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Compreendendo o que é a Dinâmica de Fluidos

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A dinâmica de fluidos é o estudo do movimento de fluidos, incluindo suas interações quando dois fluidos entram em contato um com o outro. Nesse contexto, o termo "fluido" refere-se a líquidos ou gases. É uma abordagem estatística macroscópica para analisar essas interações em larga escala, vendo os fluidos como um continuum de matéria e geralmente ignorando o fato de que o líquido ou gás é composto de átomos individuais.

A dinâmica dos fluidos é um dos dois principais ramos da mecânica de fluidos, com o outro ramo sendoestática de fluidos,o estudo de fluidos em repouso. (Talvez não surpreendentemente, a estática dos fluidos pode ser considerada um pouco menos emocionante na maioria das vezes do que a dinâmica dos fluidos.)

Conceitos-chave da dinâmica de fluidos

Toda disciplina envolve conceitos que são cruciais para entender como ela funciona. Aqui estão alguns dos principais que você encontrará ao tentar entender a dinâmica de fluidos.

Princípios Básicos de Fluidos

Os conceitos de fluidos que se aplicam à estática dos fluidos também entram em cena quando se estuda fluidos em movimento. Praticamente o conceito mais antigo em mecânica de fluidos é o de flutuabilidade, descoberto na Grécia antiga por Arquimedes.

À medida que os fluidos fluem, a densidade e a pressão dos fluidos também são cruciais para entender como eles irão interagir. A viscosidade determina a resistência do líquido à mudança, também é essencial no estudo do movimento do líquido. Aqui estão algumas das variáveis ​​que surgem nessas análises:

  • Viscosidade a granel:μ
  • Densidade:ρ
  • Viscosidade cinemática:ν = μ / ρ

Fluxo

Como a dinâmica dos fluidos envolve o estudo do movimento de fluidos, um dos primeiros conceitos que devem ser entendidos é como os físicos quantificam esse movimento. O termo que os físicos usam para descrever as propriedades físicas do movimento do líquido é fluxo. O fluxo descreve uma ampla gama de movimentos de fluidos, como soprando no ar, fluindo através de um tubo ou correndo ao longo de uma superfície. O fluxo de um fluido é classificado de várias maneiras diferentes, com base nas várias propriedades do fluxo.

Fluxo constante x instável

Se o movimento do fluido não mudar ao longo do tempo, é considerado um fluxo constante. Isso é determinado por uma situação em que todas as propriedades do fluxo permanecem constantes com relação ao tempo ou, alternativamente, podem ser discutidas dizendo que as derivadas de tempo do campo do fluxo desaparecem. (Confira o cálculo para saber mais sobre como entender derivativos.)

UMA fluxo de estado estacionário depende ainda menos do tempo, porque todas as propriedades do fluido (não apenas as propriedades do fluxo) permanecem constantes em todos os pontos do fluido. Portanto, se você tivesse um fluxo constante, mas as propriedades do próprio fluido mudassem em algum momento (possivelmente devido a uma barreira que causa ondulações dependentes do tempo em algumas partes do fluido), você teria um fluxo constante não um fluxo em estado estacionário.

Todos os fluxos no estado estacionário são exemplos de fluxos constantes, no entanto. Uma corrente que flui a uma taxa constante através de um tubo reto seria um exemplo de fluxo em estado estacionário (e também em fluxo constante).

Se o próprio fluxo tiver propriedades que mudam ao longo do tempo, ele será chamado de fluxo instável ou um fluxo transitório. A chuva que flui para uma calha durante uma tempestade é um exemplo de fluxo instável.

Como regra geral, fluxos contínuos facilitam a solução de problemas do que fluxos instáveis, o que seria de esperar, dado que as mudanças dependentes do tempo no fluxo não precisam ser levadas em consideração e as coisas que mudam ao longo do tempo normalmente vão tornar as coisas mais complicadas.

Fluxo Laminar vs. Fluxo Turbulento

Diz-se que um fluxo suave de líquido tem fluxo laminar. Diz-se que o fluxo que contém movimento não-linear aparentemente caótico tem fluxo turbulento. Por definição, um fluxo turbulento é um tipo de fluxo instável.

Ambos os tipos de fluxos podem conter redemoinhos, vórtices e vários tipos de recirculação, embora quanto mais comportamentos existam, maior a probabilidade de o fluxo ser classificado como turbulento.

A distinção entre se um fluxo é laminar ou turbulento está geralmente relacionada à Número de Reynolds () O número de Reynolds foi calculado pela primeira vez em 1951 pelo físico George Gabriel Stokes, mas recebeu o nome do cientista do século XIX Osborne Reynolds.

O número de Reynolds depende não apenas das especificidades do próprio fluido, mas também das condições de seu fluxo, derivado como a razão de forças inerciais para forças viscosas da seguinte maneira:

= Força inercial / Forças viscosas
= (ρ V dV/dx) / (μ d2V / dx2)

O termo dV / dx é o gradiente da velocidade (ou primeira derivada da velocidade), que é proporcional à velocidade (V) dividido por eu, representando uma escala de comprimento, resultando em dV / dx = V / L. A segunda derivada é tal que d2V / dx2 = V / L2. Substituí-los pela primeira e segunda derivadas resulta em:

= (ρ V V/eu) / (μ V/eu2)
Re = (ρ V L) / μ

Você também pode dividir pela escala de comprimento L, resultando em uma Número de Reynolds por pé, designado como Re f = Vν.

Um número baixo de Reynolds indica fluxo laminar suave. Um número alto de Reynolds indica um fluxo que demonstrará redemoinhos e vórtices e geralmente será mais turbulento.

Fluxo de Tubo vs. Fluxo de Canal Aberto

Fluxo do tubo representa um fluxo que está em contato com limites rígidos de todos os lados, como a água que se move através de um tubo (daí o nome "fluxo de tubo") ou o ar que se move através de um duto de ar.

Fluxo de canal aberto descreve o fluxo em outras situações em que há pelo menos uma superfície livre que não está em contato com um limite rígido. (Em termos técnicos, a superfície livre possui 0 estresse paralelo absoluto.) Casos de fluxo em canal aberto incluem água que se move através de um rio, inundações, água que flui durante chuva, correntes de maré e canais de irrigação. Nesses casos, a superfície da água corrente, onde a água está em contato com o ar, representa a "superfície livre" do fluxo.

Os fluxos em um tubo são conduzidos pela pressão ou pela gravidade, mas os fluxos em situações de canal aberto são conduzidos exclusivamente pela gravidade. Os sistemas de água da cidade costumam usar torres de água para tirar proveito disso, de modo que a diferença de elevação da água na torre (acabeça hidrodinâmica) cria um diferencial de pressão, que é então ajustado com bombas mecânicas para levar a água aos locais no sistema em que são necessários.

Compressível vs. Incompressível

Os gases geralmente são tratados como fluidos compressíveis porque o volume que os contém pode ser reduzido. Um duto de ar pode ser reduzido pela metade do tamanho e ainda transportar a mesma quantidade de gás na mesma taxa. Mesmo quando o gás flui através do duto de ar, algumas regiões terão densidades mais altas que outras.

Como regra geral, ser incompressível significa que a densidade de qualquer região do fluido não muda em função do tempo, à medida que se move através do fluxo. Os líquidos também podem ser comprimidos, é claro, mas há mais uma limitação na quantidade de compressão que pode ser feita. Por esse motivo, os líquidos são tipicamente modelados como se fossem incompressíveis.

Princípio de Bernoulli

Princípio de Bernoulli é outro elemento-chave da dinâmica dos fluidos, publicado no livro de Daniel Bernoulli em 1738Hidrodinâmica. Simplificando, relaciona o aumento de velocidade em um líquido a uma diminuição na pressão ou energia potencial. Para fluidos incompressíveis, isso pode ser descrito usando o que é conhecido como Equação de Bernoulli:

(v2/2) + gz + p/ρ = constante

Onde g é a aceleração devido à gravidade, ρ é a pressão através do líquido,v é a velocidade do fluxo de fluido em um determinado ponto, z é a elevação nesse ponto e p é a pressão nesse ponto. Como isso é constante dentro de um fluido, isso significa que essas equações podem relacionar quaisquer dois pontos, 1 e 2, com a seguinte equação:

(v12/2) + gz1 + p1/ρ = (v22/2) + gz2 + p2/ρ

A relação entre pressão e energia potencial de um líquido com base em elevação também está relacionada à Lei de Pascal.

Aplicações da dinâmica de fluidos

Dois terços da superfície da Terra são água e o planeta é cercado por camadas de atmosfera, por isso estamos literalmente cercados o tempo todo por fluidos ... quase sempre em movimento.

Pensando um pouco sobre isso, isso torna bastante óbvio que haveria muitas interações de fluidos em movimento para estudar e entender cientificamente. É aí que entra a dinâmica dos fluidos, é claro, para que não haja escassez de campos que apliquem conceitos da dinâmica dos fluidos.

Esta lista não é de todo exaustiva, mas fornece uma boa visão geral das maneiras pelas quais a dinâmica de fluidos aparece no estudo da física em várias especializações:

  • Oceanografia, Meteorologia e Ciência do Clima - Como a atmosfera é modelada como fluidos, o estudo da ciência atmosférica e das correntes oceânicas, cruciais para entender e prever os padrões climáticos e as tendências climáticas, depende muito da dinâmica dos fluidos.
  • Aeronáutica - A física da dinâmica de fluidos envolve o estudo do fluxo de ar para criar arrasto e elevação, que por sua vez gera as forças que permitem o vôo mais pesado que o ar.
  • Geologia e Geofísica - A tectônica de placas envolve o estudo do movimento da matéria aquecida dentro do núcleo líquido da Terra.
  • Hematologia e Hemodinâmica -O estudo biológico do sangue inclui o estudo de sua circulação através dos vasos sanguíneos, e a circulação sanguínea pode ser modelada usando os métodos da dinâmica de fluidos.
  • Física do plasma - Embora nem líquido nem gás, o plasma geralmente se comporte de maneiras semelhantes aos fluidos, também pode ser modelado usando a dinâmica de fluidos.
  • Astrofísica e Cosmologia - O processo de evolução estelar envolve a mudança de estrelas ao longo do tempo, o que pode ser entendido pelo estudo de como o plasma que compõe as estrelas flui e interage dentro da estrela ao longo do tempo.
  • Análise de Tráfego - Talvez uma das aplicações mais surpreendentes da dinâmica de fluidos seja a compreensão do movimento do tráfego, tanto de veículos quanto de pedestres. Nas áreas em que o tráfego é suficientemente denso, todo o corpo do tráfego pode ser tratado como uma única entidade que se comporta de maneiras que são aproximadamente similares o suficiente ao fluxo de um fluido.

Nomes alternativos da dinâmica de fluidos

A dinâmica dos fluidos também é algumas vezes referida como hidrodinâmica, embora esse seja mais um termo histórico. Ao longo do século XX, a frase "dinâmica dos fluidos" tornou-se muito mais comum.

Tecnicamente, seria mais apropriado dizer que a hidrodinâmica ocorre quando a dinâmica de fluidos é aplicada a líquidos em movimento e aerodinâmica é quando a dinâmica de fluidos é aplicada aos gases em movimento.

No entanto, na prática, tópicos especializados como estabilidade hidrodinâmica e magneto-hidrodinâmica usam o prefixo "hidro-" mesmo quando aplicam esses conceitos ao movimento de gases.


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