Aula 4 - Fluidos na Física II

Aula 4 Cap 14 Fluidos Física II FIS304 1 Prof Oscar Cavichia de Moraes IFQUNIFEI Sala C2228 O que é um fluido Substâncias que apresentam capacidade de fluir ou escoar por não poderem resistir a uma força que é paralela à sua superfície tensão de cisalhamento e sempre assumem o formato do recipiente onde são confinados Fluidos 2 Fluidos Exemplos Líquidos Gases Líquidos e gases são considerados fluidos porque não possuem seus átomos organizados de forma simétrica e rígida formando uma rede cristalina como acontece com os sólidos cristalinos 3 Fluidos Ciclone Trânsito Existem duas grandezas que caracterizam os fluidos massa específica e pressão 4 Hidrogênio 0083 Helio 0164 Neônio 0900 Argônio 1784 Xenônio 588 Nitrogênio 115 Oxigênio 131 fluor 170 ar cntp 121 CO 125 CO2 180 Amônia 682 sangue 1050 benzeno 879 Etanol 789 Argônio liq 1390 Metano 424 Água 1000 Cobre 8920 Prata 10490 Chumbo 11340 Mercúrio 13600 Ouro 19320 nylon 1140 PTFE 1200 Gases Líquidos sólidos sólidos líquidos gases ρ ρ ρ Densidades kgm3 V M ρ Escalamento da densidade x massa atômica 101 H 400 He 5 Líquidos e Gases Tensão hidrostática Pressão Pressão de um fluido P É resultado da força média que as moléculas do fluido exercem sobre as paredes de um recipiente A F P Neste caso a tensão hidrostática sobre a esfera é a pressão do fluido P 6 Líquidos e Gases Tensão hidrostática Pressão A F P P Atenção força é uma grandeza vetorial e pressão é escalar Quando um fluido está em repouso a pressão em um ponto dado deve ser a mesma em qualquer direção 7 Unidades 1 Pa 1 N m2 SI 1 atm 1013 105 Pa 1 atm 1 bar 760 mm Hg 1 atm 147 lbin2 PSI Pressão 8 Exemplo 1 Peso ρarVg 121 42 35 24 98 418 N a b 10 N 51 24 53 101 10 6 5 pA F As dimensões do piso de uma sala são de 35 m por 42 m e a altura das paredes é de 24 m Considere g 98 ms2 a Qual é o peso do ar contido na sala ar 121 kgm3 b Qual é a magnitude da força da atmosfera sobre o chão da sala quando a pressão é de 1 atm 101105 Pa ρ 9 Variação da pressão com a profundidade em um fluido em repouso Medidores de pressão A força devida à pressão sobre um objeto imerso é sempre perpendicular à superfície em cada ponto A pressão em um ponto de um fluido estático só depende da profundidade 10 Variação da pressão pA pΔpA 0 y yΔy bloco imaginário de água 11 A y g pA mg pA F p A p F Δ Δ Δ ρ Massa do bloco imaginário de água m Δ Área do bloco paralela à superfície dágua A Variação da pressão pA pΔpA 0 y y Δy mg Δ 12 F F p ΔpA pA ρAΔyg 0 Como o bloco está em repouso a resultante de forças é nula g dy dp ρ Variação da pressão A y g pA mg pA F p A p F Δ Δ Δ ρ pA pΔpA 0 y y Δy mg Δ g y p Δ Δ ρ 13 gh p gdy p p gdy dp g dy dp h ρ ρ ρ ρ 0 0 0 Consequência imediata Se p0 é modificada como resultado de um efeito externo p é modificada da mesma quantidade Variação da pressão y 0 14 Aplicação Tubo em U y y2 y1 A B pA pB ρg y2 y1 C pC pA 0 p2 p1 ρg y2 y1 gdy dp ρ 15 y D B pB pA C pC pD r1 r2 A po po Tubo em U Dois líquidos imiscíveis Qual é mais denso 16 A pB pA B L d Exemplo 2 Um tubo em U está parcialmente cheio com um líquido de densidade ρ1 Um segundo líquido que não se mistura ao primeiro é colocado num dos ramos do tubo O nível neste ramo fica a uma altura d acima do nível no outro ramo que por sua vez se eleva de uma altura L acima do nível original Determine ρ2 do segundo líquido r1 ρ2 ρ1 17 A pA pB B L d L Um tubo em U está parcialmente cheio com um líquido de densidade ρ1 Um segundo líquido que não se mistura ao primeiro é colocado num dos ramos do tubo O nível neste ramo fica a uma altura d acima do nível no outro ramo que por sua vez se eleva de uma altura L acima do nível original Determine ρ2 do segundo líquido d 2L 2L ρ ρ 1 2 2L ρ g d ρ g2L 2 1 ρ2 ρ1 18 19 Um dos piores desastres ambientais da história dos Estados Unidos o vazamento de petróleo no Golfo do México em 2010 Uma das tentativas de conter o vazamento de óleo no Golfo do México em 2010 foi injetar material denso poço abaixo para contrabalançar a pressão o chamado top kill tentativa frustrada Matar um poço de petróleo top kill p patm ρaguaghagua ρrochaghrocha ppoço patm ρaguaghagua hrocha Pressão sobre o petróleo hipótese de que a rocha pressiona a camada de petróleo Pressão exercida pelo poço cheio de água p ppoço ghrochaρrocha ρagua 0 Vazamento de petróleo Alternativa encher todo o poço com um material mais denso uma espécie de lama água argila e componentes químicos 20 21 Princípio de Pascal Uma das aplicações do princípio está nos sistemas hidráulicos de máquinas e pode ser observado também na mecânica dos sistemas de freios dos automóveis onde um cilindro hidráulico utiliza um óleo para multiplicar forças e atuar sobre as rodas freando o automóvel Princípio de Pascal 1F Prensa hidráulica 2 F 100 1 2 A A 2 2 1 1 2 1 A F A F P P 1 2 1 2 A F A F 22 Pressão x Densidade do ar p g p e z p z 0 0 0 ρ λ λ e z z λ ρ ρ 0 z 23 Empuxo Princípio de Arquimedes O empuxo de um objeto imerso é igual ao peso do líquido deslocado P P T T E 25 p1A p2A 0 y yΔy corpo imerso no líquido A y g p A F p A F 0 1 2 Δ ρ Forças no corpo densidade 0 ρ mg Δ Princípio de Arquimedes A y g p A p F F 0 1 2 Δ ρ 0 ρ y 26 Princípio de Arquimedes E ρVg ˆy 0 yΔy Q ponto Q é o centro de empuxo ou centro de massa do volume deslocado O empuxo é uma força para cima e depende do volume de líquido deslocado pela presença do corpo imerso y P E 28 29 httpswwwyoutubecomwatchvp3O8ALAajis Medidores de pressão Alguns tipos de medidores de pressão existem outros tantos 30 31 Medidor Propriedade Física Barômetro Altura da coluna de mercúrio Manômetro de tubo aberto Diferença de altura do líquido mercúrio no interior Manômetro do tipo Bourdon Curvatura de um tubo flexível Medidor de Membrana Capacitiva Deflexão de uma membrana e alteração da capacitância Medidor à vácuo tipo Pirani Condutividade térmica de um gás função da pressão Medidores de pressão Barômetro de Mercúrio Torricelli Medidores de pressão O barômetro é um aparelho inventado pelo físico Torricelli É mais utilizado para medidas de pressão atmosférica Fazendo uso desse instrumento Torricelli conseguiu obter através de experimentos o valor de 760 mmHg para a pressão atmosférica ao nível do mar 32 Manômetro de tubo aberto mercúrio Medidores de pressão O manômetro de tubo aberto é basicamente um tubo de vidro em forma de U com uma porção líquida no seu interior O prolongamento de um de seus ramos se encontra no interior do recipiente cuja pressão se pretende medir enquanto que a outra fica livre e em contato com a camada atmosférica 33 Medidores de pressão Manômetro tipo Bourdon 34 Medidores de pressão Um medidor de membrana consiste basicamente de uma placa sensora um lado de um capacitor plano isolada do meio por uma membrana sensível A variação da pressão exercida pelo meio na membrana provoca uma deflexação desta em relação à placa sensora Se mantemos o dielétrico constante teremos uma variação da capacitância proporcional à pressão exercida sobre a membrana Medidor de Membrana Capacitiva Barocel 35 Medidores de pressão Fim da aula