Mecânica dos Fluidos: Princípios, Aplicações e Impacto

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. O estudo da mecânica dos fluidos foca particularmente nas forças que o fluido produz.

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

• Mecânica dos fluidos com mecânica do contínuo.
• Fluidos invíscidos 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, especialmente as forças que eles produzem. Como mencionado na introdução, a mecânica dos fluidos é o estudo de fluidos em repouso (estática dos fluidos) e em movimento (dinâmica dos fluidos). Também pode ser definida como uma substância que se deforma continuamente (flui) sob tensão de cisalhamento aplicada. Deforma-se independentemente da magnitude da tensão aplicada.

Líquidos, gases, plasmas e, até certo ponto, sólidos plásticos podem ser bons exemplos de fluidos. Um fluido não oferece resistência interna à mudança de forma e deve 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 demonstrou interesse na mecânica dos fluidos. Por exemplo, físicos estudam o fluxo de gases de temperatura extremamente alta através de campos magnéticos. Isso ocorre na busca por um método aceitável de aproveitar a energia de reações de fusão nuclear. Engenheiros demonstraram interesse na mecânica dos fluidos devido às forças produzidas pelo fluido, usadas para fins práticos. Alguns exemplos incluem design 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 de fluidos em repouso e em movimento. Um fluido pode ser definido como um material que se deforma continuamente sob carga constante. Cinemática, tensão, conservação, regulação e constitutivas são os cinco termos importantes 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 governam a simplificação de quantidades vetoriais.

Histórico da mecânica dos fluidos

A mecânica dos fluidos desempenhou um papel vital na vida humana e continuará a ter este efeito. É por isso que atraiu muitas pessoas curiosas. Na história grega antiga, trabalhos teóricos sistemáticos foram realizados sobre este tema. No século 16, o desenvolvimento de equações governantes do escoamento de fluido começou. Nos séculos 18 e 19, as leis de conservação para massa, momento e energia foram conhecidas em sua forma mais geral. No século 20, os desenvolvimentos foram teóricos, experimentais e recentemente numéricos. Soluções das equações governantes para casos especiais foram fornecidas no campo teórico. Métodos experimentais foram empregados para medir velocidades de escoamento e propriedades dos 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 intensivas no desenvolvimento de novas ferramentas experimentais e numéricas. Também, aplicação dessas para desenvolver novas tecnologias.

Aplicações da mecânica dos fluidos

Com a vasta observação majoritária hoje, a vida teria sido impossível sem fluidos. Isso significa que a atmosfera e oceanos cobrindo o planeta são fluidos. A mecânica dos fluidos serve a propósitos científicos e práticos ilimitados. Atrai quase todos os campos de especialização, embora seja descrita por uma teoria de campo não linear e também porque fenômenos de fluidos são prontamente observados. Assim, as aplicações da mecânica dos fluidos incluem esta especialização incluindo matemáticos, físicos, biólogos, geólogos, oceanógrafos, cientistas atmosféricos e quase todos os tipos de engenharia. Hoje em dia, artistas têm sido atraídos para estudar, aproveitar e explorar a mecânica dos fluidos. Isso é usado para criar e testar técnicas formais e computacionais para melhor entender o mundo natural. Também tenta melhorar a condição humana.

A aplicação da mecânica dos fluidos envolve transporte, processamento de materiais e manufatura, 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 dos fluidos:

Este ramo da mecânica dos fluidos também é conhecido como hidrostática. É o estudo de fluidos em repouso e abrange o estudo das condições sob as quais os fluidos estão em repouso em equilíbrio estável. A 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 para hidráulica, transporte, uso de fluido e engenharia de equipamentos para armazenamento. Alguns aspectos relevantes da hidrostática incluem geofísica e astrofísica (por exemplo, compreensão de tectônica de placas e anomalias no campo gravitacional da Terra), meteorologia, medicina no aspecto de pressão arterial, e muitas outras áreas de especialização.

Dinâmica dos fluidos:

Dinâmica dos fluidos é uma subdisciplina na mecânica dos fluidos, lidando com escoamento de fluido. É a ciência de líquidos e gases em movimento. Oferece uma estrutura sistemática que revela estas disciplinas práticas, que abrangem leis empíricas e semi-empíricas derivadas de medição de escoamento e usadas para resolver problemas práticos. O problema da dinâmica dos fluidos já foi resolvido. Estes envolvem calcular várias propriedades do fluido, como pressão, densidade, velocidade e temperatura, como função do espaço e tempo. Este ramo da mecânica dos fluidos tem várias subdisciplinas, como aerodinâmica, que é o estudo do ar e outros gases em movimento. Hidrodinâmica é outra subdisciplina, que é o estudo de líquidos em movimento.

Como mencionado anteriormente nas aplicações da dinâmica dos fluidos, tem uma ampla gama de aplicações, incluindo cálculo de força e movimento em aeronaves. Também determina a taxa de fluxo de massa de petróleo através de um oleoduto, previsão de padrões climáticos em evolução, compreensão de nebulosas no espaço interestelar e modelagem de explosões. Finalmente, alguns princípios de dinâmica dos fluidos são usados em engenharia de tráfego e dinâmica de multidões.

Princípios básicos dos fluidos

Fluidos são compostos de moléculas discretas; estas moléculas são tão pequenas e, exceto em gases em pressões muito baixas. O número de moléculas por mililitro é tão enorme que precisam ser vistas como entidades individuais. Em um líquido, conhecido como cristais líquidos, as moléculas são empacotadas de uma forma 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 de 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 estas propriedades macroscópicas e as posições e velocidades de moléculas individuais, não tendo uso direto.

A diferença entre gases e líquidos é muito fácil de perceber do que descrever. Mas isso ainda tem que ser examinado. Moléculas estão suficientemente distantes para mover-se quase independentemente umas das outras em gases. Gases tendem a expandir para preencher qualquer volume disponível a eles. Por outro lado, moléculas de líquido estão mais ou menos em contato e coesão devido às forças atrativas de curto alcance entre elas. As moléculas estão se movendo rápido demais para se estabelecerem nos arranjos ordenados característicos de sólidos. Mesmo assim, não podem voar para longe.

Embora líquido possa existir como gotas ou jatos com superfícies livres. Podem até ficar em béqueres limitados apenas pela gravidade, de uma forma que amostras de gás não podem. Tais amostras podem evaporar com o tempo à medida que suas moléculas adquirem velocidade suficiente para escapar através da superfície livre e não são substituídas. A vida útil de gotas e jatos de líquido 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 concernentes a este campo.

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

Mecânica do contínuo – o estudo da física de materiais contínuos.

Mecânica dos sólidos – o estudo da física de materiais contínuos com forma de repouso definida.

Reologia – o estudo de materiais com características tanto sólidas quanto fluidas.

Elasticidade – descreve materiais que retornam à sua forma de repouso após tensões aplicadas serem removidas.

Plasticidade – descreve materiais que se deformam permanentemente após tensão aplicada 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, fluido não suporta tensão de cisalhamento, por isso em repouso tem a forma de seu recipiente contenedor. Um fluido em repouso não tem tensão de cisalhamento.

Assista ao vídeo para saber mais sobre mecânica dos fluidos:

Fluidos invíscidos e viscosos

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

Fluidos newtonianos e não-newtonianos

O fluido newtoniano é nomeado após 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. Significa que, independentemente da força atuante sobre um fluido, ele continua a fluir. 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 movido lentamente através do fluido é proporcional à força aplicada ao objeto. Fluidos importantes como água e a maioria dos gases se comportam com boa aproximação como fluido newtoniano sob condições normais.

Por outro lado, um fluido não-newtoniano pode deixar um buraco quando agitado. Isso preencherá gradualmente ao longo do tempo, como pode ocorrer em materiais como pudim e oobleck. Agitar um fluido não-newtoniano pode diminuir a velocidade do fluido, fazendo-o parecer mais fino. Existem vários tipos de fluidos não-newtonianos. Podem ser definidos como algo que falha em obedecer a uma propriedade particular. Por exemplo, quase todos os fluidos com longas cadeias moleculares podem reagir de forma não-newtoniana.

Conclusão

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

Espero que tenha obtido muito deste artigo; se sim, compartilhe com outros estudantes. Obrigado por ler. Até a próxima!