mecânica dos fluidos - Universidade Federal de Campina Grande

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar
Unidade Acadêmica de Ciências e Tecnologia Ambiental
Fenômenos de Transporte I
Aula teórica 01
Professora: Érica Cristine ([email protected] )
Curso: Engenharia Ambiental e de Alimentos
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Introdução à Fenômenos de Transporte e
à Mecânica dos Fluidos
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Fenômenos de Transporte
 Estuda transferência de grandezas físicas entre dois
pontos do espaços
 Transporte de momento  Dinâmica dos fluidos
 Transporte de energia  Transferência de calor
 Transporte de massa  Transferência de massa
Por que são
estudados
juntos?
Seguem princípios análogos 
tratamento matemático análogo
Freqüentemente aparecem
juntos em muitas áreas da
indústria, biologia, meio
ambiente, etc
3
Fenômenos de Transporte
É uma disciplina fundamental em
várias áreas da engenharia, em
particular aquelas que envolvem
processos de transformação da
matéria, como engenharia
química, engenharia de materiais
e engenharia de alimentos
(Canedo, 2010)
4
Aplicações na engenharia
 Engenharia sanitária e ambiental
 Difusão de poluentes no ar, na água e no solo
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Aplicações na engenharia
 Engenharia civil e arquitetura
 Base dos estudos de hidráulica e hidrologia
 Conforto térmico em edificações
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Aplicações na engenharia
 Engenharia mecânica
 Processos de usinagem, processos de tratamento
térmico, cálculo de máquinas hidráulicas, transferência
de calor das máquinas térmicas e frigoríficas e
Engenharia aeronáutica
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Aplicações na engenharia
 Engenharia elétrica e eletrônica
 Importante nos cálculos de dissipação de potência, seja
nas máquinas produtoras ou transformadoras de energia
elétrica, seja na otimização do gasto de energia nos
computadores e dispositivos de comunicação
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Aplicações na engenharia
 Engenharia química e de alimentos
 Base das operações unitárias (etapa básica de um
processo, ex.: na produção do leite  homogeneização,
pasteurização, resfriamento e empacotamento)
Transferência de calor,
Transferência de
massa, e escoamento
de fluido
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Ou Seja:
 Nos problemas mais
importantes, tais como:
 Produção de energia
 Produção e conservação de





alimentos
Obtenção de água potável
Poluição
Processamento de minérios
Desenvolvimento industrial
Aplicações da Engenharia à
Medicina
 Sempre aparecem
cálculos de:




Perda de carga
Forças de arraste
Trocas de calor
Troca de substâncias
entre fases
Torna-se importante o
conhecimento global das leis
tratadas no que se denomina
Fenômenos de Transporte.
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O que vamos estudar?
 Fundamentos de mecânica dos fluidos.
Ementa
 Introdução à estática dos fluidos.
 Formulação integral e diferencial das equações de
transporte de massa, energia e quantidade de
movimento.
 Análise dimensional e semelhança.
 Escoamento incompressível de fluidos ideais e
viscosos.
 Regime laminar e turbulento, escoamento interno e
externo.
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O QUE É
MECÂNICA???
O QUE É
FLUIDO?
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MECÂNICA
 Ciência que estuda o equilíbrio e o movimento
de corpos sólidos, líquidos e gasosos, bem
como as causas que provocam este movimento;
 Mecânica dos fluidos  estudo de fluidos em
movimento ou em repouso
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FLUIDO
FLUÍDO
Particípio do verbo fluir
14
Por que estudar
Mecânica dos Fluidos?
O conhecimento e entendimento dos
princípios e conceitos básicos da Mecânica
dos Fluidos são essenciais na análise e
projeto de qualquer sistema no qual um
fluido é o meio atuante
Por que estudar
Mecânica dos Fluidos?
O projeto de todos os meios de transporte requer a
aplicação dos princípios de mecânica dos fluidos:
 as asas de aviões para vôos subsônicos e supersônicos
 máquinas de grande efeito
 aerobarcos
 pistas inclinadas e verticais para decolagem
 cascos de barcos e navios
 projetos de submarinos e automóveis
Por que estudar
Mecânica dos Fluidos?
 Projeto de carros e barcos de corrida (aerodinâmica);
 Sistemas de propulsão para vôos espaciais;
 Sistemas de propulsão para fogos de artifício;
 Projeto de todos os tipos de máquinas de fluxo
incluindo bombas, separadores, compressores e
turbinas;
 Lubrificação;
 Sistemas de aquecimento e refrigeração para residências
particulares e grandes edifícios comerciais;
Exemplo
 O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma (1940)
evidencia as possíveis conseqüências que ocorrem,
quando os princípios básicos dos Fenômenos do
Transprote são negligenciados;
 A ponte suspensa apenas 4 meses depois de ter sido
aberta ao tráfego, foi destruída durante um vendaval;
 Inicialmente, sob a ação do vento, o vão central pôs-se a
vibrar no sentido vertical, passando depois a vibrar
torcionalmente, com as torções ocorrendo em sentido
oposto nas duas metades do vão. Uma hora depois, o vão
central se despedaçava
Ponte de Tacoma vibrando no modo
longitudinal.
Ponte de Tacoma vibrando no modo
torsional.
Exemplo
 O sistema de circulação do sangue no corpo
humano é essencialmente um sistema de
transporte de fluido e como conseqüência o
projeto de corações e pulmões artificiais são
baseados nos princípios da Mecânica dos
Fluidos;
 O posicionamento da vela de um barco para
obter maior rendimento com o vento e a
forma e superfície da bola de golfe para um
melhor desempenho são ditados pelos
mesmos princípios.
Pequena revisão histórica
 O que estimulou o desenvolvimento da ciência na
antiguidade?
 Sistemas de distribuição de água
 Projetos de barcos e navios
 Dispositivos para a guerra (como flechas e lanchas)
Pequena revisão histórica
 Primeiros escritos
 Archimedes – matemático e inventor grego (287 - 212 AC)
Estabeleceu os princípios básicos do empuxo e da flutuação
Pequena revisão histórica
 Romanos – sistemas de distribuição de água entre o
quarto século AC até o período inicial Cristão
 Sextus Julius Frontini– engenheiro romano(40 - 103)
Descreveu detalhadamente estes sistemas
Pequena revisão histórica
 Século XV
 Leonardo da Vinci – Polímata italiano (1452 – 1529)
Descreveu através de esquemas e escritos muitos
fenômenos envolvendo escoamentos
cientista, matemático,
engenheiro, inventor,
anatomista, pintor, escultor,
arquiteto, botânico, poeta e
músico.
 Galileu Galilei – Físico, matemático, astrônomo e filosofo
italiano (1564 - 1642)
Estimulou a experimentação em hidráulica
Pequena revisão histórica
 Séculos XVII a XVIII -> progressos teóricos e
matemáticos
 Isaac Newton (1642 – 1727)
 Daniel Bernoulli (1700 – 1782)
 Leonhard Euler (1707 – 1783)
 Jean le Rond d´Alember (1717 – 1783)
Pequena revisão histórica
 Séculos XIX-> muitas contribuições e refinamentos
Hidrodinâmica
Estudo teórico e
matemático
Hidráulica
Aspectos aplicados e
experimentais
 Século XX
Altamente desenvolvidas 
tentativas de unificação
alemão Ludwig Prantl (1875 – 1973)
Desenvolveu o conceito da camada limite
fluida  base para reunificação 
considerado fundador da mecânica dos
fluidos moderna
A tecnologia da mecânica dos
fluidos continua evoluindo?
 Escoamento em tubulação, força em um represa 
centenas de anos
 MAS  novas áreas de pesquisa em desenvolvimento
A tecnologia da mecanica dos
fluidos continua evoluindo?
 CARENAGEM  otimizar a performance de deslocamento
rápido do veiculo no meio fluido
 Em carros de corrida
 Em aerobarcos
 Em ultraleves
 Em motos
 Rolamentos fluidodinâmicos recentemente utilizados
em aparelhos como o de mp3, tornando-o mais
resistentes a danos, menores e menos ruidosos
A tecnologia da mecanica dos
fluidos continua evoluindo?
 Pequeno avião desenvolvido pelos engenheiros da Flórida
que muda a forma de suas asas durante o vôo
Novos campos de aplicação da
mecânica dos fluidos
 Meio ambiente e energia
 Contenção de derramamento de óleos
 Turbinas eólicas de grande escala
 Geração de energia a partir das ondas do oceano
 Aspectos aerodinâmicos de grandes edificações
 Mecânica dos fluidos de fenômenos atmosféricos como
tornados, furacões, tsunamis
Novos campos de aplicação da
mecânica dos fluidos
 Biomecânica
 Corações, válvulas, e outros órgãos artificiais
 Compreensão da mecânica dos fluidos do sangue
 Líquido sinovial das juntas
 O sistema respiratório
 O sistema circulatório
 O sistema urinário
Novos campos de aplicação da
mecânica dos fluidos
 Esportes
 Projeto de bicicletas e capacetes de bicicletas, esquis,
vestimentas para corrida e natação
Em 2008  17 recordes mundiais
quebrados em um mês, 16 deles por
nadadores com um novo macacão
desenvolvido pela Speedo em parceria com
a NASA, que diminui em 5% o atrito com a
água
Novos campos de aplicação da
mecânica dos fluidos
 Esportes
 A aerodinâmica de bolas de golfe, tênis e futebol
o pesquisador de mecânica dos fluidos da
NASA, Rabi Mehta, comprovou que a bola
dança quando é chutada com força  a
maneira inusitada como a bola é construída
e as ranhuras que cobrem parte de sua
superfície criam um fluxo aerodinâmico
assimétrico ao redor da Jabulani quando ela
ultrapassa a velocidade de 73 Km/h. Como
resultado, a bola sofre pequenas alterações
aleatórias em sua trajetória, suficientes para
desnortear os goleiros.
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Novos campos de aplicação da
mecânica dos fluidos
 Fluidos inteligentes
 Em sistemas de suspensão automotiva para otimizar o
movimento sobre todas as condições do terreno
 Uniformes militares contendo uma camada de fluido que
é “mole” até o combate, quando então pode tornar-se
firme para dar força e proteção ao soldado
 Líquidos de lentes com propriedades parecidas às
humanas para uso em câmaras e telefones celulares
 Microfluidos
 Aplicações extremamente precisas de medicações
Como estudar mecânica dos
fluidos?
LEIA
MUITO
LEIA DE
NOVO
Reflita
EXERCITE!!!!!!
RESOLVA
PROBLEMAS
Como estudar mecânica dos
fluidos?
RESOLVENDO
PROBLEMAS
1. Estabeleça de forma breve a informação dada
2. Identifique aquilo que deve ser encontrado
3. Faça um desenho esquemático
4. Apresente as formulações matemáticas necessárias
5. Relacione as hipóteses simplificadoras apropriadas
6. Complete a análise algebricamente antes de introduzir os
valores numéricos
7. Introduza os valores numéricos (usando um sistema de
unidades consistente)
8. Verifique a resposta e reveja se as hipóteses feitas são
razoáveis
9. Destaque a resposta
Como estudar fenômenos do
transporte (BSL seção 0.4)?
•
Estude sempre com lápis e papel na mão; escreva com detalhe
todos os estágio resumidos no desenvolvimento que se
encontra em textos ou notas
•
Sempre que necessário consulte os textos de matemática para
rever conhecimentos de cálculo que você já estudou
•
Procure sempre um significado físico para todos os resultados
obtidos; crie o hábito de relacionar idéias físicas às equações
matemáticas
•
Pergunte-se sempre se os resultados obtidos são razoáveis. Se
a sua intuição não concordar com algum resultado, é importante
saber o que está errado: o resultado ou a sua intuição
•
Crie o hábito de verificar as dimensões e unidades de todos os
resultados obtidos. Esta é uma maneira muito boa de localizar
erros nos desenvolvimentos matemáticos
ATIVIDADE PARA CASA
ESTUDE:
DEFINIÇÃO DE FLUIDO
HIPÓTESE DO CONTÍNUO
PRÓXIMA AULA!!!
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