O que cobre: as Aulas 08–11 e o Cap. 4 do livro (§4.1–4.7), isto é, as secções §7, §8, §9 e §10 do Resumo MAP1: TTR e continuidade, Teorema de Euler, momento da quantidade de movimento e energia (carga, perdas, máquinas).
⚖️ 7. Conservação da massa e Teorema de Transporte de Reynolds (Aula 08 · §4.1–4.5)
7.1 Sistema material e volume de controlo
Ideia
As leis da Física (massa, Newton, energia) escrevem-se para um sistema material: um conjunto fixo de partículas. Num fluido, seguir sempre as mesmas partículas é impraticável, porque elas espalham-se e misturam-se. A análise integral faz outra coisa: escolhe uma região do espaço, o volume de controlo∀c, e contabiliza o que entra, o que sai e o que se acumula lá dentro (Cardoso et al., §4.1).
É uma terceira via, entre a descrição de Lagrange (seguir partículas) e a de Euler (equações de campo, §5.2).
Vantagem: não é preciso saber o que se passa lá dentro em pormenor; bastam os fluxos na fronteira (Aula 08, sl.3).
Exemplo motivador (sl.4): as condutas e curvas da adução de Castelo do Bode. As forças nas curvas e nos maciços de amarração calculam-se com esta técnica (§8).
Armadilha
O sistema material tem sempre as mesmas partículas, logo tem massa constante. O Vc é uma região do espaço que as partículas atravessam: a massa lá dentro pode variar.
Uma Sc impermeável (parede) não deixa passar massa, mas pode mover-se. Uma superfície livre que desce é uma Sc móvel que contribui para o balanço (§7.3).
Escolher mal o Vc complica tudo. A Sc deve cortar as secções onde se conhecemu e p e deve ser perpendicular ao escoamento nessas secções.
Definições (Cardoso et al., §4.2; Aula 08, sl.5–6)
Sistema material: conjunto selecionado de partículas contíguas, separado do exterior por uma fronteira fechada ou aberta, real ou fictícia.
Volume de controlo∀c: porção do espaço limitada por uma superfície contínua e diferenciável em quase toda a parte, a superfície de controloSc, com o interior totalmente preenchido por um ou mais fluidos.
A Sc pode ser fixa ou móvel; pode coincidir ou não com uma parede sólida; pode ser permeável (aberta, atravessada pelo fluido) ou impermeável (fechada).
Vc fechado: sem transporte de massa através da Sc. Vc isolado: também sem trocas de energia nem de trabalho.
Tipo de Vc
us (velocidade da Sc)
Uso típico
Fixo e indeformável
0
Condutas, curvas, bifurcações em regime permanente
Móvel (translação)
us uniforme
Corpo/defletor em movimento ([[#8.5 Volume de controlo móvel: velocidades relativas
Móvel e deformável
varia na Sc
Reservatório com superfície livre que desce ([[#7.6 Esvaziamento de reservatórios: Vc fixo vs Vc deformável
Passos para escolher o volume de controlo
Identificar as secções de entrada e de saída onde se conhecem (ou se pedem) velocidades, caudais e pressões.
Fazer passar a Sc por essas secções, perpendicular ao escoamento; o resto da Sc segue as paredes (impermeáveis).
Regime permanente (condutas): Vc fixo e indeformável. Numa curva: a curva com pequenos troços retos de cada lado.
Superfície livre variável: ou a Sc acompanha a interface (Vc deformável), ou fica fixa no nível inicial e a água atravessa-a (Vc fixo, Prob 4.1a). Os dois caminhos dão o mesmo resultado.
Desenhar a Sc a tracejado e marcar em cada secção uk e a normal exteriornk.
Quando usar
Sempre que o enunciado diz “técnica do volume de controlo”, “Teorema de Transporte de Reynolds”, ou pede forças globais, caudais ou variações de nível sem pedir o campo de velocidades ponto a ponto.
7.2 Forma geral das leis de conservação: B, b e F_B
Ideia
As três leis de conservação da física newtoniana têm a mesma forma: “a taxa de variação de uma grandeza do sistema material é igual a uma fonte”. Muda só a grandeza e a fonte. Por isso basta um teorema (o TTR, §7.3) para as passar todas para o volume de controlo.
Armadilha
B é extensiva (depende da massa: m, mu, E); b é intensiva (por unidade de massa: 1, u, e). Não confundir b com a densidade por unidade de volumeρb, que é a que aparece dentro dos integrais.
Na massa a fonte é zero; na quantidade de movimento é a soma das forças exteriores.
Massa e energia dão equações escalares; a quantidade de movimento dá uma equação vetorial (3 equações escalares).
Leis de conservação e formulação geral (Cardoso et al., §4.3–4.4.1, eqs. 4.1–4.3; Aula 08, sl.7–8)
DtDm=0,DtD(mu)=∑F,DtDE=dtdQT−dtdWDtDB=DtD∫∀spor unid. de volumeρbd∀=fonteFB
Lei
B (extensiva)
b (intensiva)
FB (fonte)
Massa
m
1
0
Quantidade de movimento
P=mu
u
∑Fext=G+Π
Energia
E
e
Q˙T−W˙
D/Dt é a derivada material (seguindo o sistema, cujo volume ∀s muda com o tempo). QT é o calor recebido e W o trabalho realizado pelo sistema (em J).
7.3 Teorema de Transporte de Reynolds (TTR)
Ideia
O TTR é a ponte entre o mundo de Lagrange (sistema material, onde valem as leis) e o mundo de Euler (volume de controlo, onde se fazem as contas). Diz que a variação de Bno sistema é igual a:
I: o que muda dentro do Vc porque ρb varia no tempo;
II: o que muda porque o próprio Vc se mexe ou se deforma;
III: o que sai pela Sc (fluxo convectivo), com a velocidade relativa à Sc.
Contagem de partículas (Aula 08, sl.11–14). Com B=m e cada partícula a valer 1, o sistema desloca-se entre t e t+δt. A zona que fica vazia dentro do Vc conta para o termo I, as partículas que saíram pela Sc para o termo III e a zona varrida pela Sc em movimento para o termo II. A soma dá sempre zero, porque o sistema não perde partículas:
Slide
Caso
I
II
III
Soma
11
Vc fixo
−36
0
+36
0
12
Vc móvel (translação)
−19
0
+19
0
13
Vc móvel e deformável
−17
−19
+36
0
14
Prob 4.1a, Vc deformável (reservatório)
0
−10
+10
0
Vc fixo: II = 0; tudo o que falta lá dentro saiu pela Sc.
Vc em translação: o fluxo relativo é menor (19 em vez de 36), porque a Sc acompanha parte do movimento. II = 0 porque, com ρb uniforme, ∮ρb(us⋅n)dS=ρbus⋅∮ndS=0[nota própria]; o sl.12 só mostra “+0”.
Reservatório (sl.14): a água é incompressível (I = 0); a faixa perdida pela descida da superfície livre é o termo II (−10); a “bolha” que sai pelo orifício é o termo III (+10).
Armadilha
O fluxo (termo III) usa a velocidade relativaur à Sc, e não a absoluta u, salvo se o Vc estiver parado.
n é sempre a normal exterior, logo (ur⋅n)>0 nas saídas e <0 nas entradas.
dtd∫∀c (limites móveis) não é ∫∀c∂t∂. A diferença é exatamente o termo II. Só com Vc fixo se pode meter a derivada dentro do integral.
D/Dt (sistema) =d/dt (Vc) (Cardoso et al., nota 2 do §4.4).
Uma superfície livre não é atravessada por massa, mas, se a Sc a acompanhar, contribui pelo termo II.
Teorema de Transporte de Reynolds (Cardoso et al., §4.4.2, eqs. 4.15, 4.28–4.32; Aula 08, sl.9–10)
DtDB=dtd∫∀cρbd∀+∫Scρb(ur⋅n)dSDtDB=I: variac¸a˜o local∫∀c∂t∂(ρb)d∀+II: movimento/deformac¸a˜o do Vc∫Scρb(us⋅n)dS+III: fluxo pela Sc∫Scρb(ur⋅n)dSu=us+ur(us=velocidade da Sc,ur=velocidade do fluido relativa aˋSc)
I + II=dtd∫∀cρbd∀ (eq. 4.28, a “regra de Leibniz” para o Vc).
II + III=∫Scρb(u⋅n)dS, somando us+ur=u (eq. 4.31).
Vc fixo e indeformável (us=0, ur=u; eq. 4.32):
DtDB=∂t∂∫∀cρbd∀+∫Scρb(u⋅n)dS
Ideia da demonstração (Cardoso et al., §4.4.2, Figs. 4.1–4.3)
Em t0 o Vc coincide com o sistema, que ocupa as regiões I + II. Em t0+δt, o Vc ocupa II + III e há partículas do sistema que já saíram do Vc (região IV). O livro admite ur1=0 na face de montante, ou seja, essa face acompanha o sistema; por isso a região IV é o único fluxo.
Gralhas do livro: o texto antes da eq. 4.5 remete para a “Figura 4.1” e o texto antes da eq. 4.24 para a “Figura 4.2”. Em ambos os casos devia ser a Fig. 4.3, que é onde estão as regiões I–IV.
DtDB=δt→0limδtB(t0+δt)−B(t0), com B(t0+δt)=BII+BIII+BIV e B(t0)=BI+BII.
Reagrupando: o que está no Vc nos dois instantes dá dtd∫∀cρbd∀; a região IV dá o fluxo ∫Scρb(ur⋅n)dS, porque o volume que sai por dS em δt é (ur⋅n)dSδt.
Desdobrando a derivada do Vc: a região II (comum aos dois instantes) dá o termo I; as regiões III e I (ganhas/perdidas pelo movimento da Sc) dão o termo II, com (us⋅n)dSδt.
Forma local (Teorema de Gauss, §4.4.3):∫Scρb(u⋅n)dS=∫∀c∇⋅(ρbu)d∀, logo DtDB=∫∀c[∂t∂(ρb)+∇⋅(ρbu)]d∀ (eq. 4.37). O livro usa isto no Cap. 5 para as formas diferenciais. Com b=1 e ρ constante sai ∇⋅u=0, a condição da §6.4[nota própria].
Desenhar o Vc e classificar cada parte da Sc: fixa (us=0) ou móvel; permeável ou impermeável.
Termo I:ρb varia no tempo dentro do Vc? (Fluido incompressível em regime permanente ⇒ I = 0.)
Termo II: só nas partes móveis da Sc: ∫ρb(us⋅n)dS.
Termo III: só nas partes permeáveis: ∫ρb(ur⋅n)dS, com sinal + a sair, − a entrar.
Igualar I + II + III a FB e resolver.
Quando usar
“Com base no TTR…”, “considere o volume de controlo móvel/deformável”, “compare as duas escolhas de volume de controlo”. Num teste, a pergunta típica é explicar que termos se anulam em cada escolha de Vc e porquê.
Exercício resolvido (Aula 08, sl.11–14 — contagem de partículas)
Na ilustração do slide 13 (Vc móvel e deformável), o termo I vale −17 e o termo II vale −19. Quanto vale o termo III? Na do slide 14 (reservatório a esvaziar, Vc que acompanha a superfície livre), porque é que o termo I é nulo?
Resolução passo-a-passo
1. Conservação da massa:B=m, FB=0, logo I + II + III = 0.
2. Slide 13:−17−19+III=0⇒III=+36 partículas saíram pela Sc É o mesmo valor do Vc fixo do sl.11, porque as faces de saída da Sc (topo e direita) não se movem: aí ur=u e o fluxo é igual.
3. Slide 14: a água é incompressível, por isso ρ não varia em nenhum ponto do Vc: ∂ρ/∂t=0⇒I=0. O volume “perdido” no topo (II = −10) é igual ao que sai pelo orifício (III = +10).
[resolução própria], a partir dos números dos slides.
Lição
A soma dos termos não depende da escolha do Vc, mas a repartição entre I, II e III depende. Com um Vc fixo, o que no sl.14 é “termo II” passa a ser fluxo através da superfície livre inicial (termo III de entrada), como no Prob 4.1a (§7.6).
7.4 Conservação da massa: equação da continuidade (Formas 1–4)
Ideia
É o TTR com B=m, b=1 e fonte nula. Em palavras: o que se acumula no Vc = o que entra − o que sai. Cada termo é um caudal mássico, em kg/s.
Armadilha
As Formas 1–3 servem para qualquer Vc; a Forma 4 só para Vc fixo e indeformável.
A massa dentro do Vc pode variar mesmo com ρ constante, se o volume ocupado pelo fluido variar (nível a subir).
Num Vc com dois fluidos (água + ar), conta a massa de cada um. O ar aprisionado é comprimido (ρar varia), mas a massa de ar é constante (Ex 4.3).
Nas paredes impermeáveis fixas, u⋅n=0: só as aberturasS0 contribuem para o fluxo.
Equação da continuidade na forma integral (Cardoso et al., §4.5, eqs. 4.39–4.45; Aula 08, sl.17–18)
DtDm=0Vc genérico:I+II: variac¸a˜o da massa no Vcdtd∫∀cρd∀+III: fluxo de massa∫Scρ(ur⋅n)dS=0(Forma 1)I∫∀c∂t∂ρd∀+II∫Scρ(us⋅n)dS+III∫Scρ(ur⋅n)dS=0(Forma 2)∫∀c∂t∂ρd∀+∫Scρ(u⋅n)dS=0(Forma 3)Vc fixo e indeformável:∂t∂∫∀cρd∀+∫Scρ(u⋅n)dS=0(Forma 4)
I: variação de ρ dentro do Vc. II: variação da massa devida ao movimento/deformação do Vc. I+II: variação da massa no Vc. III: fluxo de massa pela Sc.
Dividindo a Sc em paredes impermeáveis S′ (fluxo nulo) e aberturas S0: ∂t∂∫∀cρd∀+∫S0ρ(u⋅n)dS=0 (eq. 4.45).
Unidades: cada termo em kg/s.
Passos para um balanço de massa em regime variável
Escolher o Vc e a forma (fixo → Forma 4; móvel → Forma 1 ou 2).
Escrever a massa no Vc em função da incógnita: por exemplo m=ρSh(t), somando a de cada fluido.
Derivar em ordem a t (regra do produto se ρ e o volume variarem).
Escrever os fluxos nas aberturas com o sinal (+ sai, − entra).
Resolver para dh/dt, dρ/dt, … e, se pedido, integrar no tempo.
Quando usar
“Reservatório a encher/esvaziar”, “calcule dh/dt”, “ar aprisionado”, “como varia a massa volúmica do gás”, qualquer situação não permanente. Em regime permanente, passa-se logo para a §7.5.
Exercício resolvido (Ex 4.3 do livro — reservatório fechado com ar aprisionado)
Um reservatório fechado é abastecido com água pela secção 1, junto à base. O ar fica aprisionado no topo. A interface água/ar está à altura h e a altura total do reservatório é H.
(a) Obtenha a expressão de dh/dt.
(b) Calcule dh/dt para uma secção horizontal St=2 m² e um caudal de 20 ℓ/s na secção 1.
Resolução passo-a-passo
1. Vc: todo o interior do reservatório (fixo), com água em baixo e ar em cima. O escoamento é variável.
2. Massa no Vc:dtd∫∀cρd∀=dtd(ρaˊguaSth)+=0: a massa de ar na˜o mudadtd(ρarSt(H−h))3. Fluxo: só há a entrada 1, com sinal −: −ρaˊguau1S1.
4. Continuidade:ρaˊguaStdtdh−ρaˊguau1S1=0⇒dtdh=Stu1S1=StQ15. b)dtdh=20,020=0,01m/s(resolução do livro)
Lição
O ar é comprimido (ρar aumenta e o volume diminui), mas o produto, a massa, mantém-se. Na continuidade conta a massa, não o volume nem a massa volúmica isoladamente.
Em regime permanente nada se acumula no Vc, por isso tudo o que entra sai. Com velocidades uniformes nas secções, o integral de superfície passa a uma soma simples sobre as secções abertas. Com um único fluido incompressível, o balanço de massa é igual a um balanço de volume: a soma dos caudais que entram é igual à soma dos que saem.
Armadilha
Sinais:+ nas saídas, − nas entradas (Aula 08, sl.19). Isto vem da normal exterior.
Só a componente normal transporta massa: numa secção oblíqua, uk=ucosα, com α medido à normal (como na §6.2).
Só se pode cortar ρk com fluido único (sl.20). Com vários fluidos incompressíveis (Ex 4.2), ∑(±)ukSk=0 continua a valer como conservação do volume (Cardoso et al., eq. 4.48), e passa a ser uma equação independente da da massa.
Os uk são velocidades médiasUk=Qk/Sk.
Q1=Q2 vale também em regime variável, se o fluido for incompressível e a conduta indeformável: não há onde acumular.
Continuidade em regime permanente (Cardoso et al., §4.5, eqs. 4.46–4.49; Aula 08, sl.19–20)
∂t∂=0⇒∫Scρ(u⋅n)dS=0Distribuições uniformes de u e ρ nas secções permeáveis:
k∑(±)ρkukSk=0(+ saıˊdas,− entradas)Fluido único e incompressível (ρk=ρ):
∑k(±)ukSk=0⇔∑entradasQ=∑saıˊdasQ
Ramificação (1 entrada, 3 saídas; sl.20 e Fig. 4.4):−u1S1+u2S2+u3S3+u4S4=0
ρk em kg/m³; uk = projeção da velocidade segundo nk (m/s); Sk em m².
Passos para a continuidade em regime permanente
Identificar todas as secções abertas e marcar se cada uma é entrada ou saída.
Em cada secção, calcular Sk=πDk2/4 e a componente normaluk.
Escrever ∑(±)ρkukSk=0 (ou ∑(±)Qk=0 com fluido único).
Com dois fluidos, escrever também, se necessário, a conservação do volume.
Resolver para a incógnita e verificar se o sinal de uk confirma o sentido admitido.
Quando usar
Convergentes, divergentes, junções em T ou Y, bifurcações, “determine a velocidade na secção 2”, “que caudal sai em cada ramo”. É quase sempre o primeiro passo de um problema de quantidade de movimento (§8) ou de energia (§10).
Exercício resolvido (Ex 4.1 do livro — convergente)
Num convergente horizontal escoam-se 400 kg de água por segundo. O diâmetro passa de 400 mm (secção 1) para 250 mm (secção 2). Admitindo o fluido incompressível e a velocidade uniforme nas secções, determine o caudal e as velocidades nas secções 1 e 2.
Resolução passo-a-passo
1. Caudal:ρ=1000 kg/m³, logo Q=m˙/ρ=400/1000=0,4m³/s2. Áreas:S1=π⋅0,402/4=0,1257 m²; S2=π⋅0,252/4=0,0491 m².
3. Continuidadeu1S1=u2S2=Q:
u1=0,12570,4=3,18m/s,u2=0,04910,4=8,15m/s(resolução do livro)
Lição
Num fluido incompressível a velocidade varia com o inverso da área, ou seja, com 1/D2: u2/u1=(D1/D2)2=(400/250)2=2,56. Não esquecer o quadrado.
Exercício resolvido (Ex 4.2 do livro — junção em Y com dois fluidos)
Numa junção em Y mistura-se etanol (ρe=789 kg/m³), que entra pela secção 2 (Ø 100 mm), com 30 ℓ/s de gasolina (ρg=680 kg/m³), que entra pela secção 1 (Ø 200 mm). A mistura, que contém 10 % de etanol (ρm=691 kg/m³), sai pela secção 3 (Ø 200 mm) com u3=1,10 m/s. Com distribuições de velocidade aproximadamente uniformes, determine o caudal e a velocidade do etanol.
Resolução passo-a-passo
1. Continuidade da massa (2 entradas, 1 saída):
−ρeu2S2−ρgQg+ρmu3S3=02. Áreas:S2=π⋅0,102/4=0,00785 m²; S3=π⋅0,202/4=0,0314 m².
3. Velocidade do etanol:u2=ρeS2ρmu3S3−ρgQg=789⋅0,00785691⋅1,10⋅0,0314−680⋅0,030=6,2023,88−20,40≈0,56m/s4. Caudal:Qe=u2S2≈0,56⋅0,00785≈4,4ℓ/s[resolução própria]. O livro arredonda as áreas para S2=0,008 e S3=0,031 m² e obtém 0,50 m/s e 4 ℓ/s. O resultado é muito sensível a esse arredondamento, porque se subtraem dois números próximos (23,9 − 20,4). Os dados do livro são sobredeterminados: os 10 % em volume confirmam ρm=0,1⋅789+0,9⋅680≈691 kg/m³, mas dariam Qe≈0,1⋅34,6≈3,5 ℓ/s, o que não é perfeitamente coerente com os 30 ℓ/s de gasolina [nota própria].
Lição
Com fluidos diferentes usa-se a massa (ρkQk), e não só os caudais. O volume também se conserva (Qe+Qg=Q3): 4,4+30=34,4≈u3S3=34,6 ℓ/s ✓. Quando o resultado vem de uma diferença de números próximos, não se arredondam os dados intermédios.
7.6 Esvaziamento de reservatórios: Vc fixo vs Vc deformável
Ideia
Um reservatório que esvazia por um orifício é o exemplo clássico de escoamento variável: a superfície livre desce com u1 e o jato sai com u2=2gh (velocidade de Torricelli, que vem da energia, §10). A continuidade liga as duas velocidades. Pode escolher-se o Vc de duas formas, e o resultado é o mesmo:
Vc deformável (acompanha a superfície livre): a superfície livre entra pelo termo II; o orifício pelo termo III.
Vc fixo (o volume inicial de água): a água atravessa a superfície livre fixa para baixo, como se fosse uma entrada; o orifício é a saída.
Armadilha
u1 costuma ser um módulo (positivo), mas h diminui: u1=−dh/dt.
h mede-se a partir do eixo do orifício (é a carga sobre o orifício).
Com Vc fixo, na superfície livre n aponta para cima e u para baixo: u⋅n=−u1 (entrada aparente).
Com Vc deformável, na superfície livre us=u, logo ur=0: não há termo III aí, mas há termo II.
Velocidade da superfície livre (Cardoso et al., §4.5, Ex 4.4, eqs. E4.1–E4.5)
−u1S1+u2S2=0⇒u1=−dtdh=S1S22gh
Integrando para um reservatório prismático (S1 constante), a partir de h0 em t0:
h=h0−22gS1S2(t−t0),u1(t)=S1S22gh0−g(S1S2)2(t−t0)
A superfície livre desacelera uniformemente, com g(S2/S1)2.
Passos para o esvaziamento de um reservatório
Escolher o Vc (fixo ou deformável) e marcar S1 (superfície livre), S2 (orifício), uk e nk.
Identificar os termos: incompressível ⇒ I = 0; superfície livre ⇒ II (Vc deformável) ou III de entrada (Vc fixo); orifício ⇒ III de saída.
Escrever −u1S1+u2S2=0 e substituir u2=2gh.
Se pedirem h(t), u1(t) ou o tempo de esvaziamento: dh/dt=−u1, separar variáveis e integrar.
Quando usar
“Velocidade da superfície livre”, “tempo de esvaziamento”, “como deve variar a secção para que o nível desça a velocidade constante” (clepsidra), “orifício no fundo com 2gh”.
Exercício resolvido (Prob 4.1 do livro / Aula 08, sl.14 e sl.24)
Com base no princípio da conservação da massa e tendo em conta o TTR e a técnica do volume de controlo, determine:
(a) a velocidade u1 da superfície livre de um reservatório de secção constanteS1, com um orifício de área S2 no fundo e u2=2gh, considerando como volume de controlo o volume inicial de água e mantendo-o fixo no tempo (Fig. 4.29a);
(b) a lei de variação da área da superfície livre S1(h) do reservatório de modo a que a velocidade u1 seja constante no tempo (Fig. 4.29b).
Resolução passo-a-passo
1. a) Vc fixo (Forma 4), água incompressível. Em t0 a Sc coincide com a superfície livre. Em nenhum ponto interior ρ varia (∂ρ/∂t=0, logo o termo de acumulação é nulo), e a água que está na Sc desce com u1, o que conta como entrada aparente. Num instante posterior, a perda de água no topo apareceria na acumulação e não no fluxo.
2. Fluxos: na superfície livre (fixa), a água atravessa-a para baixo: u⋅n=−u1 (entrada). No orifício: u⋅n=+u2 (saída).
−ρu1S1+ρu2S2=0⇒u1=S1S22gh3. Verificação com Vc deformável (sl.14, Forma 2): na superfície livre us=u, logo ur=0 e o termo II vale −ρu1S1; no orifício us=0 e o termo III vale +ρu2S2; o termo I é nulo. Mesmo resultado ✓.
4. b) Impondo u1 constante na expressão anterior:
S1(h)=u1S22gh∝h
Num reservatório de revolução, πr2∝h1/2, logo h∝r4: é a forma de uma clepsidra (relógio de água).
[resolução própria], que bate com a solução do livro. O livro tem ainda uma alínea (c) (êmbolo sobre gás, ρ(t) para Q2 constante), que não é pedida nos slides.
Lição
A física não depende do Vc: com Vc fixo, a descida da superfície livre aparece como um fluxo de entrada; com Vc deformável, aparece como o termo II. Escolhe-se o que torna as contas mais simples. Em (b), a conta é a mesma, só muda a incógnita.
Exercício resolvido (Ex 4.4 do livro — esvaziamento de reservatório prismático)
Um reservatório prismático esvazia-se por um pequeno orifício circular na extremidade de um tubo adicional. A água é incompressível e a velocidade no orifício é uniforme e igual a 2gh, com h medido a partir do eixo do orifício. Determine a expressão da variação temporal da velocidade da superfície livre, u1.
Resolução passo-a-passo
1. Vc móvel e deformável, que acompanha a massa de água (Forma 1):
dtd∫∀cρd∀+∫S1ρ(ur1⋅n1)dS+∫S2ρ(ur2⋅n2)dS=02. Superfície livre:us1=u1, logo ur1=0. Orifício: ur2=u2.
3. Massa no Vc:∫ρd∀=ρS1h, logo dtd(ρS1h)=ρS1dtdh (ρ constante).
ρS1dtdh+ρ2ghS2=0⇒u1=−dtdh=S1S22gh4. Integrar∫h0hh−1/2dh=−2gS1S2∫t0tdt:
h=h0−22gS1S2(t−t0)5. Substituir em u1:u1(t)=S1S22gh0−g(S1S2)2(t−t0)(resolução do livro). O livro resolve também com a Forma 2 (termo II na superfície livre, termo III no orifício) e chega a −u1S1+u2S2=0; nessa equação o livro esquece-se do ”= 0”, uma gralha. O volume do tubo adicional é desprezado: está implícito em m=ρS1h[nota própria].
Lição
u1 diminui linearmente com o tempo: a superfície livre tem uma desaceleração constanteg(S2/S1)2. O tempo de esvaziamento sai de h=0: T=S2S1g2h0[nota própria].
Estudo autónomo (Aula 08, sl.31)
Estudar: §4.2 a 4.5; Ex 4.2, 4.3 e 4.4.
Resolver: o slide não indica problemas. O Prob 4.1 foi trabalhado na aula.
🚀 8. Quantidade de movimento: Teorema de Euler (Aula 09 · §4.6.1)
8.1 Lei de conservação e forças exteriores: G e Π
Ideia
É a 2.ª lei de Newton aplicada a um sistema material de fluido: a quantidade de movimento P=mu só muda se houver forças exteriores. Com o TTR (§7.3), aplicado a B=P e b=u (a grandeza transportada por unidade de volume é ρu), a lei passa do sistema para um volume de controlo. Há só dois tipos de forças exteriores:
G, as forças de massa, que atuam em todo o volume (na prática, o peso);
Π, as forças de contacto, que atuam na superfície de controlo: a pressão, as tensões viscosas e a reação das paredes.
Armadilha
A massa conserva-se (FB=0). A quantidade de movimento não: tem como “fonte” a soma das forças exteriores.
É uma equação vetorial. Cada direção dá uma equação escalar.
Na pressão o termo é −pn. Como n é a normal exterior, a pressão empurra sempre para dentro do Vc.
Π inclui as superfícies abertas (secções de entrada e saída) e as fechadas (paredes). A força das paredes sobre o fluido chama-se R.
A equação só tem esta forma num referencial inercial: imóvel, ou em translação a velocidade constante e sem rotação. Num referencial acelerado junta-se a força de inércia −∫ρareld∀, com arel dado pela eq. 4.66 (Cardoso et al.). Para a Terra, este efeito é desprezável.
Lei de conservação da quantidade de movimento (Cardoso et al., §4.6.1, eqs. 4.50–4.59; Aula 09, sl.5–6)
DtDP=∑Fext=G+ΠTTRdtd∫∀cρud∀+∫Scρu(ur⋅n)dS=G+ΠG=∫∀cρgd∀,Π=∫ScPsdS=∫Sc(σ+τ)dS=∫Sc(−pn+η+τ)dSP em kg·m/s; G e Π em N; p é a pressão (Pa), isotrópica; η são as tensões normais viscosas e τ as tensões tangenciais (Pa). Quase sempre −pn domina e η despreza-se.
Passos para identificar as forças exteriores
Delimitar o Vc e listar as secções abertas (com fluido a entrar ou sair) e as paredes.
Peso:G=ρg∀c, vertical e para baixo. Despreza-se se o problema estiver em planta ou se o enunciado o disser.
Pressão nas secções abertas:Πk=pkSk, normal à secção e para dentro do Vc. Com pressões relativas, um jato livre tem p=0.
Paredes: representar uma única incógnita R, com um sentido arbitrado. Juntam-se aqui as válvulas fechadas e o atrito.
Quando usar
É o primeiro passo de todo o problema de força num escoamento: curvas, bifurcações, jatos, comportas, ressaltos e êmbolos. Na hidrostática (u=0) a equação reduz-se a G+Π=0 (eq. 4.72), o que reconstrói o Cap. 2.
8.2 Formas 1–4, significado das parcelas e componentes
Ideia
Tal como a continuidade (§7.4), a equação escreve-se de quatro formas, conforme o Vc. Todas dizem o mesmo:
(variação da quantidade de movimento dentro do Vc) + (fluxo que sai menos o que entra) = forças exteriores
A única diferença em relação à massa é que a grandeza transportada é o vetor ρu, e não ρ.
Armadilha
No fluxo ρu(ur⋅n), o sinal vem do escalar ur⋅n (negativo numa entrada, positivo numa saída). A direção vem do vetor u.
Nas três componentes o fator (ur⋅n) é o mesmo; só muda a componente transportada (u, v ou w).
Num escoamento 1D basta uma equação, num 2D duas e num 3D três.
Formas da equação da quantidade de movimento (Cardoso et al., §4.6.1, eqs. 4.59–4.65 e 4.67; Aula 09, sl.7–9)
Vc genérico (móvel e/ou deformável):
dtd∫∀cρud∀+∫Scρu(ur⋅n)dS=∫∀cρgd∀+∫Sc(σ+τ)dS(Forma 1)I∫∀c∂t∂(ρu)d∀+II∫Scρu(us⋅n)dS+III∫Scρu(ur⋅n)dS=∫∀cρgd∀+∫Sc(σ+τ)dS(Forma 2)∫∀c∂t∂(ρu)d∀+∫Scρu(u⋅n)dS=∫∀cρgd∀+∫Sc(σ+τ)dS(Forma 3)Vc fixo e indeformável:∂t∂∫∀cρud∀+∫Scρu(u⋅n)dS=∫∀cρgd∀+∫Sc(σ+τ)dS(Forma 4)Significado (sl.8): I = variação local de ρu dentro do Vc; II = variação devida ao deslocamento ou deformação do Vc (I + II = variação da quantidade de movimento total do Vc); III = fluxo de quantidade de movimento através da Sc.
Componente x (as componentes y e z são análogas, com v,gy,ny e w,gz,nz):
dtd∫∀cρud∀+∫Scρu(ur⋅n)dS=∫∀cρgxd∀−∫ScpnxdS+∫Sc(ηx+τx)dS
Passos para escolher a forma
Vc parado e rígido (curva, bifurcação, troço de conduta): Forma 4, que leva diretamente ao Teorema de Euler (§8.3).
Vc indeformável que se move a velocidade constante (defletor móvel): Forma 1 (eq. 4.59) no referencial do Vc. Nesse referencial reduz-se a Euler, com velocidades relativas (§8.5).
Vc deformável (êmbolo, superfície livre que sobe ou desce): Forma 1, com o termo d/dt∫ρud∀ calculado explicitamente.
Projetar a equação nas direções que interessam, escolhendo os eixos de modo a anular o maior número de termos.
Quando usar
A Forma 4 resolve a maior parte dos problemas dos slides. As Formas 1 e 2 só são precisas com Vc móvel ou deformável (Ex 4.7 e Ex 4.8 do livro).
8.3 Teorema de Euler: G + Π + I + M1 − M2 = 0
Ideia
Com o Vc fixo e indeformável, um fluido único, η desprezado e perfis uniformes nas secções, os integrais passam a vetores simples:
I é a força local de inércia. É nula em regime permanente.
Mk=ρQkuk é o fluxo de quantidade de movimento de cada secção. Tem sempre o sentido da velocidade.
A equação fica um polígono de forças fechado. Desenhados todos para dentro do Vc, somam zero: Π das secções, M1 (que entra no sentido de u1) e −M2 (oposto a u2, logo também para dentro).
Armadilha
R é a força da parede sobre o fluido. A força do fluido sobre a estrutura (a que se pede: maciço de amarração, parafusos, flange) é F=−R.
Arbitra-se o sentido de R. Se o valor calculado sair negativo, o sentido real é o oposto: isso não é um erro.
Usam-se pressões relativas. A pressão atmosférica atua em toda a Sc e tem resultante nula, por isso um jato livre tem p=0.
Uma válvula fechada faz parte da parede: entra em R, não é secção aberta.
Um caudal que entra perpendicularmente a uma direção não traz quantidade de movimento nessa direção (tubos verticais no Prob 4.5, “chuva” no Ex 4.5). Conta na continuidade.
Os slides não introduzem o coeficiente de quantidade de movimento β: assume-se sempre um perfil uniforme.
Mk=ρQkuk exige também que a velocidade seja paralela a n na secção (Cardoso et al., eq. 4.69). Por isso as secções se escolhem perpendiculares ao escoamento.
Projetar cada vetor com o cos ou o sin do seu ângulo. Numa bifurcação simétrica, a componente transversal anula-se.
Teorema de Euler (Cardoso et al., §4.6.1, eqs. 4.67–4.71; Aula 09, sl.10–11)
Vc fixo e indeformável, com η=0:
=−I∂t∂∫∀cρud∀+=−M1+M2∫Scρu(u⋅n)dS=∫∀cρgd∀+∫Sc(−pn+τ)dS
Com perfis uniformes numa entrada (1) e numa saída (2):
∫Scρu(u⋅n)dS=−ρ1Q1u1+ρ2Q2u2=−M1+M2,Mk=ρkQkukG+Π+I+M1−M2=0
G: peso (N);
Π: forças de contacto nas superfícies abertas (pkSk, para dentro) e fechadas (R);
I=−∂t∂∫∀cρud∀: força local de inércia (N), nula em regime permanente (eq. 4.71);
M1, M2: resultantes dos fluxos de quantidade de movimento em todas as entradas e em todas as saídas (N = kg·m/s²).
Hidrostática (u=0): G+Π=0 (eq. 4.72).
Passos para aplicar o Teorema de Euler
Continuidade primeiro (§7.5): calcular Qk e uk=Qk/Sk em todas as secções.
Desenhar o Vc e marcar, todos para dentro: Πk=pkSk normal a cada secção aberta, M1 no sentido de u1, −M2 oposto a u2. Juntar G e R (com sentido arbitrado).
Regime permanente ⇒ I=0.
Projetar segundo x, y (e z), com o cos ou sin de cada ângulo.
Resolver para R (ou para a incógnita pedida, por exemplo p1−p2) e responder com F=−R.
Quando usar
“Força sobre a curva, a bifurcação ou o maciço de amarração”, “esforço nos parafusos da flange”, “diferença de pressões entre duas secções com injeção lateral”, “força de um jato sobre uma placa”, “altura a montante de um ressalto ou canal”.
Exercício resolvido (Prob 4.5 do livro / Aula 09, sl.23)
Uma conduta horizontal com 30 cm de diâmetro transporta água. A velocidade do escoamento é 0,5 m/s na secção 1 (Fig. 4.33). Dois pequenos tubos verticais introduzem na conduta principal 10 ℓ/s de água cada um. Determine a diferença de pressões p1−p2, considerando uniformes as distribuições de pressões e de velocidades, desprezando as tensões viscosas nas paredes da conduta e tendo em conta que a secção 2 está suficientemente afastada dos tubos verticais.
Resolução passo-a-passo
1. Continuidade:S=π⋅0,302/4=0,070686 m²; Q1=u1S=0,035343 m³/s.
Q2=Q1+2⋅0,010=0,055343m³/s⇒u2=SQ2=0,7829m/s2. Forças segundo x (Vc entre 1 e 2, regime permanente, logo I=0):
Gx=0, porque a conduta é horizontal;
τ=0, e as paredes são paralelas a x: não há Rx;
as injeções são verticais: não trazem quantidade de movimento segundo x.
3. Euler segundo x:p1S−p2S+ρQ1u1−ρQ2u2=0⇒p1−p2=Sρ(Q2u2−Q1u1)=ρ(u22−u12)4. Resultado:p1−p2=1000(0,78292−0,52)=1000(0,6130−0,2500)=363Pa(≈0,037m c.a.)[resolução própria], que bate com a solução do livro (363 Pa).
Lição
A água injetada entra sem velocidade axial e tem de ser acelerada até u2. Quem a acelera é a diferença de pressões, por isso p1>p2, mesmo sem atrito. Uma injeção perpendicular conta na massa mas não na quantidade de movimento dessa direção.
Exercício resolvido (Ex 4.6 do livro — maciço de amarração de uma bifurcação)
Uma bifurcação de eixos horizontais (vista em planta, Fig. 4.12) recebe o escoamento pela conduta A (DA=1,20 m), segundo +x. Saem quatro ramais com válvulas, B, C, D e E, todos com D=0,50 m: C a +60° e D a −60° do eixo x; B e E são os ramais opostos. Em todas as secções a pressão é 500 kPa. Desprezam-se as tensões viscosas nas secções, o peso da água e consideram-se perfis uniformes. Determine a força sobre o maciço de amarração:
(a) com todas as válvulas fechadas e a bifurcação cheia;
(b) com B e E fechadas e QC=QD=3 m³/s.
Resolução passo-a-passo
1. a) Válvulas fechadas:u=0 e as válvulas fazem parte da parede. A única secção aberta é A:
R+ΠA=0,ΠA=pASA=500000⋅4π⋅1,22=565,5kN(+x)R=−565,5ikN⇒F=−R=+565,5ikN2. b) Continuidade:QA=3+3=6 m³/s.
uA=6/1,1310=5,305 m/s;
uC=uD=3/0,19635=15,28 m/s.
3. Forças e fluxos (todos para dentro do Vc):
ΠA=565487 N (+x) e MA=ρQAuA=1000⋅6⋅5,305=31831 N (+x);
ΠC=ΠD=500000⋅0,19635=98175 N, cada uma a apontar para dentro, segundo o eixo do seu ramal;
MC=MD=1000⋅3⋅15,28=45836 N; os vetores −MC e −MD são opostos às velocidades de saída.
4. Euler segundo x:ΠA−2ΠCcos60°+MA−2MCcos60°+Rx=0565487−98175+31831−45836+Rx=0⇒Rx=−453,3kN5. Segundo y: C e D são simétricos, logo Ry=0.
F=−R=+453,3ikN(resolução do livro). Gralha no livro: no cálculo de ΠC escreve "5000×π(0,5)2/4" em vez de 500000 Pa. O valor 98 175 N está certo.
Lição
Com escoamento, a força diminui (565,5 → 453,3 kN). As pressões nas saídas e os fluxos de saída “puxam” o fluido para a frente e aliviam o maciço. Com as válvulas fechadas, a única força é a pressão na entrada, pASA. Projetar cada vetor com cos 60° e usar a simetria para eliminar Ry.
Ex 4.1 do livro (convergente)
A continuidade do convergente (400 kg/s; u1=3,18 e u2=8,15 m/s) está resolvida na §7.5. É exatamente o passo 1 do Teorema de Euler: sem os uk não se calculam os Mk.
8.4 Escoamentos com superfície livre: impulsão hidrostática nas secções
Ideia
Num canal, as “forças de pressão” nas secções são impulsões hidrostáticas (§3). Se a pressão for hidrostática na secção (com uma superfície livre de curvatura pequena), uma secção retangular de largura B e altura h recebe:
Π=γ2h(Bh)=2γBh2
O Teorema de Euler liga então as alturas às velocidades: uma diferença de alturas é a “força” que acelera a água.
Armadilha
A pressão na superfície livre é a atmosférica (p=0 em pressão relativa): esse contorno não dá força.
O caudal que cai na vertical (chuva, descarregador lateral) entra na continuidade, mas não traz quantidade de movimento segundo x.
Junto a uma parede vertical, a velocidade horizontal é nula: M1=0, mas a impulsão γBh12/2 continua lá.
Π é a impulsão na secção inteira, com o h/2 do centro de gravidade.
Euler num canal retangular horizontal (Cardoso et al., §4.6.1, Ex 4.5; Aula 09, sl.24)
Fundo horizontal (Gx=0), τ=0, regime permanente, segundo o sentido do escoamento:
2γBh12−2γBh22+M1x−M2x=0,Mkx=ρQkuk=BhkρQk2γ=ρg (N/m³); B e h em m; Q em m³/s. O número de Froude é Fr=u/gh (Cardoso et al., §1.6.3).
Passos para um problema de canal
Continuidade: uk=Qk/(Bhk).
Impulsões hidrostáticas γBhk2/2, para dentro do Vc, em cada secção transversal.
Fluxos ρQkuk, mas só das entradas e saídas paralelas a x.
Projetar segundo x e resolver para a altura desconhecida.
Quando usar
“Altura a montante”, “canal de recolha” ou “descarregador lateral”, e o ressalto hidráulico (Hidráulica II). Sempre que o enunciado diga “distribuição hidrostática de pressões nas secções”.
Exercício resolvido (Ex 4.5 do livro / Aula 09, sl.24)
O caudal Q entra verticalmente num canal de secção retangular, com fundo horizontal e comprimento L (Fig. 4.10). A largura do canal é B e a altura da água na secção de jusante é h2. Determine a altura do escoamento na secção de montante, h1, admitindo que a distribuição de pressões é hidrostática em todas as secções transversais, que as tensões normais viscosas e tangenciais são desprezáveis e que a curvatura da superfície livre é pequena.
Resolução passo-a-passo
1. Vc: toda a água do canal, desde a parede de montante (secção 1) até à secção 2. O topo é a superfície livre (S0), por onde entra Q. Regime permanente, logo I=0.
2. Continuidade: em S1, u=0 (parede). Em S0, ∫S0(u⋅n)dS=−Q (entrada). Em S2, +u2Bh2:
0−Q+u2Bh2=0⇒u2=Bh2Q3. Euler segundo x:
Gx=0 e τ=0;
não há fluxo de entrada segundo x: a parede (S1) tem u=0 e a chuva entra por S0 na vertical;
o fluxo de saída é M2x=ρQu2=ρu22Bh2.
2γBh12−2γBh22−ρu22Bh2=04. Resolver para h1:h1=h22+gB2h22Q2=h21+gB2h232Q2=h21+2Fr22(resolução do livro). O livro dá h1=h21+2Q2/(gh23B2)=h21+2Fr22. A forma com h22 dentro da raiz é uma reescrita equivalente [nota própria]; o slide 24 só tem o enunciado.
Lição
h1>h2: o desnível da superfície livre é a força que acelera a água, que cai sem velocidade horizontal, até u2. O resultado não depende de L. A entrada vertical só aparece na massa.
8.5 Volume de controlo móvel: velocidades relativas
Ideia
Quando a estrutura se move (um defletor ou carrinho empurrado por um jato), o mais simples é pôr o Vc solidário com ela. Se a velocidade us for constante, esse referencial é inercial e aplica-se o Teorema de Euler como antes, mas com as velocidades relativasur=u−us, tanto nos caudais como nos fluxos M. O resultado é o mesmo que no referencial fixo, desde que o fluxo seja escrito como ρu(ur⋅n).
Armadilha
O caudal que atravessa a Sc móvel é sempre Qr=(u0−us)S0, calculado com ur, e nãou0S0.
O referencial do corpo só é inercial se us for constante. Durante a aceleração inicial, isso não acontece.
No referencial fixo, a velocidade de saída tem duas componentes: u2=usi+wr2k. É fácil esquecer o usi.
Gralha no livro: as Figs. 4.15 e 4.17 chamam Ry ao que o texto chama Rz (os eixos são x–z) e escrevem ωr2 em vez de wr2.
Num Vc deformável (êmbolo acelerado, Ex 4.8 do livro), o termo I não é nulo. Esse exemplo não está na lista de estudo.
Euler no referencial do Vc móvel (Cardoso et al., §4.6.1, eq. 4.59 e Ex 4.7)
Com us constante: ur=u−us; Qr=∫(ur⋅n)dS; Mk=ρQr,kur,k.
G+Π+M1−M2=0(regime permanente no referencial do Vc)
No referencial fixo, o fluxo é ∫Scρu(ur⋅n)dS: a velocidade transportada é absoluta e a velocidade que atravessa a superfície é relativa.
Passos para um Vc móvel
Confirmar que us é constante, o que torna o referencial inercial.
Passar todas as velocidades para o referencial do Vc: ur=u−us.
Continuidade com ur, que dá as velocidades relativas de saída.
Euler com Mk=ρQrur,k, de onde sai R; depois F=−R.
Se pedirem o movimento do corpo, fazer o equilíbrio do corpo (com F, o peso, a reação normal e o atrito).
Quando usar
“Jato sobre uma pá ou defletor que se move”, “carrinho empurrado por um jato”, “velocidade final constante” e, mais tarde, pás de turbinas (Pelton).
Exercício resolvido (Ex 4.7 do livro — jato sobre defletor móvel)
Um jato horizontal de água, com área S0 e velocidade u0 (referencial fixo), incide num defletor que o desvia 90° para cima. O defletor está fixo num corpo de peso G, assente num plano horizontal com coeficiente de atrito tanϕ constante. O corpo move-se no sentido do jato. Determine a velocidade final constanteus do corpo. Desprezam-se as tensões viscosas, a resistência do ar e o peso da água sobre o defletor; a água é incompressível e os perfis são uniformes.
Resolução passo-a-passo
1. Referencial do corpo: é inercial, porque us é constante. Neste referencial o jato chega com velocidade u0−us e as pressões são relativas (p=0 no jato livre).
2. Continuidade (S constante ao longo do jato):
−(u0−us)S0+wr2S0=0⇒wr2=u0−us3. Euler:R+M1−M2=0, com Qr=(u0−us)S0.
Segundo x: M1 é horizontal, logo Rx+ρS0(u0−us)2=0, ou seja Rx=−ρS0(u0−us)2.
Segundo z: M2 aponta para cima, logo Rz−ρS0(u0−us)2=0, ou seja Rz=+ρS0(u0−us)2.
4. Força sobre o corpo:F=−R.
Horizontal: Fx=ρS0(u0−us)2, para a frente.
Vertical: ρS0(u0−us)2, para baixo.
5. Equilíbrio do corpo (velocidade constante):
reação normal V=G+ρS0(u0−us)2;
a força horizontal iguala o atrito: H=Fx=Vtanϕ.
ρS0(u0−us)2=[G+ρS0(u0−us)2]tanϕ6. Resolver para us:us=u0−ρS0G1−tanϕtanϕ(tanϕ<1)7. Verificação no referencial fixo:u1=u0i e u2=usi+(u0−us)k. Segundo x:
−ρu0(u0−us)S0+ρus(u0−us)S0=Rx⇒Rx=−ρS0(u0−us)2
O resultado é o mesmo ✓.
(resolução do livro)
Lição
Num Vc móvel, a massa que atravessa a superfície é proporcional a (u0−us), e cada unidade de massa traz uma velocidade relativa (u0−us): a força vai com o quadrado da velocidade relativa. Quanto maiores G ou o atrito, menor us. Os dois referenciais dão o mesmo Rx; no fixo, não esquecer o usi na saída.
Estudo autónomo (Aula 09, sl.25)
Estudar: §4.6; Exemplos 4.1 a 4.7 (o Ex 4.1 está na §7.5, os Ex 4.2–4.4 na §7, os Ex 4.5–4.7 aqui).
Resolver: o slide não indica problemas. O Prob 4.5 foi trabalhado na aula (sl.23).
🔄 9. Momento da quantidade de movimento (Aula 10 · §4.6.2)
9.1 Revisão: Teorema de Euler numa curva em pressão (Prob 4.2)
Ideia
A Aula 10 abre com a revisão do Teorema de Euler (§8.3), aplicado a uma curva de galeria em pressão. O problema mostra que, numa conduta em pressão, quem empurra a curva é sobretudo a pressão: o fluxo de quantidade de movimento ρQU costuma ser uma parcela pequena. A força tem a direção da bissetriz da curva e aponta para o lado convexo, para fora do centro de curvatura.
Armadilha
Numa curva simétrica, com p, S e U iguais nas duas secções, a força é (pS+ρQU)(e1−e2). Para um ângulo de desvio θ, ∣e1−e2∣=2sin(θ/2); com θ=60° esse fator dá 1.
“Comporta a jusante da curva”: a curva continua a ter duas secções abertas, com pressão nas duas. “Comporta na secção de saída”: a comporta passa a ser parede, e só a entrada é secção aberta.
A curva é de eixo horizontal, logo o peso não entra nas componentes em planta. A solução do livro junta-lhe a componente vertical−γ∀k (o peso da água na curva).
Gralha no livro (Prob 4.2a):Fx vem impresso como “35074,8 kN”. O valor correto é 3507,8 kN.
Euler numa curva em planta (Cardoso et al., §4.6.1, eq. 4.70; Aula 10, sl.3–5)
Regime permanente (I=0), com secções de entrada 1 e de saída 2 de versores e1 e e2 (sentido do escoamento):
R+Π1(para dentro)p1S1e1Π2(para dentro)−p2S2e2+M1ρQU1e1−M2−ρQU2e2=0,F=−Rp em Pa (relativa); S em m²; Q em m³/s; U=Q/S em m/s; forças em N.
Passos para a força numa curva
S=πD2/4, U=Q/S e p=γ⋅(p/γ).
Escrever os versores das secções: e1 (entrada) e e2 (saída), no sentido do escoamento.
Identificar as secções abertas. Uma comporta numa secção conta como parede.
Euler em vetores, F=−R, e projetar em i e j.
Se for pedida a vertical, juntar o peso γS⋅(Rθ), com o comprimento do eixo Rθ e θ em radianos.
Quando usar
“Força sobre o trecho curvo”, “maciço de amarração de uma curva”, “galeria em pressão com altura piezométrica constante”. Com obturações, desenhar o Vc de novo para cada caso.
Exercício resolvido (Prob 4.2 do livro / Aula 10, sl.5)
Numa galeria circular em pressão, com 3,0 m de diâmetro, escoam-se 25 m³/s de água. A galeria (Fig. 4.30, em planta) tem uma curva de eixo horizontal, com raio 10 m e ângulo ao centro 60°. Na curva, a altura piezométrica é constante e igual a 100 m. A entrada faz-se segundo +x e a saída desce a 60° (para −y). Determine a força sobre o trecho curvo:
(a) com o escoamento referido;
(b) sem escoamento, porque a galeria é obturada por uma comporta a jusante da curva;
(c) com a obturação feita na secção de saída da curva.
Resolução passo-a-passo
1. Dados:
S=π⋅32/4=7,0686 m² e U=25/7,0686=3,537 m/s;
p=9800⋅100=980 kPa, logo pS=6927,2 kN;
ρQU=1000⋅25⋅3,537=88,4 kN;
e1=(1;0), e2=(cos60°;−sin60°)=(0,5;−0,866) e e1−e2=(0,5;0,866).
2. a) Com escoamento:F=−R=(pS+ρQU)(e1−e2)=7015,6(0,5;0,866)kNF=3507,8i+6075,7jkN,∣F∣=7,02MN3. b) Comporta a jusante (U=0, mas as duas secções continuam abertas e com pressão):
F=pS(e1−e2)⇒F=3463,6i+5999,1jkN,∣F∣=6,93MN4. c) Comporta na saída: a comporta faz parte da parede, e a única secção aberta é a 1:
R+pSe1=0⇒F=6927,2ikN,∣F∣=6,93MN5. Vertical (nos três casos), o peso da água na curva:
G=γSRθ=9800⋅7,0686⋅10⋅3π=725,4kN⇒Fz=−725,4kN[resolução própria], que bate com a solução do livro (com a gralha de Fx em a) corrigida).
Lição
O termo de pressão (6927 kN) é ~80 vezes o fluxo de quantidade de movimento (88 kN): numa galeria em pressão, a força quase não depende de haver escoamento. O que muda tudo é onde está a obturação, porque isso decide quais são as secções abertas. Em c), a força deixa de ter a direção da bissetriz e passa a ser a da conduta de montante.
9.2 Momento de uma força e lei de conservação do momento angular
Ideia
É a mesma ideia do §8, mas para rotações: em vez de forças, somam-se momentos em relação a um ponto O. A quantidade de movimento angular de um sistema material só muda se houver binários exteriores. O TTR (§7.3) passa a lei para um volume de controlo, agora com a grandeza transportada b=x×u. Serve sobretudo para escoamentos com rotação: torniquetes, aspersores e as máquinas hidráulicas rotativas.
Armadilha
x é o vetor posição em relação a O, que é a origem do referencial e pode ser qualquer ponto. Escolhe-se O sobre o eixo de rotação, para anular os momentos das forças que lá passam.
O produto vetorial não comuta: Γ=x×F, e não F×x. Uma força no plano xy dá um momento segundo z.
Num referencial que roda com a máquina, a equação ganha um binário de inércia ΓI∗ (eq. 4.76–4.77). Tem quatro parcelas: aceleração da origem, centrípeta, Coriolis e ω˙×x. No torniquete com ω constante só fica a de Coriolis. Com o Vc fixo no espaço, nada disto é preciso.
Lei de conservação e TTR (Cardoso et al., §4.6.2, eqs. 4.73–4.74; Aula 10, sl.12)
Γ=x×FDtDΓm=DtD∫∀sρ(x×u)d∀=∑iΓi
Com o TTR (B=Γm, b=x×u, FB=∑Γi):
dtd∫∀cρ(x×u)d∀+∫Scρ(x×u)(ur⋅n)dS=momento do peso∫∀cρ(x×g)d∀+momento das forc¸as de contacto∫Scx×PsdSΓ em N·m; Γm (quantidade de movimento angular do sistema em relação a O) em kg·m²/s; Ps é a força de contacto por unidade de área (Pa).
Passos para montar a equação dos momentos
Escolher o ponto O (de preferência sobre o eixo de rotação) e os eixos, com z segundo o eixo.
Escrever o vetor posição x de cada secção aberta e de cada força.
Tomar o momento (x×) de cada termo da equação da quantidade de movimento.
Quando o enunciado pede um binário, um momento torsor, um momento de atrito ou uma velocidade de rotação, ou quando a incógnita é uma força cuja linha de ação importa (por exemplo, a força numa rótula).
9.3 Teorema de Euler para momentos: ΓG + ΓΠ + ΓI + ΓM1 − ΓM2 = 0
Ideia
É o Teorema de Euler “com x×” à frente de cada termo. Com o Vc fixo e indeformável e perfis uniformes, cada fluxo de quantidade de movimento Mk=ρQkuk dá um momento ΓMk=xk×ρQkuk. O “polígono de forças” do §8.3 passa a ser um equilíbrio de momentos. Um jato tangencial a uma distância r do eixo dá um momento ρQur.
Armadilha
ΓM1 entra com + e ΓM2 com −, tal como M1 e M2.
Uma entrada sobre o eixo, com x∥u, tem ΓM1=0.
As forças que passam pelo eixo, como o peso de um corpo simétrico ou a pressão na entrada, têm momento nulo. Os jatos para a atmosfera têm p=0 (pressão relativa).
Só a componente perpendicular ao braço (tangencial) da velocidade de um jato dá momento. A componente radial passa pelo eixo.
ΓI é nulo em regime permanente (eq. 4.75 e Aula 10, sl.13).
Sentidos: arbitrar o eixo z e manter o sinal de cada produto vetorial. Um ΓR negativo só diz que o binário tem o sentido de −k.
Teorema de Euler para momentos (Cardoso et al., §4.6.2, eq. 4.75; Aula 10, sl.13)
Vc fixo e indeformável:−ΓI∂t∂∫∀cρ(x×u)d∀+−ΓM1+ΓM2∫Scρ(x×u)(u⋅n)dS=ΓG∫∀cρ(x×g)d∀+ΓΠ∫Scx×PsdSΓG+ΓΠ+ΓI+ΓM1−ΓM2=0
ΓG: momento das forças mássicas (peso);
ΓΠ: momento das forças de contacto na Sc (pressões nas secções abertas e reações/atrito, ΓR);
ΓI: momento das forças de inércia, nulo em regime permanente;
ΓM1, ΓM2: momentos dos fluxos de quantidade de movimento nas entradas e saídas; com perfis uniformes, ΓMk=xk×ρQkuk.
Tudo em N·m.
Passos para aplicar o Teorema dos momentos
Continuidade (§7.5): Qk e as velocidades em cada secção aberta.
Escolher O sobre o eixo e z segundo o eixo.
Calcular cada ΓMk=xk×ρQkuk. Com um jato tangencial a distância r: ∣ΓM∣=ρQur, com sinal pela regra da mão direita.
Eliminar os termos nulos: entrada sobre o eixo, peso simétrico, p=0 nos jatos, ΓI=0 em regime permanente.
Resolver para o binário pedido (ΓR) e interpretar o sinal.
Quando usar
“Torniquete” ou “aspersor de rega”, “binário necessário para o manter parado”, “momento de atrito”, “velocidade de rotação sem atrito”. Também a força numa rótula, quando a sua linha de ação conta.
Exercício resolvido (Ex 4.9 do livro, alíneas a–b / Aula 10, sl.14)
Um torniquete de rega com dois bocais (Fig. 4.20) é alimentado na base por um caudal de 1 ℓ/s de água. A área de saída de cada bocal é 30 mm². A água sai dos bocais para a atmosfera, na direção normal à respetiva secção transversal, ou seja, tangencialmente e em sentidos opostos. A distância do eixo de rotação (vertical) ao centro de cada bocal é r=200 mm. O regime é permanente. Determine:
(a) a velocidade relativa, o caudal e o caudal mássico em cada bocal;
(b) o momento torsor mecânico ou de atrito, ΓR, necessário para manter o torniquete parado.
Resolução passo-a-passo
1. a) Continuidade (incompressível, Vc indeformável): o caudal divide-se igualmente pelos dois bocais.
Q2=2Q=0,5ℓ/s,W=u2r=S2Q2=30×10−65×10−4=16,7m/s,m˙2=ρQ2=0,5kg/s
Estes valores não dependem da rotação do torniquete.
2. b) Termos da equação dos momentos (O sobre o eixo, z para cima, Vc fixo, ΓI=0):
ΓM1=0: a entrada está sobre o eixo;
ΓG=0: o peso tem resultante sobre o eixo, por simetria;
pressões: atmosféricas nos jatos (p=0) e com braço nulo na entrada. Só fica o binário de atrito na ligação ao tubo, ΓR.
3. Momento dos jatos: cada jato é tangencial, a distância r; os dois dão momentos no mesmo sentido (binário). Arbitrando os jatos de modo que o seu momento aponte para −k:
ΓM2=−2rρQ2Wk=−2⋅0,2⋅1000⋅5×10−4⋅16,67k=−3,33kN⋅m4. Equilíbrio:ΓR−ΓM2=0:
ΓR=−2ρrS2Q22k=−3,33kN⋅m(∣ΓR∣=ρQWr)(resolução do livro). O binário ΓR tem o sentido do momento dos jatos. A reação dos jatos faz o torniquete rodar no sentido +k, e ΓR opõe-se a essa rotação.
Lição
Escolhendo O sobre o eixo, quase tudo se anula: a entrada, o peso e as pressões. Fica só o momento dos jatos, ρQur, contra o binário pedido. Os jatos saem para um lado e o torniquete roda para o outro, tal como um foguete.
9.4 Torniquete em rotação: velocidade absoluta e relativa
Ideia
Quando o torniquete roda com velocidade angular ω, o bocal anda a ωr no sentido da rotação, e o jato sai para trás com a velocidade relativa W. O que conta para o momento é a velocidade absoluta do jato, u2=W−ωr, como nos Vc móveis do §8.5. Quanto mais depressa roda, menor é u2 e menor é o binário. Sem atrito, o torniquete acelera até u2=0, ou seja ω=W/r.
Fig. 4.21 do livro (planta do torniquete). Em cada bocal compõem-se dois vetores tangenciais e opostos:
u2r (relativa, de módulo W, para trás);
u2s (do bocal, de módulo ωr, no sentido de ω).
A soma é u2, de módulo W−ωr. O torniquete roda em +k e ΓR aponta para −k, contra a rotação.
Armadilha
O caudal em cada bocal continua a ser Q2=WS2: usa a velocidade relativa. O fluxo de quantidade de movimento transporta a velocidade absoluta: ρQ2u2 (o fluxo é ρu(ur⋅n)).
u2=W−ωr só vale com o jato tangencial e oposto à rotação. Com bocais inclinados, só a componente tangencial conta (Prob 4.8 do livro).
Converter rpm: ω=2πn/60. Gralha no livro (Ex 4.9d): escreve ”2πω/60=797 rpm”; a conversão certa é n=60ω/(2π).
Arredondar W para 16,7 dá ω=83,5 rad/s (o valor do livro). Com W=16,67 dá 83,3 rad/s ≈ 796 rpm.
Binário num torniquete de dois braços a rodar (Cardoso et al., §4.6.2, Ex 4.9 c–e)
u2=relativaW−do bocalωr,ΓR=−2ρrQ2(W−ωr)k
Em função dos dados (Q1=2Q2, W=Q1/(2S2)):
ΓR=cresce com ωρQ1r2ω−torniquete paradoρr2S2Q12
Sem atrito (ΓR=0): ωmax=W/r. ω em rad/s; r em m; Q em m³/s; Γ em N·m.
Passos para um torniquete em rotação
Velocidade relativa pela continuidade: W=Q2/S2.
Velocidade do bocal: ωr, com ω=2πn/60.
Velocidade absoluta do jato: u2=W−ωr (componente tangencial).
ΓR=−2ρrQ2u2 (segundo k, com a convenção do §9.3).
Para a rotação livre, impor ΓR=0; para o caudal mínimo a uma dada rotação, Q1=2S2ωr.
Quando usar
“Binário para manter o torniquete a n rpm”, “velocidade de rotação sem atrito”, “caudal necessário para rodar a n rpm com um atrito dado” (Prob 4.9 do livro: Γ=1,0N×0,01m, Q≈1,2ℓ/s).
Exercício resolvido (Ex 4.9 do livro, alíneas c–e)
Com o torniquete do §9.3 (Q=1 ℓ/s, S2=30 mm², r=200 mm), determine:
(c) o binário ΓR necessário para manter a rotação a 500 rpm;
(d) a velocidade de rotação se não houver atrito (ΓR=0);
(e) a lei de variação de ΓR com ω para Q constante, e a lei de variação de ΓR com o caudal para ω constante.
Resolução passo-a-passo
1. c) 500 rpm:ω=2π⋅500/60=52,36 rad/s, logo ωr=10,47 m/s.
u2=W−ωr=16,67−10,47=6,20m/sΓR=−2ρrQ2u2k=−2⋅1000⋅0,2⋅5×10−4⋅6,20k⇒ΓR≈−1,24N⋅m
O livro dá −1,25 N·m porque usa W=16,7, o que dá u2=6,23 m/s. Com W=16,67 obtém-se 1,24.
2. d) Sem atrito:ΓR=0⇒u2=0:
ω=rW=0,216,67=83,3rad/s≈796rpm3. e) Lei geral:ΓR=ρQ1r2ω−ρr2S2Q12=0,04ω−3,33(N⋅m, com Q1=1ℓ/s)
É uma reta em ω: vale −3,33 parado e anula-se a 83,3 rad/s.
Com n em rpm (ω=2πn/60) e Q1 em m³/s, a forma geral é a do livro:
ΓR≈4,2nQ1−3,3×106Q12(N⋅m)
Com ω fixo é uma parábola em Q1. A Fig. 4.22 do livro mostra ΓR(n) para Q1=1 ℓ/s e ΓR(Q1) para 250, 500 e 750 rpm. Lê-se aí que ∣ΓR∣cresce com o caudal e diminui com a rotação.
Como consequência [nota própria], ΓR=0 a 500 rpm exige Q1=2S2ωr=2⋅30×10−6⋅10,47=6,3×10−4 m³/s ≈ 0,6 ℓ/s. Abaixo deste caudal, o torniquete sem atrito não chega a 500 rpm.
(resolução do livro)
Lição
O binário é máximo com o torniquete parado e anula-se quando a velocidade absoluta do jato é nula. Massa com a velocidade relativa, quantidade de movimento com a absoluta: é a mesma regra do Vc móvel do §8.5.
Ex 4.10 do livro: a mesma alínea d) num referencial que roda
Se o Vc rodar com o torniquete (referencial não inercial), aparece o binário de inércia de Coriolis ΓI∗=−∫∀cρx×(2ω×u)d∀=−2ρQ2ωr2k (eqs. 4.76–4.77, E4.15). Neste referencial, a velocidade à saída é a relativa, W, e por isso ΓM2=−2ρrQ2Wk. Igualando as duas expressões obtém-se outra vez ω=W/r. O resultado é o mesmo; no referencial fixo a conta é mais simples.
Estudo autónomo (Aula 10, sl.22)
Estudar: §4.6.2 e o Exemplo 4.9.
Resolver: o slide não indica problemas. O Prob 4.2 foi revisto na aula (sl.5). Para treinar: Probs 4.8 e 4.9 do livro.
10.1 1.º princípio da Termodinâmica e energia por unidade de massa
Ideia
A quarta lei de conservação é a da energia. A energia de um sistema material só muda por duas vias: o calorQT que atravessa a fronteira e o trabalhoW que o sistema troca com o exterior. Em cada partícula há três parcelas:
a cinética, do movimento macroscópico;
a potencial gravítica, da posição;
a interna, do movimento molecular e da temperatura (a forma “térmica”).
Em Hidráulica interessa a parte mecânica (cinética + potencial). A parte térmica é energia “perdida” para o escoamento.
Armadilha
Convenção de sinais (Aula 11, sl.4): calor recebido é +, calor emitido é −; trabalho realizado pelo sistema é +, trabalho recebido é −. Logo, numa turbina dWv/dt>0 e numa bomba dWv/dt<0.
e é energia por unidade de massa (J/kg = m²/s²). A carga H (§10.3) é por unidade de peso (m). Não misturar as duas.
u~ é a energia interna, e não uma velocidade.
Lei de conservação da energia (Cardoso et al., §4.7.1, eqs. 4.78–4.80; Aula 11, sl.4–5)
DtDEs=dtdQT−dtdW,Es=∫∀sρed∀,e=cineˊtica2∣u∣2+potencialgz+internau~Es, QT, W em J; as taxas em W; ∣u∣=(u2+v2+w2)1/2; z é a cota, medida para cima.
Passos para identificar as trocas de energia
Delimitar o sistema ou o Vc.
Calor: + se entra, − se sai.
Trabalho: + se o sistema o realiza (turbina), − se o recebe (bomba).
Quando usar
É a base conceptual da equação da energia (§10.2). Num problema, o sinal de dWv/dt diz se a máquina é uma turbina (+) ou uma bomba (−).
10.2 TTR e forma desenvolvida da equação da energia (termos 1–5)
Ideia
O TTR (§7.3), aplicado a B=Es e b=e, dá a equação num Vc. Depois o livro faz duas arrumações:
junta o calor e a variação de energia interna numa só potência térmica, dET/dt (a “dissipação”);
divide o trabalho em trabalho das forças de contacto na Sc e trabalho dos veios das máquinas, Wv. O trabalho da pressão passa para o 1.º membro como o termo p/ρ, porque é reversível.
No 1.º membro fica a energia mecânica do escoamento. No 2.º ficam as “saídas” de energia mecânica: o que se dissipa em calor, o trabalho das tensões viscosas e o que as máquinas tiram (ou dão).
Armadilha
Na forma desenvolvida, o fluxo tem três parcelas: ∣u∣2/2+gz+p/ρ. O p/ρ é o trabalho das forças de pressão, e não uma energia “armazenada” no fluido.
Aqui η designa as tensões normais viscosas (e Wη o seu trabalho), e não um rendimento.
Os coeficientes de correção da energia cinética (α) não aparecem nos slides nem nesta secção do livro: admite-se sempre um perfil uniforme.
Equação da energia, forma desenvolvida (Cardoso et al., §4.7.1, eqs. 4.81–4.91; Aula 11, sl.6–7)
Com o TTR:
dtd∫∀cρ(2∣u∣2+gz+u~)d∀+∫Scρ(2∣u∣2+gz+u~)(ur⋅n)dS=dtdQT−dtdW
Forma desenvolvida (o slide 7 remete para a dedução do livro, eqs. 4.83–4.90):
1∫∀c∂t∂[ρ(2∣u∣2+gz)]d∀+2∫Scρ(2∣u∣2+gz+ρp)(u⋅n)dS=3−dtdET4−dtdWη−dtdWτ5−dtdWv
variação da energia mecânica dentro do Vc;
fluxo de energia mecânica através da Sc mais o trabalho das forças de pressão;
potência térmica: calor trocado mais variação da energia interna, dtdET=−dtdQT+∫∀c∂t∂(ρu~)d∀+∫Scρu~(u⋅n)dS (eq. 4.84);
potência do trabalho das tensões normais viscosas (η) e tangenciais (τ);
potência das máquinas hidráulicas ou veios dentro do Vc.
Passos para simplificar a equação
Regime permanente: o termo 1 anula-se.
Paredes sólidas:u=0, logo Wτ=Wη=0 nas paredes.
Secções abertas perpendiculares ao escoamento: τ⊥u, logo Wτ=0; e Wη despreza-se. O termo 4 desaparece.
Paredes impermeáveis: o fluxo do termo 2 só existe nas secções abertas.
Ficam o termo 2 (nas secções) e os termos 3 e 5. É daqui que sai a carga hidráulica (§10.3).
Quando usar
Não se usa diretamente nos exercícios. É o ponto de partida para a equação H2−H1. Num teste teórico, convém saber o significado de cada um dos 5 termos e as hipóteses que anulam o 1 e o 4.
10.3 Carga hidráulica H = p/γ + z + u²/2g
Ideia
Num trecho de conduta com perfis uniformes e pressão hidrostática nas secções, a combinação p/γ+z+u2/2g é a mesma em todos os pontos de uma secção. Dividindo a equação da energia por γQ (o peso que passa por segundo), cada termo fica em metros. É a carga hidráulicaH, a energia mecânica por unidade de peso, com três “alturas”:
cota geométricaz: energia potencial;
altura piezométricap/γ: trabalho das forças de pressão;
altura cinéticau2/2g: energia cinética.
A soma p/γ+z é a cota piezométrica (§2.3), que é a carga “estática”.
Armadilha
Pergunta do professor (sl.10): qual é a diferença entre carga hidráulica e energia mecânica por unidade de peso? É a parcela p/γ. A energia mecânica propriamente dita é z+u2/2g. O p/γ é o trabalho das forças de pressão por unidade de peso (Cardoso et al., §4.7.2).
p e z medem-se no eixo da conduta. Com pressão hidrostática, o valor no eixo é a média da secção.
u é a velocidade média da secção, U=Q/S, porque o perfil se admite uniforme.
Usar sempre o mesmo tipo de pressão (relativa ou absoluta) nas duas secções. Só a diferença de cargas tem significado físico.
Errata dos slides 9 e 11: no termo de saída aparecem "gz" e "z" sem índice. No sl.11 isto acontece na 1.ª linha. Deve ler-se z2.
Legenda do sl.10: a legenda a vermelho chama a H “energia mecânica por unidade de peso”. Em rigor, não é: H inclui também p/γ, como se explica na resposta à pergunta do professor, acima (Cardoso et al., §4.7.2).
Hipóteses (sl.8): Vc fixo e indeformável entre 1 e 2; velocidades uniformes; pressão hidrostática nas secções; regime permanente; fluido homogéneo e incompressível; eixo horizontal; tensões tangenciais viscosas desprezáveis.
−ρ(2u12+gz1+ρp1)u1S1+ρ(2u22+gz2+ρp2)u2S2=−dtdET−dtdWv
Com u1S1=u2S2=Q, dividindo por γQ:
H=alt. piezomeˊtricaγp+cota geomeˊtricaz+alt. cineˊtica2gu2[m c.a.]p em Pa; γ=ρg=9800 N/m³; z em m; u em m/s.
Passos para calcular a carga numa secção
u=Q/S, com S=πD2/4.
p/γ, com a pressão no eixo (relativa, salvo indicação em contrário).
z do eixo, em relação a um plano de referência comum a todas as secções.
Somar: H=p/γ+z+u2/2g.
Quando usar
Sempre que o enunciado fala em carga, energia, potência, perda de carga, turbina ou bomba, ou quando se pede uma pressão a partir de outra, com velocidades e cotas conhecidas. Muitas vezes é o passo que dá a pressão p2 para depois aplicar o Teorema de Euler (§10.6).
10.4 Variação da carga: dissipação, perda de carga e perda unitária J
Ideia
Entre duas secções, a carga só pode mudar por duas razões: a dissipação (atrito, que transforma energia mecânica em calor) e as máquinas. Sem máquinas, a carga só diminui no sentido do escoamento: a água “gasta” carga para vencer o atrito. Essa diminuição é a perda de carga, ΔH=H1−H2. Por isso o escoamento vai sempre da secção de maior carga para a de menor carga (e não, necessariamente, da maior pressão ou da maior cota).
Armadilha
Errata do slide 11: escreve H2−H1=−γQ1dtdWv=ΔHv. O sinal coerente com o slide 13 (e com a eq. 4.97) é H2−H1=−ΔHv, com ΔHv=H1−H2.
“Conduta curta” ⇒ despreza-se dET/dt face à potência do veio. Numa conduta longa sem máquinas é ao contrário: toda a variação de carga é dissipação.
J=ΔH/L é adimensional (m/m). L é o comprimento ao longo da conduta.
A “dissipação por unidade de percurso”, dxdET=udET/dt=γS(H1−H2) (J/m), divide a potência pela velocidade, e não pelo comprimento L. Não confundir com J[nota própria].
Um H1−H2negativo sem máquina significa que o escoamento vai, afinal, de 2 para 1.
Variação da carga e dissipação (Cardoso et al., §4.7.2, eqs. 4.96 e 4.102–4.103; Aula 11, sl.11–12)
H2−H1=−γQ1(dtdET+dtdWv)Sem máquinas (dWv/dt=0):
poteˆncia dissipada (W)dtdET=γQ(H1−H2),perda de carga (m)ΔH=H1−H2,perda de carga unitaˊria (m/m)J=LH1−H2,dxdET=Q/SdET/dt(J/m)
Passos para uma perda de carga
Calcular H1 e H2 (§10.3) com o mesmo plano de referência e o mesmo tipo de pressão.
Sentido do escoamento: de max(H1,H2) para min(H1,H2).
Perda de carga ΔH=H1−H2 (positiva no sentido do escoamento).
Potência dissipada γQΔH; perda unitária J=ΔH/L.
Quando usar
“Potência dissipada”, “perda de carga entre A e B”, “perda de carga unitária”, “qual é o sentido do escoamento?” (com dois manómetros e uma conduta inclinada), “diferença de potências do escoamento entre duas secções”.
Exercício resolvido (Aula 11, sl.12 — conduta sem turbomáquina)
Numa conduta sem máquinas, H1=30 m e H2=20 m, com L=100 m, Q=1 m³/s, S=1 m² e γ=9800 N/m³. Determine a potência dissipada, a dissipação por unidade de percurso e a perda de carga unitária.
Resolução passo-a-passo
1. Potência dissipada (dWv/dt=0):
dtdET=γQ(H1−H2)=9800⋅1⋅(30−20)=98000W=98kW2. Por unidade de percurso (u=Q/S=1 m/s):
dxdET=udET/dt=98000J/m3. Perda de carga unitária:J=LH1−H2=10030−20=0,1m/m(resolução do slide)
Lição
Sem máquinas, a carga que se perde vai toda para calor: γQΔH é a potência que o atrito “come”. O J diz quantos metros de carga se perdem por metro de conduta.
Exercício resolvido (Ex 4.12 do livro — diferença de potências)
Uma tubagem horizontal tem uma contração brusca em B (Fig. 4.27). Na secção A, a montante: DA=1,00 m e pA=300 kPa. Na secção C, a jusante: DC=0,50 m e pC=200 kPa. O caudal é Q=2,0 m³/s, com velocidades uniformes. Determine a diferença entre as potências do escoamento em A e em C.
Resolução passo-a-passo
1. Velocidades:uA=2/(π⋅12/4)=2,546 m/s e uC=2/(π⋅0,52/4)=10,186 m/s.
2. Cargas (zA=zC):
HA=9800300000+19,62,5462=30,61+0,33=30,94m,HC=9800200000+19,610,1862=20,41+5,29=25,70m3. Perda de carga:ΔH=HA−HC=5,24 m.
4. Potência dissipada:ΔP=γQΔH=9800⋅2⋅5,24=102,7kW(resolução do livro). Gralha no livro: imprime “102 669 W”; a conta dá 9800⋅2⋅5,24=102704 W. O resultado de 102,7 kW está certo.
Lição
A pressão cai 100 kPa (10,2 m), mas só 5,24 m são perda. O resto (4,96 m) é a altura cinética que a água ganha ao acelerar na contração. Numa mudança de secção, comparar cargas, e não pressões.
Exercício resolvido (Prob 4.11 do livro)
Escoa-se água em regime permanente numa conduta de secção constante, com D=0,1 m (Fig. 4.38). A conduta sobe de 1 para 2, com inclinação 1:50, numa distância horizontal de 100 m. As pressões são p1=50 kPa e p2=20 kPa. Determine:
(a) a dissipação de energia por unidade de comprimento;
(b) o sentido do escoamento.
Resolução passo-a-passo
1. Cotas:z2−z1=100/50=2 m. A secção é constante, logo u1=u2 e as alturas cinéticas cancelam-se.
2. Diferença de cargas (referência em z1):
H1−H2=980050000−20000−2=3,061−2=1,061m>03. b) Sentido:H1>H2, logo o escoamento vai de 1 para 2 (a subir).
4. a) Dissipação por unidade de percurso:S=π⋅0,12/4=7,854×10−3 m².
dxdET=γS(H1−H2)=9800⋅7,854×10−3⋅1,061=81,7J/m[resolução própria], que bate com a solução do livro (81,66 J/m). A perda unitária seria J≈1,061/100=0,0106.
Lição
O escoamento sobe 2 m, contra a gravidade, porque a diferença de pressões (3,06 m) mais do que compensa a subida. Para o sentido do escoamento olha-se para a carga: nem a pressão sozinha nem a cota sozinha decidem.
10.5 Turbinas e bombas: queda útil, altura de elevação e potência
Ideia
Uma máquina dentro do Vc faz a carga dar um degrau:
uma turbina tira energia ao escoamento: H2<H1, e o degrau é a queda útilHu;
uma bomba dá energia ao escoamento: H2>H1, e o degrau é a altura de elevaçãoHt.
A potência hidráulica é sempre (peso por segundo) × (degrau de carga): Ph=γQH.
Armadilha
O sinal de ΔHv=H1−H2 diz qual é a máquina: positivo é turbina, negativo é bomba. Se o enunciado diz “bomba” e o sinal sai positivo, os dados implicam que a máquina funciona como turbina: verificar os dados [nota própria]. No Ex 4.13 os sinais confirmam o modo que o enunciado indica.
Ph=γQH é a potência hidráulica (a que o escoamento dá ou recebe). Não é a potência elétrica nem a do veio: a diferença são os rendimentos, que ficam fora do MAP1 (Cardoso et al. remetem-nos para o Cap. 9).
Se houver dissipação dentro da máquina, H1−H2 deixa de ser só ΔHv: γQ(H1−H2)=dWv/dt+dET/dt (Prob 4.10, Ex 4.14).
Usar o mesmoγ em todo o problema (9800 N/m³ no curso).
Potências do escoamento (Cardoso et al., §4.7.2, eqs. 4.97–4.101; Aula 11, sl.13)
Ph=γQ∣ΔHv∣. Se houver dissipação, somá-la (ou subtraí-la) com o sinal da eq. 4.96.
No sentido inverso, com P dado: ∣ΔHv∣=P/(γQ), e daí a pressão desconhecida.
Quando usar
“Potência extraída pela turbina”, “potência fornecida pela bomba”, “altura de elevação”, “queda útil”, “funciona como bomba ou como turbina?”, “pressão a jusante da turbina”.
Exercício resolvido (Ex 4.13 do livro — bomba e turbina)
Numa conduta horizontal de água há um veio. O regime é permanente, com Q=0,15 m³/s, u1=3 m/s na entrada e u2=4 m/s na saída (perfis uniformes). A variação de carga deve-se apenas ao veio. Determine a potência quando:
(a) o veio está associado a uma bomba e p2−p1=+200 kPa;
(b) o veio está associado a uma turbina e p2−p1=−100 kPa.
Resolução passo-a-passo
1. Equação (z1=z2):
ΔHv=H1−H2=2gu12−u22+γp1−p2,2gu12−u22=19,69−16=−0,357m2. a)ΔHv=−0,357−9800200000=−20,77 m <0, logo é uma bomba, com Ht=20,77 m:
Ph=γQHt=9800⋅0,15⋅20,77=30,5kW (bomba)3. b)ΔHv=−0,357+9800100000=+9,85 m >0, logo é uma turbina, com Hu=9,85 m:
Ph=γQHu=9800⋅0,15⋅9,85=14,5kW (turbina)(resolução do livro)
Lição
O sinal de ΔHv decide tudo. A altura cinética entra nos dois casos com o mesmo valor (−0,357 m), porque o caudal e as secções não mudam. Uma pressão que sobe muito através da máquina é bomba; uma que desce é turbina.
Exercício resolvido (Ex 4.14 do livro — bomba com aquecimento)
Uma bomba centrífuga (Fig. 4.28) eleva Q=20 ℓ/s de água. A secção de entrada tem D1=100 mm e p1/γ=15 m; a de saída tem D2=50 mm e p2/γ=40 m. O eixo é horizontal (z1=z2), os perfis são uniformes e o processo é adiabático, com u~2−u~1=1,5 J/kg. Determine a potência fornecida ao escoamento.
Resolução passo-a-passo
1. Potência térmica (adiabático: dQT/dt=0; permanente; eq. 4.84):
dtdET=ρQ(u~2−u~1)=1000⋅0,020⋅1,5=30W2. Velocidades:u1=0,020/(π⋅0,12/4)=2,55 m/s e u2=0,020/(π⋅0,052/4)=10,19 m/s.
3. Diferença de cargas:H2−H1=(40−15)+19,610,192−2,552=25+4,96=29,96m4. Potência do veio (eq. 4.96):
dtdWv=−γQ(H2−H1)−dtdET=−9800⋅0,020⋅29,96−30=−5872−30≈−5,9kW
O sinal − confirma que é uma bomba, que fornece cerca de 5,9 kW ao escoamento. (resolução do livro): o livro dá 5906 W, arredondando u2=10,2 m/s.
Lição
A bomba tem de dar ao escoamento o aumento de carga mais o que se dissipa (aquece a água). Na eq. 4.96, dET/dt e dWv/dt somam-se: com uma bomba (dWv<0), a dissipação aumenta a potência necessária.
Exercício resolvido (Prob 4.10 do livro — turbina com dissipação)
Uma turbina, alimentada por um reservatório num troço horizontal de conduta com D=1 m dos dois lados e com manómetros a montante e a jusante (Fig. 4.37; o texto do livro remete por gralha para a “Figura 4.27”), recebe Q=1 m³/s e extrai uma potência hidráulica de 500 kW. Dentro da turbina dissipam-se 50 kJ/s em calor. A montante e a jusante, os efeitos viscosos são desprezáveis. Determine:
(a) a queda útil;
(b) p1−p2;
(c) a força horizontal da turbina sobre a estrutura de apoio.
Resolução passo-a-passo
1. a) Diferença de cargas (eq. 4.96, com dWv/dt=+500 kW e dET/dt=+50 kW):
H1−H2=γQ1(dtdET+dtdWv)=9800⋅1550000=56,12m
É o valor que o livro dá como queda útil: a diferença de cargas entre a entrada e a saída da turbina. A parte que vai para o veio é ΔHv=500000/9800=51,02 m; os 5,10 m restantes são dissipação.
2. b) Pressões: o diâmetro e a cota são iguais, logo u1=u2 e H1−H2=(p1−p2)/γ:
p1−p2=9800⋅56,12=550kPa3. c) Euler segundo x:u1=u2, logo os fluxos de quantidade de movimento anulam-se:
p1S−p2S+Rx=0⇒Fx=−Rx=(p1−p2)S=550000⋅4π=432kN(+x)[resolução própria], que bate com a solução do livro (56,12 m; 550 kPa; 432i kN).
Lição
Energia e quantidade de movimento combinam-se: a energia dá a queda de pressão através da máquina e o Euler transforma-a numa força. Com dissipação interna, a queda de carga é maior do que a potência extraída dividida por γQ. Ambiguidade no livro: pela eq. 4.101, Hu=P/(γQ)=51,02 m; o livro chama queda útil a H1−H2=56,12 m. No teste, indicar qual se usa.
10.6 Energia + Teorema de Euler: força numa turbina em conduta
Ideia
Muitos problemas pedem uma força, mas uma das pressões não é dada. A estratégia é encadear as três leis de conservação:
massa, para as velocidades;
energia, para a pressão que falta;
quantidade de movimento, para a força.
A energia “não vê” forças, e o Euler “não vê” potências: precisam um do outro.
Armadilha
O binário do veio não dá força axial. No Euler segundo x entram só as pressões, os fluxos de quantidade de movimento e Rx.
Usar pressões relativas no Euler. Se a pressão dada fosse absoluta, seria preciso descontar a ação da atmosfera no exterior do invólucro, patm(S1−S2) (Cardoso et al. não o discutem no Ex 4.11) [nota própria].
Na energia, só interessa p2−p1, e por isso o tipo de pressão é indiferente desde que seja o mesmo nas duas secções.
Encadeamento massa → energia → Euler (Cardoso et al., Ex 4.11; Aula 11, sl.14)
Q=u1S1=u2S2⇒γp2=γp1+z1−z2+2gu12−u22−ΔHv⇒Rx=ρQ(u2−u1)−p1S1+p2S2,Fx=−Rx
(eixo horizontal segundo x; turbina com ΔHv=P/(γQ); para uma bomba, ΔHv=−P/(γQ)).
Passos para a força sobre uma máquina
Continuidade: Q e u2.
Energia: ΔHv=±P/(γQ) e a pressão desconhecida.
Euler segundo o eixo: p1S1−p2S2+ρQ(u1−u2)+Rx=0.
Força sobre a estrutura: Fx=−Rx.
Quando usar
“Força horizontal no invólucro da turbina”, “esforço no apoio da bomba”, qualquer problema com uma potência e uma força no mesmo enunciado.
Exercício resolvido (Ex 4.11 do livro / Aula 11, sl.14)
Uma pequena turbina de água (Fig. 4.24) extrai 7,7 kW do escoamento. A conduta tem eixo horizontal. Na secção 1: D1=609 mm, u1=5 m/s e p1=103,5 kPa. Na zona da turbina, a conduta estreita para 305 mm e volta a alargar até à secção 2, com D2=457 mm. Determine a força horizontal do escoamento sobre o invólucro onde se apoia a turbina, desprezando a variação de ET, o trabalho das forças dissipativas nas superfícies abertas e as perdas de energia na turbina.
(O enunciado segue o sl.14. O livro, na p. 213, diz apenas “fornece uma potência igual a 7,7 kW”, sem a referência às perdas na turbina.)
Resolução passo-a-passo
1. Continuidade:
S1=π⋅0,6092/4=0,2913 m², logo Q=5⋅0,2913=1,456 m³/s;
S2=π⋅0,4572/4=0,1640 m², logo u2=Q/S2=8,88 m/s.
2. Energia (turbina, z1=z2):
Hu=ΔHv=γQP=9800⋅1,4567700=0,540mp2=p1+2ρ(u12−u22)−γHu=103500+500(25−78,84)−5287≈71,3kPa3. Euler segundo x (regime permanente; Rx = força do invólucro e da turbina sobre o fluido):
p1S1−p2S2+Rx=ρQ(u2−u1)30149−11694+Rx=1000⋅1,456⋅3,88=5650⇒Rx=−12,8kN4. Força sobre o invólucro:Fx=−Rx=+12,8kN(no sentido do escoamento)(resolução do livro): o livro dá p2=71284 Pa e 12,81 kN. Há uma incoerência no livro: o enunciado fala do “invólucro” e a conclusão do “túnel”. É a mesma peça.
Lição
A pressão a jusante cai por dois motivos: a turbina tira 0,54 m de carga e a água acelera (de 5 para 8,9 m/s), ganhando 2,75 m de altura cinética. A força resulta sobretudo do desequilíbrio das pressões (p1S1≫p2S2). A energia dá o p2; o Euler dá a força.
Ex 4.6 do livro revisto com a carga (Aula 11, sl.20)
A bifurcação já está resolvida na §8.3: 565,5 kN com as válvulas fechadas e 453,3 kN com QC=QD=3 m³/s. A conta segundo x tem de incluir as pressões nas saídas C e D: −2ΠCcos60°=−98,2 kN. Sem elas obter-se-ia o valor errado de 551,5 kN.
Com a carga, os dados ficam sob suspeita: com p=500 kPa em A e em C, HC−HA=(uC2−uA2)/2g=(15,282−5,3052)/19,6=+10,5 m. A carga subiria sem nenhuma bomba, o que é impossível. Sem perdas, seria pC≈500−0,5(15,282−5,3052)≈397 kPa. O enunciado impõe 500 kPa e usa-se o dado; a lição é verificar sempre os dados com a carga [nota própria].
Estudo autónomo (Aula 11, sl.21)
Estudar: §4.7; Exemplos 4.12, 4.13 e 4.14 (§10.4 e §10.5).
Nota: o PDF da Aula 11 salta do sl.14 para o sl.20. Os slides 15–19, provavelmente com a resolução do Ex 4.11 e do Ex 4.6, não estão disponíveis. Por isso, as resoluções acima são as do livro.
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