADES QUESTOES E PROBLEMAS

11111111111111 00000000000000

5.5. A pressão na superf´ıcie de um l´ıquido exposto ao ar é a pressão atmosférica. Isso significa que a pressão de água no furo do balde da figura 5.17 é a mesma que à superf´ıcie do l´ıquido.

17: Qual ´e a e de sa´ıda de orif´ıcio?

(a) Ser´ a que isto contradiz o princ´ıpio fundamental da hidrostática? (b) Qual é a velocidade do l´ıquido à sa´ıda do orif´ıcio? (Se a ´ area do balde foi muito superior à área do orif´ıcio, a velocidade ` a superf´ıcie pode ser considerada pr´ oxima de zero). 5.6. Quando um para-quedista abre o para-quedas, a sua velocidade de queda diminui. Supondo que a for¸ca de resistência do ar é dada pela express˜ ao de Newton, que factor foi alterado para diminuir a velocidade?

5.5.3

Problemas

5.1. O orif´ıcio do balde da figura 5.17 tem um diˆ ametro de 5 mm e est´ a a uma profundidade h = 40 cm. (a) Qual é o caudal de ´ agua que sai do orif´ıcio? (b) Se o diˆ ametro do balde for de 45 cm, quanto tempo passaria até esvaziar o balde até à altura do orif´ıcio, se este caudal se mantivesse? (c) O balde demora mais, menos, ou o mesmo tempo a esvaziar até ao orif´ıcio do que o foi calculado na al´ınea anterior? v

5.2. O diˆ ametro do bico da seringa da figura 5.16 é 1,5 mm e a sua área dez vezes inferior ` a da seçcão mais larga da seringa. (a) Se pudermos aplicar o teorema de Bernoulli, que for¸ca é necessário aplicar ao êmbolo para o deslocar a uma velocidade de 1 cm s−1 ? 5.3. O compressor representado na figura 5.18 mantém à superf´ıcie do l´ıquido (´ agua) uma pressão, P , superior à pressão atmosférica, P0 . A altura h = 2 m e supomos que s˜ ao nulos os efeitos de viscosidade da água. (a) Que valor de P −P0 é necessário para que a água chegue ao topo do tubo?

h P

compressor

1111111111111111111111 0000000000000000000000 0000000000000000000000 1111111111111111111111 Figura 5.18: Que press˜ ao ´e necess´aria para ter um repuxo?

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO (b) Para P − P0 = P0 a que velocidade sai a ´agua na base do repuxo?

5.4. A lei de Stokes para o movimento de uma esfera num fluido, ~ = −6πRη~v F s´ o ´e valida se a velocidade for suficientemente baixa para que v≪

η . ρR

(5.4)

(a) Calcular a velocidade terminal de uma gota de chuva de diˆ ametro 1 mm, assumindo a lei de Stokes. (b) Verificar se a condi¸cão de validade da lei de Stokes é satisfeita. (c) Calcular a velocidade terminal da gota no regime de Newton (for¸ca proporcional a v 2 ) 5.5. Uma esfera de a¸co com R = 1 mm cai com velocidade uniforme, v = 10 cm s−1 , num óleo de massa vol´ umica ρ = 3 −3 0,9 × 10 kg m . (a) Calcular a potência dissipada pelas for¸cas de viscosidade do l´ıquido. 5.6. Uma para-quedista n˜ ao pode atingir o solo com uma velocidade superior a 5 m s−1 . Assumindo a validade do regime de Newton para a for¸ca de resistência do ar, calcular a área que o p´ ara-quedas deve ter para uma para-quedista com m = 70 kg. Assumir CD = 2. 5.7. Um estudante, ao realizar a actividade 5.3, obteve os seguintes valores para os tempos de queda de uma esfera de a¸co, com R = 1 mm, em fun¸cão da distˆ ancia: h/cm

t/s

4,4

8,7

17,5

26,1

34,7

˜ 5.5. ACTIVIDADES QUESTOES E PROBLEMAS

(a) Para calcular a velocidade terminal, o estudante fez um gr´ afico e calculou um declive: que gr´ afico fez e qual foi o valor da velocidade terminal que obteve? (b) Ao calcular a viscosidade da glicerina esqueceu-se de levar em conta a impulsão. Que valor obteve para η? (c) Que valor se obtém para η, correctamente, a partir destes dados? (d) O movimento est´ a dentro das condi¸cões de validade do regime de Stokes? (ρa¸co = 7,9 × 103 kg m−3 ; ρglic = 1,3 × 103 kg m−3 )

CAP´ITULO 5. FLUIDOS EM MOVIMENTO

Conte´ udo Ficha T´ecnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Fluidos em movimento 5.1

2 5

Velocidade num fluido . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1.1

O conceito de campo . . . . . . . . . . . . .

Teorema de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.1

Caudal e velocidade . . . . . . . . . . . . .

5.2.2

Velocidade e linhas de corrente . . . . . . .

Viscosidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3.1

Dissipa¸c˜ ao em l´ıquidos . . . . . . . . . . . .

5.3.2

For¸cas de resistˆencia ao movimento num fluido 15

5.3.3

For¸cas de resistˆencia e lei da in´ercia . . . .

5.4

Respostas aos ET Vs . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5

Actividades quest˜ oes e problemas . . . . . . . . . .

5.5.1

Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.2

Quest˜oes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.3

Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

5.3