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Mecânica dos Fluidos
1.1 INTRODUÇÃO
CONCEITO-CHAVE Apresentaremos os fundamentos dos fluidos de modo que engenheiros possam entender o papel que o fluido desempenha em aplicações específicas.
A compreensão correta da mecânica dos fluidos é extremamente importante em muitas áreas da engenharia. Na biomecânica, os fluxos de sangue e do fluido cerebral são de particular interesse; na meteorologia e na engenharia oceanográfica, a compreensão do deslocamento dos movimentos do ar e das correntes marítimas requer um conhecimento da mecânica dos fluidos; os engenheiros químicos devem entender mecânica dos fluidos para projetar muitos tipos diferentes de equipamentos de processamento químico; engenheiros aeronáuticos usam seus conhecimentos de fluidos para aumentar a sustentação aerodinâmica e diminuir a resistência em aeronaves e para projetar motores a jato; engenheiros mecânicos projetam bombas, turbinas, motores de combustão interna, compressores a ar, equipamentos de ar-condicionado, equipamentos de controle de poluição e usinas de energia baseados no correto entendimento da mecânica dos fluidos; engenheiros civis também devem usar os resultados obtidos do estudo da mecânica dos fluidos para compreender o transporte de sedimentos nos rios e a erosão, a poluição do ar e da água e para projetar sistemas de tubulações, usinas de tratamento de esgotos, canais de irrigação, sistemas de controle de alagamentos, represas e estádios atléticos cobertos. Não é possível apresentar a mecânica dos fluidos de tal forma que todos os tópicos descritos acima possam ser tratados especificamente; é possível, porém, apresentar os fundamentos da mecânica dos fluidos de forma que os engenheiros possam entender o papel que o fluido desempenha em uma particular aplicação. Esse papel pode envolver o correto dimensionamento de uma bomba (potência e taxa de escoamento) ou o cálculo de uma força que age sobre uma estrutura. Neste livro apresentaremos as equações gerais, tanto integrais quanto diferenciais, que resultam do princípio da conservação de massa, da segunda lei de Newton, e da primeira lei da termodinâmica. A partir desse ponto será considerado certo número particular de situações de especial interesse. Após o estudo deste livro o engenheiro deverá estar apto a aplicar os princípios básicos da mecânica dos fluidos a novas e diferentes situações. Os tópicos apresentados neste capítulo são direta ou indiretamente relevantes a todos os capítulos seguintes. Incluímos uma descrição macroscópica dos fluidos, propriedades dos fluidos, leis físicas que regem a mecânica dos fluidos e um resumo de unidades e dimensões de importantes quantidades físicas. Antes que possamos discutir as quantidades de interesse, devemos apresentar as unidades e dimensões que serão usadas em nosso estudo da mecânica dos fluidos.
1.2 DIMENSÕES, UNIDADES E QUANTIDADES FÍSICAS Antes de iniciarmos estudos mais detalhados da mecânica dos fluidos, vamos discutir as dimensões e unidades que serão usadas em toda a extensão do livro. Quantidades físicas requerem descrições quantitativas quando se resolve um problema de engenharia. A massa específica é uma dessas quantidades físicas. É a medida de uma massa contida em uma unidade de volume. Ela não representa, porém, a dimensão fundamental. Há nove quantidades que são consideradas dimensões fundamentais: comprimento, massa, tempo, temperatura, quantidade de uma substância, corrente elétrica, intensidade luminosa, ângulo plano e ângulo sólido. As dimensões de todas as outras quantidades podem ser expressas em termos das dimensões fundamentais. Por exemplo, a quantidade “força” pode ser relacionada às dimensões fundamentais de massa, comprimento e tempo. Para fazer isso usamos a segunda lei de Newton, batizada em nome de Sir Isaac Newton (1642-1727), expressa, de forma simplificada, em uma única direção, como F ma
(1.2.1)
Usando colchetes para denotar “a dimensão de”, escreve-se dimensionalmente como