Hidrodinâmica

Mecânica é o ramo da física que analisa não só o movimento e sua evolução no tempo, mas, também o repouso dos corpos. A Mecânica é dividida em três ramificações, dentre elas a Dinâmica.

Dinâmica é a área da Mecânica que estuda os movimentos dos corpos considerando a causa geradora de movimento. Como causa, define-se o conceito de força. Em outras palavras, força é a grandeza física responsável pela geração de movimento.

Em física um corpo pode se encontrar em equilíbrio em duas situações. Na primeira, o corpo está livre de forças atuantes, neste caso, o equilíbrio é denominado estático e o corpo se encontra em repouso. Já na segunda o corpo está sob a ação de uma ou mais forças, neste caso, o equilíbrio é denominado dinâmico e o corpo se encontra em movimento retilíneo uniforme. Neste caso, a força resultante que atua sobre este corpo será nula.

Hidrodinâmica

Diferentemente da Hidrostática onde os fluidos encontram-se em equilíbrio, seja ele estático ou dinâmico na Hidrodinâmica os fluidos se encontram fora do equilíbrio. Isso é o mesmo que dizer que a força resultante aplicada ao fluido não é nula. Então a Hidrodinâmica é a área da física dedicada ao estudo de fluidos em movimento sob a ação de forças. A Hidrodinâmica é uma área altamente aplicada na Engenharia. O estudo da Hidrodinâmica é baseado nos seguintes conceitos:

Vazão

Certamente você ao utilizar uma mangueira de água já percebeu que ao tampar a boca da mangueira a água saía mais rápida. Em outras palavras você estava diminuindo a área da saída de água da mangueira. Por outro lado, você pode nunca ter se perguntado qual a explicação física para isso. A grandeza envolvida em tal situação é denominada vazão e está intimamente ligado a velocidade de escoamento e a área de seção transversal por onde o fluido escoa. Para o melhor entendimento, considere um tubo cilíndrico de seção transversal de área percorrida por um fluido qualquer cuja o módulo da velocidade de escoamento seja igual a (situação representada pela Figura 1).

Figura 1: Tubo cilíndrico percorrido por um fluido.

A vazão nesse tubo é dada então pela razão entre a velocidade e o tempo necessário para o fluido escoar pela área S. Matematicamente:

Q=\frac{V}{\Delta t}

A vazão também pode ser obtida pelo produto entre a área S e a velocidade do fluido:

Equação da continuidade

Considere um tubo com duas seções transversais de áreas diferentes e respectivamente iguais a S1 e S2 (essa situação é representada pela Figura 2).

Figura 2: Tubo com duas áreas de seção transversais diferentes percorrido por um fluido.

A equação da continuidade diz que, apesar do tubo não possuir a mesma área de seção transversal ao longo de seu comprimento, as vazões durante todo seu comprimento é a mesma. Ou seja:

Q_1=Q_2

S_1\cdot v_1=S_2\cdot v_2

Princípio de Bernoulli

Considera-se dois pontos quaisquer A e B dentro de um fluido em movimento sob a ação da aceleração da gravidade (situação representada pela Figura 3). Uma vez que a velocidade é uma grandeza vetorial, que sempre é tangente a trajetória, as velocidades vetoriais de A e B serão diferentes. O princípio de Bernoulli diz então que, deve-se levar em conta um setor potencial, um setor cinético e um setor potencial gravitacional.

Figura 3: Velocidade dos pontos A e B em um fluido em movimento.

P_A=P_B

p_A+dgh_A+\frac{dv_A^2}{2}=p_B+dgh_B+\frac{dv_B^2}{2}

Esta equação pode ser reescrita da seguinte maneira:

p+dgh+\frac{dv^2}{2}=\text{constante}

Onde p, h e v são as diferenças entre as pressões A e B, alturas A e B e velocidades A e B respectivamente.

O princípio de Bernoulli é um tipo de equação de conservação de energia e apresenta inúmeras aplicações em Mecânica dos Fluidos.

Referências:

BONJORNO, José Roberto; BONJORNO, Regina Azenha; BONJORNO, Valter; CLINTON, Márcico Ramos. Física História & Cotidiano. São Paulo: Editora FTD, 2004, volume único.

HEWITT, Paul G. Física Conceitual. Porto Alegre: Editora: Bookman, 2011, 11ª. ed. v. único.

Texto originalmente publicado em https://www.infoescola.com/fisica/hidrodinamica/