Enzo Rocha Fotografia: Mecânica dos Fluidos

Definição

Mecânica dos fluidos, ciência preocupada com a resposta dos fluidos às forças exercidas sobre eles.

É um ramo da física clássica com aplicações de grande importância em engenharia hidráulica e aeronáutica, engenharia química, meteorologia e zoologia.

A mecânica dos fluidos é o ramo da física que lida com a mecânica dos fluidos (líquidos, gases e plasmas) e as forças sobre eles.

O que é

A mecânica dos fluidos é um ramo da física que diz respeito ao estudo de fluidos e à maneira como eles interagem com as forças.

Tanto líquidos quanto gases são considerados fluidos para os propósitos deste ramo da ciência.

Freqüentemente, o campo da mecânica dos fluidos é dividido em dois campos de estudo mais específicos.

Trata-se de estática e dinâmica de fluidos, que dizem respeito a fluidos em repouso e fluidos em movimento, respectivamente.

A mecânica dos fluidos pode envolver matemática altamente complexa, e a ajuda dos computadores modernos aprimorou significativamente essa ciência.

As raízes cronológicas da mecânica dos fluidos remontam a pelo menos os antigos gregos.

O físico e inventor grego Arquimedes foi o autor de alguns dos primeiros estudos que conhecemos que dizem respeito a estática de fluidos, incluindo a propriedade de flutuabilidade.

Os filósofos persas no período medieval associaram esses trabalhos antigos a seus próprios estudos da dinâmica de fluidos que atuaram como precursores precoces da dinâmica de fluidos moderna.

Figuras históricas conhecidas como Leonardo da Vinci e Sir Isaac Newton, além de outras, deram contribuições notáveis ao nosso entendimento da mecânica dos fluidos.

Todo tipo de ciência começa com suposições básicas e fundamentais que governam o curso de seus estudos.

A mecânica dos fluidos é normalmente definida como tendo três premissas básicas em sua raiz.

A primeira é a conservação da massa, o que significa que a massa não pode ser criada nem destruída espontaneamente, embora possa mudar de forma.

A segunda suposição, a conservação do momento, é um pouco semelhante. Esta lei afirma que o momento total em um sistema fechado é constante e não pode aparecer ou desaparecer espontaneamente.

A terceira suposição básica que governa a mecânica dos fluidos é o que é conhecido como hipótese do continuum. Essa é uma maneira de ver fluidos que não levam em consideração a presença de moléculas discretas.

Em vez disso, supõe-se que as propriedades de um fluido variem de maneira contínua de um ponto para o outro.

Por ignorar a natureza real de pequenas partículas de matéria, a hipótese do continuum é apenas uma aproximação usada como ferramenta nos cálculos. Isso pode resultar em uma solução levemente imprecisa, mas também em soluções muito precisas em circunstâncias ideais. Existem outros métodos mais exatos, mas essa hipótese costuma ser bastante útil como suposição preliminar.

Muitas vezes, também se pode presumir que um determinado fluido é incompressível, o que significa que não pode ser comprimido. No entanto, isso é verdade apenas para líquidos, e não para gases.

Dinâmica de Fluidos

A dinâmica de fluidos refere-se a uma subcategoria da ciência da mecânica dos fluidos, com a outra subcategoria sendo a estática dos fluidos.

Enquanto a estática de fluidos lida com fluidos que estão em repouso, a dinâmica de fluidos se preocupa com fluidos em movimento. Qualquer matéria no estado de gás ou líquido pode ser considerada um fluido.

A dinâmica de fluidos é uma disciplina com muitas aplicações relevantes em nosso mundo moderno, principalmente porque contém o estudo da aerodinâmica e também porque compreende parte da previsão do tempo.

Um problema típico de dinâmica de fluidos pode incluir variáveis como velocidade, temperatura e densidade.

Todas as ciências físicas, incluindo a dinâmica dos fluidos, são governadas principalmente pelas leis da conservação. Eles afirmam que as quantidades totais de energia, massa e momento linear em um sistema fechado permanecem constantes e que energia e massa não podem ser criadas nem destruídas. É verdade que eles podem mudar de forma, mas não podem desaparecer ou vir do nada.

Essas leis constituem algumas das suposições mais básicas da ciência.

Outro princípio governante da dinâmica de fluidos é a suposição de continuum, também chamada de hipótese de continuum.

Embora se saiba que os fluidos são compostos de partículas microscópicas e discretas, essa hipótese afirma que eles são contínuos e que suas propriedades variam uniformemente.

Isso geralmente serve como uma aproximação matemática útil, embora tecnicamente ignore uma das características básicas dos fluidos.

Antes da invenção do voo e das aeronaves motorizadas no século XX, o termo hidrodinâmica era frequentemente usado de forma intercambiável com a dinâmica dos fluidos, porque a maior parte da mecânica dos fluidos era dedicada ao estudo de líquidos em movimento, em vez de gases em movimento. Ao viajar de avião, tornou-se mais comum a necessidade de que essas máquinas fossem mais eficientes na criação e manutenção da sustentação, com um mínimo de arrasto.

O ramo de estudo conhecido como aerodinâmica deu trancos e barrancos por causa da nova tecnologia, que também passou a ser aplicada aos automóveis, em certa medida, com o objetivo de aumentar a eficiência de combustível.

Uma das figuras mais importantes da aerodinâmica moderna foi Octave Chanute. Além de compilar um volume abrangente do estudo da aerodinâmica no final do século XIX, ele ajudou pessoalmente os irmãos Wright na construção de suas famosas aeronaves, que realizaram o primeiro vôo tripulado em 1903.

Provavelmente foi devido a essa ajuda que eles realizaram seu objetivo logo à frente do próximo candidato mais próximo, Samuel Pierpont Langley.

Resumo

A mecânica dos fluidos é o estudo dos efeitos de forças e energia em líquidos e gases.

Como outros ramos da mecânica clássica, o sujeito se subdivide em estática (geralmente chamada hidrostática) e dinâmica (dinâmica de fluidos, hidrodinâmica ou aerodinâmica).

Hidrostática é um assunto comparativamente elementar, com alguns resultados clássicos de importância, mas com poucas possibilidades de desenvolvimento.

A dinâmica dos fluidos, por outro lado, é um ramo da ciência altamente desenvolvido que tem sido objeto de atividades de pesquisa contínuas e em expansão desde 1840.

O desenvolvimento da dinâmica de fluidos foi fortemente influenciado por suas inúmeras aplicações.

Alguns dos campos de aplicação da engenharia, das ciências ambientais e das ciências biológicas são evidentes: engenharia aeronáutica, engenharia marinha, meteorologia, oceanografia e estudo do fluxo sanguíneo, da dinâmica da natação e do voo de criaturas. Existem também muitas aplicações menos óbvias imediatamente.

A dinâmica dos fluidos é estudada tanto teórica quanto experimentalmente, e os resultados são descritos matematicamente e fisicamente.

Os fenômenos do movimento fluido são governados por leis conhecidas da física – conservação da massa, leis da mecânica clássica (leis do movimento de Newton) e leis da termodinâmica.

Elas podem ser formuladas como um conjunto de equações diferenciais parciais não lineares e, em princípio, pode-se esperar inferir todos os fenômenos a partir delas.

Na prática, isso não foi possível; a teoria matemática é freqüentemente difícil e, às vezes, as equações têm mais de uma solução, de modo que considerações sutis surgem ao decidir qual delas realmente será aplicada.

Como resultado, observações de movimento de fluidos, tanto em laboratório quanto na natureza, também são essenciais para a compreensão do movimento de fluidos.

Líquidos e gases são classificados juntos como fluidos porque, em uma ampla gama de situações, eles têm equações de movimento idênticas e, portanto, exibem os mesmos fenômenos de fluxo.

A análise de escala permite inferir quando duas situações geometricamente semelhantes – de tamanho talvez bastante diferente e envolvendo fluidos diferentes (ambos líquidos, gases ou um de cada) – darão origem ao mesmo tipo de fluxo. Isso leva à formulação de vários parâmetros não dimensionais, com nomes como número de Reynolds, número de Mach, número de Froude, em termos dos quais os resultados dinâmicos-dinâmicos geralmente são apresentados.

As configurações de fluxo igualmente aplicáveis a líquidos e gases incluem fluxo através de tubos, fluxo devido ao movimento relativo entre um corpo e fluido ambiente e convecção térmica – fluxo acionado por gravidade devido a diferenças de temperatura. Às vezes, o efeito da rotação de todo o sistema (de particular significado em meteorologia e oceanografia) é incluído.

Uma característica comum de todos esses fluxos é sua tendência a sofrer uma transição espontânea de um tipo de movimento para outro. O tipo de transição mais conhecido é o do fluxo laminar (um tipo regular e suave) ao fluxo turbulento (no qual surgem flutuações irregulares e rápidas). A instabilidade também pode levar a um fluxo complicado com uma estrutura altamente regular (como uma matriz ordenada de vórtices ou células de convecção).

Muitas pesquisas atuais estão preocupadas em compreender essas várias transições e, em particular, sobre como um conjunto determinístico de equações pode explicar o comportamento caótico de fluidos turbulentos.

Durante o fluxo em velocidades comparáveis à velocidade do som, a densidade dos fluidos muda significativamente. Esse fenômeno é de importância prática apenas para gases, nos quais podem ocorrer ondas de choque. Essas ondas envolvem uma mudança quase descontínua na velocidade, temperatura, pressão e densidade do fluido.

Os principais fenômenos de importância para líquidos, mas não para gases, são aqueles associados a superfícies livres, como o limite superior de um líquido em um recipiente parcialmente cheio.

O fato de a velocidade das ondas de água variar com o comprimento de onda e com a amplitude leva a uma ampla variedade de efeitos. Isso inclui o salto hidráulico (ou furo) – uma mudança repentina no nível da água, análoga a uma onda de choque – e o solitão (uma onda solitária que mantém a sua forma à medida que o tempo passa) – um único pulso de grande amplitude que se propaga sem mudança de forma.

Sir Isaac Newton lançou algumas das bases para uma compreensão da mecânica dos fluidos