História mecânica de fluidos, que estudos, fundamentos

O mecânica de fluidos É o ramo da mecânica dedicada a estudar as propriedades e o comportamento dos fluidos, sejam líquidos ou gases. É baseado nos princípios da Newtonian Mechanics de Newton: leis de Newton, conservação de energia e momento.

Nas ciências da engenharia e da vida, os fluidos têm um papel principal. O ar e a água que nos cercam e que sustentam a vida são fluidos, bem como sangue e outros líquidos no corpo humano e em animais.

A mecânica de fluidos estuda o comportamento de gases e líquidos, como água. Fonte: Pixabay.

Correntes de ar e correntes aquáticas são fatores que determinam o clima e as características dos ecossistemas que abrigam seres vivos. Plantas, que são o apoio da vida, aproveitam as qualidades dos fluidos para se adaptar e prosperar em diferentes ambientes.

Por outro lado, conhecer o comportamento dos fluidos é essencial no design. As estruturas que moldam a civilização. A partir daí, surge o design de tubos, sistemas de irrigação, construções civis, resfriamento, aquecimento, carros, barcos, aviões, artigos esportivos e muito mais.

A mecânica dos fluidos continua a agir ainda se afastando do ambiente da terra. De fato, o Sol, o centro do sistema solar, é uma massa colossal de fluido gasoso, cuja existência depende do equilíbrio entre gravidade e pressão hidrostática.

Os campos magnéticos estelares e planetários são uma conseqüência do movimento de cargas elétricas e são modeladas através da dinâmica de fluidos. Até onde sabemos, esses princípios também são válidos para todas as estrelas, portanto a mecânica fluida é uma disciplina de natureza universal.

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Breve história

Antiguidade

As civilizações antigas que prosperaram no Oriente Médio e na Europa Oriental tinham um sólido conhecimento sobre o comportamento dos fluidos. Eles foram revelados na construção de canais de irrigação e navios.

No terceiro século aC, os arquimedes físicos de Siracusa (287-212 para.C.) formularam os princípios de flutuação e hidrostática, tão válidos quanto agora.

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Sabe -se que os romanos antigos se tornaram notáveis ​​para a gestão e transporte de águas para uso doméstico e agrícola. Eles construíram banheiros e muitos de seus aquedutos ainda se levantam.

Idade Média e Renascença

Desenho Leonardo da Vinci

Além disso, os árabes que invadiram a Península Ibérica trouxeram com eles muitos dos conhecimentos dos gregos que colocaram em prática ao construir seus edifícios.

Mas a Idade Média passou sem o aparente.

Idade moderna até hoje

Blaise Pascal Desenho

Blaise Pascal (1623-1662) foi um cientista francês que se aventurou em muitos campos de conhecimento em seu tempo e lançou uma nova luz sobre a natureza dos fluidos, estabelecendo, por volta de 1648, o princípio que leva seu nome e criando a imprensa hidráulica. Alguns anos antes do evangelista Torricelli (1608-1647) foi o primeiro a medir a pressão atmosférica.

Mas foi Isaac Newton (1642-1727) quem lançou as fundações para os fenômenos associados a fluidos. Não apenas ao estabelecer as três leis da dinâmica, aplicável a todos os objetos com massa.

Isaac Newton experimentando a luz

Newton também estudou a viscosidade dos fluidos: de fato, existe uma lei de Newton para a viscosidade que permanece em vigor hoje.

Em 1738, o matemático suíço e físico Daniel Bernoulli (1700-1782) aplicou a conservação da energia a um fluido ideal e formulou a equação que leva seu nome e descreve o comportamento dos fluidos em movimento. Ao mesmo tempo, Claude Navier (1785-1836) e George Stokes (1819-1903) desenvolveram as equações fundamentais da dinâmica de fluidos viscosos.

Daniel Bernoulli

Terminando o século XIX, Osborne Reynolds (1842-1912) estudou turbulência e estabeleceu um critério para distinguir fluxos laminares e turbulentos.

A análise dimensional aplicada a fluidos também surge, com Ludwig Prandtl (1875-1953) e o número Prandtl. A computação promoveu simulações de fluxo de fluido muito mais complexas, de natureza frequente, mas difíceis de caracterizar com os modelos analíticos disponíveis.

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Que estudos mecânicos de fluidos?

A mecânica de fluidos estuda o comportamento do fluido e é dividido em três áreas principais:

• Fluidos estáticos ou fluidos de repouso.
• Cinemática de fluidos: descreva o movimento de fluidos.
• Dinâmica de fluidos, que estuda a origem do referido movimento.

Essas disciplinas se aplicam a gases e fluidos, embora o estudo exclusivo seja chamado hidráulico. Hidrostático por sua vez, refere -se ao estudo de líquidos em repouso e hidrodinâmica, quando estão se movendo.

A reologia cobre o conhecimento relacionado a deformações e o fluxo da matéria. Embora seja considerado como parte da mecânica da mídia contínua, está intimamente relacionado a fluidos, pois estes são caracterizados precisamente por sua capacidade de fluir.

Outros ramos importantes são aerodinâmica, que analisa o fluxo de gases como o ar, bem como meteorologia, oceanografia e hidrologia.

Fundamentos da mecânica de fluidos

Ao observar os fluidos, verifica -se que eles são formados por átomos e moléculas, não tão ligados um ao outro quanto os de um sólido. É possível seguir o caminho do movimento de um objeto estendido, mas finito, mas como monitorar as inúmeras partículas em um gás ou líquido?

Densidade, peso e pressão específicos

A resposta está nesses conceitos -chave: densidade e pressão. Em vez de trabalhar com massas e pesos individuais, funciona com densidade, que é a massa por unidade de volume. Associado à densidade está o peso específico, que é o peso do fluido por unidade de volume.

E em vez de força, os fluidos são caracterizados por pressão que exercem nas superfícies, que é definido como força por unidade de área.

Gosma

Descreve o atrito entre as camadas do fluido, uma característica que determina como seu movimento será.

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Princípio de Arquimedes

O princípio dos arquimedes é fundamental em hidrostático. Isso afirma que um corpo total ou parcialmente submerso em uma experiência fluida em repouso.

Princípio Pascal

Estabelece que a pressão em um fluido incompressível dentro de um recipiente é transmitido de um ponto para outro do mesmo com a mesma intensidade.

Equação de Bernoulli

É equivalente à conservação da energia mecânica aplicada a uma porção de fluido ideal que circula através de um tubo.

Número de Reynolds

É uma quantidade adimensional usada para distinguir entre fluxos laminares e turbulentos.

Número Prandtl

É uma quantidade adimensional que caracteriza a transferência de calor por convecção para o fluxo de um certo fluido.

Aplicações de mecânica de fluidos

No começo, demos uma lista sem importância das múltiplas aplicações de mecânica de fluido. Em seguida, nomearemos brevemente alguns dos mais relevantes:

A imprensa hidráulica

Uma imprensa hidráulica é uma máquina baseada no princípio Pascal. Fonte: Wikimedia Commons.

É uma máquina que consiste em um tubo com duas seções transversais diferentes, cheias de um fluido incompressível. Quando uma força é aplicada a um punger na seção estreita, é multiplicada na saída de um mergulho maior na seção ampla.

Compressores

São máquinas que aumentam a pressão no momento em que deslocam certos fluidos compressíveis, como gases. Dessa forma, eles os forçam a fluir, enquanto ganham energia que pode ser usada para fazer trabalho mecânico.

Turbinas

Máquinas que usam um fluido para girar lâminas ou hélices, que também fazem trabalho mecânico.

Ar condicionado

Os sistemas aquecidos: aquecimento e ar condicionado são baseados nas propriedades dos fluidos para termalizar os ambientes.

Referências

1. Cimbala, c. 2006. Mecânica de fluidos, fundamentos e aplicações. Mc. Graw Hill.
2. Franzini, J. 1997. Mecânica de fluidos com aplicações de engenharia. 9NA. Edição. McGraw Hill.
3. Mott, r.  2006. Mecânica de fluidos. 4º. Edição. Pearson Education.
4. Potter, m. Mecânica de fluidos. 3º. Edição. Thomson.
5. Tiptens, p. 2011. Física: conceitos e aplicações. 7ª edição. McGraw Hill.