Introdução à Mecânica dos Fluidos e Viscosidade

MECÂNICA DOS FLUIDOS A mecânica dos fluidos trata do comportamento dos fluidos em repouso ou em movimento e das leis que regem este comportamento São áreas de atuação da mecânica dos fluidos Ação de fluidos sobre superfícies submersas ex barragens Equilíbrio de corpos flutuantes ex embarcações Ação do vento sobre construções civis Estudos de lubrificação Transporte de sólidos por via pneumática ou hidráulica ex elevadores hidráulicos Cálculo de instalações hidráulicas ex instalação de recalque Cálculo de máquinas hidráulicas ex bombas e turbinas Instalações de vapor ex caldeiras Ação de fluidos sobre veículos Aerodinâmica O conceito de fluidos envolve líquidos e gases logo é necessário distinguir estas duas classes Líquidos é aquela substância que adquire a forma do recipiente que a contém possuindo volume definido e é praticamente incompressível Já o gás é uma substância que ao preencher o recipiente não formar superfície livre e não tem volume definido além de serem compressíveis Fluido pode ser definido como uma substância que se deforma continuamente isto é escoa sob ação de uma força tangencial por menor que ele seja VISCOSIDADE É a propriedade física de um fluido que exprime sua resistência ao cisalhamento interno isto é a qualquer força que tenda a produzir o escoamento entre suas camadas A viscosidade tem uma importante influência no fenômeno do escoamento notadamente nas perdas de pressão dos fluidos A magnitude do efeito depende principalmente da temperatura e da natureza do fluido Assim qualquer valor indicado para a viscosidade de um fluido deve sempre informar a temperatura bem como a unidade que a mesma é expressa Notar que nos líquidos a viscosidade diminui com o aumento da temperatura Lei de Newton Newton descobriu que em muitos fluidos a tensão de cisalhamento é proporcional ao gradiente de velocidade chegando a seguinte formulação Os fluidos que obedecem a esta lei são os chamados fluidos Newtonianos e os que não obedecem são os chamados não Newtonianos A maioria dos fluidos que são de nosso interesse tais como água vários óleos etc comportamse de forma a obedecer a essa lei Viscosidade dinâmica ou absoluta A viscosidade dinâmica ou absoluta exprime a medida das forças internas de atrito do fluido e é justamente o coeficiente de proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento e o gradiente de velocidade da Lei de Newton O símbolo normalmente utilizado para indicála é a letra µ As unidades mais usuais são o centiPoise cP o Poise 981P 1 kgfsm o Pascal segundo 1 Pas 1Nsm SI Viscosidade cinemática É definida como o quociente entre a viscosidade dinâmica e a massa específica ou seja As unidades mais usuais são o centiStoke cSt o Stoke 1St 1cm s om s SI CLASSIFICAÇÃO DE FLUIDOS Newtonianos e nãonewtonianos Os fluidos que obedecem à equação de proporcionalidade lei de Newton ou seja ocorre uma relação linear entre o valor da tensão de cisalhamento aplicada e a velocidade de deformação resultante quer dizer o coeficiente de viscosidade dinâmica μ constante são denominados fluidos newtonianos incluindose a água líquidos finos assemelhados e os gases de maneira geral Os fluidos que não seguem esta equação de proporcionalidade são denominados fluidos nãonewtonianos e são muito encontrados nos problemas reais de engenharia civil como exemplos citamse lamas e lodos em geral Neste tipo de fluido não ocorre uma relação linear entre o valor da tensão de cisalhamento aplicada e a velocidade de deformação angular AZEVEDO NETTO 2007 Encontramse divididos em três tipos 1 a viscosidade não varia com o estado de agitação obedecem a uma lei semelhante e neste caso o coeficiente de viscosidade cinemática μ está elevado a uma potência 2 os tixotrópicos em que a viscosidade cai com o aumento da agitação Quando em bombeamento podem ser tratados como fluidos newtonianos ex lodos adensados de estações de tratamento de esgoto e 3 os dilatantes em que a viscosidade aumenta com o aumento da agitação ex melado da cana de açúcar Fluidos Perfeitos É definido como aquele fluido que em repouso goza da propriedade de isotropia isto é em torno de um ponto os esforços são iguais em todas as direções São considerados fluidos incompressíveis características essas que reforçam o conceito de fluido perfeito no qual a densidade é uma constante e existe o estado isotrópico de tensões em condições de movimento Na prática o fluido perfeito não existe ou seja na natureza sendo portanto uma abstração teórica mas em um grande número de casos tal consideração tornase prática quando por exemplo assumimos a água como fluido perfeito para efeito de cálculos expeditos ESCOAMENTO Regime permanente Dizse que um escoamento se dá em regime permanente quando as condições do fluido tais como temperatura peso específico velocidade pressão etc são invariáveis em relação ao tempo Regime laminar É aquele no qual os filetes líquidos são paralelos entre si e as velocidades em cada ponto são constantes em módulo e direção Regime turbulento É aquele no qual as partículas apresentam movimentos variáveis com diferentes velocidades em módulo e direção de um ponto para outro e no mesmo ponto de um instante para outro Experiência de Reynolds Osborne Reynolds em 1833 realizou diversas experiências onde pode visualizar os tipos de escoamentos Deixando a água escorrer pelo tubo transparente juntamente com o líquido colorido formase um filete desse líquido O movimento da água está em regime laminar Aumentando a vazão da água abrindose a válvula nota se que o filete vai se alterando podendo chegar a difundirse na massa líquida nesse caso o movimento está em regime turbulento Estes regimes foram identificados por um número adimensional Limites do número de Reynolds para tubos Note que o número de Reynolds é um número adimensional independendo portanto do sistema de unidades adotado desde que coerente De uma forma geral na prática o escoamento se dá em regime turbulento exceção feita a escoamentos com velocidades muito reduzidas ou fluidos de alta viscosidade