Entendendo a mecânica dos fluidos

A mecânica dos fluidos é um amplo estudo do comportamento dos fluidos (líquidos, gases, sangue e plasmas) em repouso e em movimento. Tem uma ampla gama de aplicações hoje, este campo inclui engenharia mecânica e química, sistemas biológicos e astrofísica. A mecânica dos fluidos estuda particularmente as forças que o fluido produz.

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, ramos, propriedades, histórico da mecânica dos fluidos. Você também será exposto ao seguinte:

• Mecânica de fluidos com mecânica contínua.
• Líquidos inviscosos e viscosos.
• Fluidos newtonianos versus não newtonianos. A equação do fluido newtoniano também será discutida.

O que é mecânica dos fluidos?

A mecânica dos fluidos pode ser definida como o estudo do comportamento de líquidos e gases, principalmente as forças que eles produzem. Assim como mencionado na introdução, a mecânica dos fluidos é o estudo dos fluidos em repouso (estática dos fluidos) e em movimento (dinâmica dos fluidos). Também pode ser definido como uma substância que se deforma continuamente (flui) sob tensão de cisalhamento aplicada. Ele se deforma independentemente da magnitude da tensão aplicada.

Líquidos, gases, plasmas e, até certo ponto, sólidos plásticos podem ser um bom exemplo de fluidos. Um fluido não oferecerá resistência interna para mudar de forma e eles devem assumir a forma de seus recipientes.

A imagem acima mostra o comportamento de líquidos, gases e plasma em um recipiente.

A maioria das disciplinas científicas tem demonstrado interesse em mecânica dos fluidos. Por exemplo, os físicos estudam o fluxo de gases de temperatura extremamente alta através de campos magnéticos. Isso ocorre na busca de um método aceitável de aproveitamento da energia das reações de fusão nuclear. Os engenheiros mostraram interesse na mecânica dos fluidos por causa das forças que são produzidas pelo fluido que é usado para fins práticos. Alguns exemplos incluem projeto de aerofólio, propulsão a jato, turbinas eólicas e freios hidráulicos. Isso é explicado mais adiante.

Você deve entender que a mecânica dos fluidos é o estudo dos fluidos em repouso e em movimento. Um fluido pode ser definido como um material que se deforma continuamente sob uma carga constante. Cinemática, tensão, conservação, reguladora e constitutiva são os cinco termos importantes que são úteis em problemas de mecânica dos fluidos. Bem, esses problemas podem variar dependendo da escolha do sistema de interesse e do volume de interesse, que regem a simplificação de quantidades vetoriais.

Antecedentes históricos da mecânica dos fluidos

A mecânica dos fluidos desempenhou um papel muito vital na vida humana e continuará a ter esse efeito. É por isso que atraiu muitos curiosos. Na história da Grécia antiga, foram realizados trabalhos teóricos sistemáticos sobre essa questão. No dia 16 século, o desenvolvimento de equações governantes de fluxo de fluido começou. No dia 18 e 19 ^º séculos, as leis de conservação de massa, momento e energia eram conhecidas em sua forma mais geral. No dia 20 século, os desenvolvimentos foram em forma teórica, experimental e, recentemente, numérica. Soluções das equações governantes para casos especiais foram fornecidas no campo teórico. Os métodos experimentais têm sido empregados para medir velocidades de escoamento e propriedades de fluidos. Usando computadores, o tratamento numérico de problemas de mecânica dos fluidos abriu novas perspectivas na pesquisa. A crença comum no século 21 é que as atividades serão mais intensas no desenvolvimento de novas ferramentas experimentais e numéricas. Além disso, a aplicação dos mesmos para o desenvolvimento de novas tecnologias.

Aplicações da mecânica dos fluidos

Com a grande maioria das observações hoje, a vida teria sido impossível sem fluidos. Ou seja, a atmosfera e os oceanos que cobrem o planeta são fluidos. A mecânica dos fluidos serve a propósitos científicos e práticos ilimitados. Atrai quase todos os campos de especialização, embora seja descrito por uma teoria de campo não linear e também porque os fenômenos de fluidos são facilmente observados. Assim, as aplicações da mecânica dos fluidos incluem esse conhecimento, incluindo matemáticos, físicos, biólogos, geólogos, oceanógrafos, cientistas atmosféricos e quase todos os tipos de engenharia. Atualmente, os artistas são atraídos para estudar, aproveitar e explorar a mecânica dos fluidos. Isso é usado para criar e testar técnicas formais e computacionais para entender melhor o mundo natural. Também tenta melhorar a condição humana.

A aplicação da mecânica dos fluidos envolve transporte, processamento e fabricação de materiais, geração e conversão de energia, infraestrutura civil e produção de alimentos.

Principais ramos da mecânica dos fluidos

Abaixo estão os dois principais ramos da mecânica dos fluidos:

Estática do fluido:

Este ramo da mecânica dos fluidos também é conhecido como hidrostática. É um estudo de fluidos em repouso e abrange o estudo das condições sob as quais os fluidos estão em repouso em equilíbrio estável. A mecânica dos fluidos hidrostática mostra explicações físicas para muitos fenômenos da vida cotidiana. Isso inclui a razão pela qual a pressão atmosférica muda com a altitude, por que madeira e óleo flutuam na água e por que a superfície da água está sempre nivelada, independentemente da forma de seu recipiente.

A hidrostática é a base da hidráulica, transporte, uso de fluidos e engenharia de equipamentos para armazenamento. Alguns aspectos relevantes da hidrostática incluem geofísica e astrofísica (por exemplo, entender as placas tectônicas e anomalias no campo gravitacional da Terra), meteorologia, medicina em um aspecto da pressão arterial e muitas outras áreas de especialização.

Dinâmica de fluidos:

A dinâmica dos fluidos é uma subdisciplina da mecânica dos fluidos, lidando com o fluxo de fluidos. Essa é a ciência dos líquidos e gases em movimento. Ele oferece uma estrutura sistemática que revela essas disciplinas práticas, que abrange leis empíricas e semi-empíricas derivadas da medição de vazão e usadas para resolver problemas práticos. O problema da dinâmica dos fluidos já foi resolvido. Isso envolve o cálculo de várias propriedades do fluido, como pressão, densidade, velocidade e temperatura, em função do espaço e do tempo. Este ramo da mecânica dos fluidos possui várias subdisciplinas próprias, como a aerodinâmica, que é o estudo do ar e outros gases em movimento. A hidrodinâmica é outra subdisciplina, que é o estudo do líquido em movimento.

Assim como mencionado anteriormente nas aplicações de dinâmica de fluidos, possui uma ampla gama de aplicações, incluindo cálculo de força e movimento em aeronaves. Ele também determina a taxa de fluxo de massa de petróleo através de um oleoduto, prevendo padrões climáticos em evolução, entendendo nebulosas no espaço interestelar e modelando explosões. Finalmente, alguns princípios de dinâmica de fluidos são usados ​​em engenharia de tráfego e dinâmica de multidões.

Princípios básicos de fluidos

Os fluidos são compostos de moléculas discretas; essas moléculas são tão pequenas e exceto em gases a pressões muito baixas. O número de moléculas por mililitro é tão grande que elas precisam ser vistas como entidades individuais. Em um líquido, conhecido como cristais líquidos, as moléculas são agrupadas de uma maneira que torna as propriedades do meio localmente anisotrópicas. No entanto, a maioria dos fluidos, incluindo ar e água, são isotrópicos.

Na mecânica dos fluidos, o estado dos fluidos anisotrópicos é descrito definindo sua massa média por unidade de volume, ou densidade (p), temperatura (T) e sua velocidade (V) em cada ponto no espaço. Além disso, a conexão é entre essas propriedades macroscópicas e as posições e velocidades de moléculas individuais, não tendo uso direto.

A diferença entre gases e líquidos é muito mais fácil de perceber do que descrever. Mas isso ainda precisa ser examinado. As moléculas estão suficientemente afastadas para se moverem quase independentemente umas das outras nos gases. Os gases tendem a se expandir para preencher qualquer volume disponível para eles. Por outro lado, as moléculas líquidas estão mais ou menos em contato e são coesas devido às forças atrativas de curto alcance entre elas. As moléculas estão se movendo muito rápido para se estabelecerem nos arranjos ordenados que são característicos dos sólidos. Mesmo assim, eles não podem voar separados.

No entanto, o líquido pode existir como gotas ou como jatos com superfícies livres. Eles podem até sentar em béqueres restritos apenas pela gravidade, de uma forma que as amostras de gás não podem. Essas amostras podem evaporar com o tempo, à medida que suas moléculas pegam com velocidade suficiente para escapar pela superfície livre e não são substituídas. A vida útil das gotas e jatos líquidos é normalmente longa o suficiente para que a evaporação seja ignorada.

Relação da mecânica dos fluidos com a mecânica do contínuo

A mecânica dos fluidos é uma subdisciplina da mecânica do contínuo. Abaixo está a lista de subdisciplinas relativas a este campo.

Mecânica de fluidos – este é o estudo da física de materiais contínuos que se deformam quando submetidos a uma força.

Mecânica contínua – o estudo da física de materiais contínuos.

Mecânica sólida – o estudo da física de materiais contínuos com uma forma de repouso definida.

Reologia – o estudo de materiais com características sólidas e fluidas.

Elasticidade – descreve materiais que retornam à sua forma de repouso após a remoção das tensões aplicadas.

Plasticidade – descreve que se deformam permanentemente após um esforço aplicado suficiente.

Fluidos não newtonianos – não sofrem taxas de deformação proporcionais à tensão de cisalhamento aplicada.

Fluidos newtonianos – sofrem taxas de deformação proporcionais à tensão de cisalhamento aplicada. Isso será explicado mais adiante.

Mecanicamente, o fluido não suporta tensão de cisalhamento, e é por isso que em repouso ele tem a forma do recipiente que o contém. Um fluido em repouso não tem tensão de cisalhamento.

Assista ao vídeo para saber mais sobre mecânica dos fluidos:

Líquidos invisíveis e viscosos

Um fluido não viscoso não tem viscosidade, é uma idealização. Essa facilita o tratamento matemático. Um fluxo puro invíscido é realizado no caso de superfluidez. Caso contrário, os fluidos são geralmente viscosos. A matemática de um sistema mecânico de fluidos pode ser tratada assumindo que o fluido fora das camadas limite é invíscido. A solução deve ser combinada com a de uma camada limite laminar fina.

Fluidos newtonianos e não newtonianos

O fluido newtoniano recebeu o nome de Isaac Newton. É definido como o fluido cuja tensão de cisalhamento é linearmente proporcional ao gradiente de velocidade na direção perpendicular ao plano de cisalhamento. O que significa que, independentemente da força atuante em um fluido, ele continua a fluir. A água é um bom exemplo de fluido newtoniano porque continua a mostrar propriedades de fluido, independentemente de quanto é agitado ou misturado.

Um bom exemplo é o arrasto de um pequeno objeto sendo movido lentamente pelo fluido proporcional à força aplicada ao objeto. Fluidos importantes como a água e a maioria dos gases se comportam com boa aproximação como um fluido newtoniano sob condições normais.

Por outro lado, um fluido não newtoniano pode deixar um buraco quando agitado. Isso será preenchido gradualmente ao longo do tempo, pois pode ocorrer em materiais como pudim e oobleck. A agitação de um fluido não newtoniano pode diminuir a velocidade do fluido, o que o faz parecer mais fino. Existem vários tipos de fluidos não newtonianos por aí. Eles podem ser definidos como algo que não obedece a uma determinada propriedade. Por exemplo, quase todos os fluidos com longas cadeias moleculares podem reagir de maneira não newtoniana.

Conclusão

Isso é tudo para este post sobre mecânica dos fluidos, onde damos sua definição, antecedentes históricos, aplicações, ramos, princípios e sua relação com a mecânica do contínuo.

Espero que você aproveite muito este artigo, se assim for, compartilhe-o com outros alunos. Obrigado por ler. Vejo você na próxima vez!