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INTRODUÇÃO À MECÂNICA DOS FLUIDOS

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O GEN | Grupo Editorial Nacional reúne as editoras Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária, que publicam nas áreas científica, técnica e profissional. Essas empresas, respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras que têm sido decisivas na formação acadêmica e no aperfeiçoamento de várias gerações de profissionais e de estudantes de Administração, Direito, Enfermagem, Engenharia, Fisioterapia, Medicina, Odontologia, Educação Física e muitas outras ciências, tendo se tornado sinônimo de seriedade e respeito. Nossa missão é prover o melhor conteúdo científico e distribuí-lo de maneira flexível e conveniente, a preços justos, gerando benefícios e servindo a autores, docentes, livreiros, funcionários, colaboradores e acionistas. Nosso comportamento ético incondicional e nossa responsabilidade social e ambiental são reforçados pela natureza educacional de nossa atividade, sem comprometer o crescimento contínuo e a rentabilidade do grupo.

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INTRODUÇÃO À MECÂNICA DOS FLUIDOS OITAVA EDIÇÃO

ROBERT W. FOX

Purdue University, Professor Emérito

ALAN T. MCDONALD

Purdue University, Professor Emérito

PHILIP J. PRITCHARD Manhattan College

Com a contribuição especial de:

JOHN C. LEYLEGIAN Manhattan College

Tradução e Revisão Técnica

RICARDO NICOLAU NASSAR KOURY Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Minas Gerais

LUIZ MACHADO Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Minas Gerais

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Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Apesar dos melhores esforços dos autores, dos tradutores, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail ltc@grupogen.com.br. Traduzido de FOX AND McDONALD’S: INTRODUCTION TO FLUID MECHANICS, EIGHTH EDITION Copyright © 2012, John Wiley & Sons, Inc. (Asia) Pte LTd. All Rights Reserved. This translation published under license with the original publisher John Wiley & Sons Inc. ISBN: 978-1-118-02641-0 Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2014 by LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ — CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 ltc@grupogen.com.br www.ltceditora.com.br Imagem de Capa: © Jamalludin / Shutterstock Editoração Eletrônica:

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CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ F863 8. ed. Fox, Robert W. 1934Introdução à mecânica dos fluidos / Robert W. Fox, Philip J. Pritchard, Alan T. McDonald ; tradução e revisão técnica Ricardo Nicolau Nassar Koury, Luiz Machado. - 8. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2014. : il. ; 28 cm. Tradução de: Fox and McDonald’s: Introduction to Fluid Mechanics Apêndice ISBN: 978-85-216-2302-1 1. Mecânica dos Fluidos. I. Pritchard, Philip J. II. McDonald, Alan T., 1938-. III. Título. 13-05135

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CDD: 532 CDU: 531.3

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Sumário

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Sumário CAPÍTULO 1

CAPÍTULO 2

INTRODUÇÃO 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

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Nota aos Estudantes 3 Escopo da Mecânica dos Fluidos 4 Definição de um Fluido 4 Equações Básicas 5 Métodos de Análise 7 Sistema e Volume de Controle 7 Formulação Diferencial versus Formulação Integral 9 Métodos de Descrição 9 1.6 Dimensões e Unidades 11 Sistemas de Dimensões 11 Sistemas de Unidades 12 Sistemas de Unidades Preferenciais 13 Consistência Dimensional e Equações de “Engenharia” 14 1.7 Análise de Erro Experimental 15 1.8 Resumo 16 Problemas 17

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

20

2.1 Fluido como um Contínuo 22 2.2 Campo de Velocidade 24 Escoamentos Uni, Bi e Tridimensionais 24 Linhas de Tempo, Trajetórias, Linhas de Emissão e Linhas de Corrente 2.3 Campo de Tensão 30 2.4 Viscosidade 32 Fluido Newtoniano 33 Fluidos Não Newtonianos 35 2.5 Tensão Superficial 37 2.6 Descrição e Classificação dos Movimentos de Fluido 39 Escoamentos Viscosos e Não Viscosos 39 Escoamentos Laminar e Turbulento 42 Escoamentos Compressível e Incompressível 43 Escoamentos Interno e Externo 44 2.7 Resumo e Equações Úteis 46 Referências 48 Problemas 48

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Sumário

CAPÍTULO 3

CAPÍTULO 4

CAPÍTULO 5

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ESTÁTICA DOS FLUIDOS

56

3.1 A Equação Básica da Estática dos Fluidos 57 3.2 A Atmosfera-Padrão 61 3.3 Variação de Pressão em um Fluido Estático 62 Líquidos Incompressíveis: Manômetros 62 Gases 67 3.4 Sistemas Hidráulicos 70 3.5 Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Submersas 70 Força Hidrostática sobre uma Superfície Plana Submersa 70 Força Hidrostática sobre uma Superfície Curva Submersa 77 3.6 Empuxo e Estabilidade 81 3.7 Fluidos em Movimento de Corpo Rígido (no Site da LTC Editora) 3.8 Resumo e Equações Úteis 85 Referências 86 Problemas 87

85

EQUAÇÕES BÁSICAS NA FORMA INTEGRAL PARA UM VOLUME DE CONTROLE

98

4.1 Leis Básicas para um Sistema 100 Conservação de Massa 100 Segunda Lei de Newton 100 O Princípio da Quantidade de Movimento Angular 100 A Primeira Lei da Termodinâmica 101 A Segunda Lei da Termodinâmica 101 4.2 Relação entre as Derivadas do Sistema e a Formulação para Volume de Controle 102 Derivação 103 Interpretação Física 105 4.3 Conservação de Massa 106 Casos Especiais 107 4.4 Equação da Quantidade de Movimento para um Volume de Controle Inercial 112 Análise de Volume de Controle Diferencial 124 Volume de Controle Movendo com Velocidade Constante 128 4.5 Equação da Quantidade de Movimento para um Volume de Controle com Aceleração Retilínea 130 4.6 Equação da Quantidade de Movimento para Volume de Controle com Aceleração Arbitrária (no Site da LTC Editora) 137 4.7 O Princípio da Quantidade de Movimento Angular 137 Equação para Volume de Controle Fixo 137 Equação para um Volume de Controle Rotativo (no Site da LTC Editora) 141 4.8 A Primeira Lei da Termodinâmica 141 Taxa de Trabalho Realizado por um Volume de Controle 142 Equação do Volume de Controle 144 4.9 A Segunda Lei da Termodinâmica 148 4.10 Resumo e Equações Úteis 149 Problemas 151

INTRODUÇÃO À ANÁLISE DIFERENCIAL DOS MOVIMENTOS DOS FLUIDOS

5.1 Conservação da Massa 173 Sistema de Coordenadas Retangulares 173 Sistema de Coordenadas Cilíndricas 177 5.2 Função de Corrente para Escoamento Incompressível Bidimensional 180 5.3 Movimento de uma Partícula Fluida (Cinemática) 183 Translação de um Fluido: Aceleração de uma Partícula Fluida em um Campo de Velocidade 184 Rotação de Fluido 189 Deformação de Fluido 193 5.4 Equação da Quantidade de Movimento 196

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Sumário Forças Atuando sobre uma Partícula Fluida 197 Equação Diferencial da Quantidade de Movimento 198 Fluidos Newtonianos: As Equações de Navier-Stokes 198 5.5 Introdução à Dinâmica de Fluidos Computacional 206 Por que a DFC É Necessária 207 Aplicações de DFC 208 Alguns Métodos Numéricos/DFC Básicos Usando uma Planilha 209 A Estratégia de DFC 214 Discretização Usando o Método das Diferenças Finitas 215 Montagem do Sistema Discreto e Aplicação de Condições de Contorno Solução do Sistema Discreto 217 Malha de Convergência 218 Lidando com a Não Linearidade 219 Solucionadores Diretos e Iterativos 220 Convergência Iterativa 221 Considerações Finais 222 5.6 Resumo e Equações Úteis 223 Referências 225 Problemas 226

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CAPÍTULO 6

ESCOAMENTO INCOMPRESSÍVEL DE FLUIDOS NÃO VISCOSOS

CAPÍTULO 7

ANÁLISE DIMENSIONAL E SEMELHANÇA

vii

216

234

6.1 Equação da Quantidade de Movimento para Escoamento sem Atrito: a Equação de Euler 236 6.2 As Equações de Euler em Coordenadas de Linhas de Corrente 237 6.3 A Equação de Bernoulli – Integração da Equação de Euler ao Longo de uma Linha de Corrente para Escoamento Permanente 240 Dedução Usando Coordenadas de Linha de Corrente 240 Dedução Usando Coordenadas Retangulares 242 Pressões Estática, de Estagnação e Dinâmica 243 Aplicações 246 Precauções no Emprego da Equação de Bernoulli 251 6.4 A Equação de Bernoulli Interpretada como uma Equação de Energia 252 6.5 Linha de Energia e Linha Piezométrica 257 6.6 Equação de Bernoulli para Escoamento Transiente – Integração da Equação de Euler ao Longo de uma Linha de Corrente (no Site da LTC Editora) 259 6.7 Escoamento Irrotacional 259 A Equação de Bernoulli Aplicada a um Escoamento Irrotacional 260 Potencial de Velocidade 261 Função de Corrente e Potencial de Velocidade para Escoamento Bidimensional, Irrotacional e Incompressível: Equação de Laplace 261 Escoamentos Planos Elementares 264 Superposição de Escoamentos Planos Elementares 266 6.8 Resumo e Equações Úteis 276 Referências 278 Problemas 279 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

289

As Equações Diferenciais Básicas Adimensionais 292 A Natureza da Análise Dimensional 294 O Teorema Pi de Buckingham 295 Determinação dos Grupos Π 296 Grupos Adimensionais Importantes na Mecânica dos Fluidos 302 Semelhança de Escoamentos e Estudos de Modelos 305 Semelhança Incompleta 307 Transporte por Escala com Múltiplos Parâmetros Dependentes 313 Comentários sobre Testes com Modelos 317

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Sumário 7.7 Resumo e Equações Úteis Referências 319 Problemas 320

CAPÍTULO 8

CAPÍTULO 9

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318

ESCOAMENTO INTERNO VISCOSO E INCOMPRESSÍVEL

327

ESCOAMENTO VISCOSO, INCOMPRESSÍVEL, EXTERNO

419

8.1 Introdução 329 Escoamento Laminar versus Turbulento 329 A Região de Entrada 330 PARTE A ESCOAMENTO LAMINAR COMPLETAMENTE DESENVOLVIDO 331 8.2 Escoamento Laminar Completamente Desenvolvido entre Placas Paralelas Infinitas 331 Ambas as Placas Estacionárias 331 Placa Superior Movendo-se com Velocidade Constante, U 337 8.3 Escoamento Laminar Completamente Desenvolvido em um Tubo 342 PARTE B ESCOAMENTO EM TUBOS E DUTOS 347 8.4 Distribuição de Tensão de Cisalhamento no Escoamento Completamente Desenvolvido em Tubos 348 8.5 Perfis de Velocidade em Escoamentos Turbulentos Completamente Desenvolvidos em Tubos 349 8.6 Considerações de Energia no Escoamento em Tubos 352 Coeficiente de Energia Cinética 353 Perda de Carga 354 8.7 Cálculo da Perda de Carga 355 Perdas Maiores: Fator de Atrito 355 Perdas Menores 360 Bombas, Ventiladores e Sopradores em Sistemas de Fluidos 366 Dutos Não Circulares 367 8.8 Solução de Problemas de Escoamento em Tubo 367 Sistemas de Trajeto Único 368 Sistemas de Trajetos Múltiplos 382 PARTE C MEDIÇÃO DE VAZÃO 386 8.9 Métodos Diretos 386 8.10 Medidores de Vazão de Restrição para Escoamentos Internos 387 A Placa de Orifício 391 O Bocal Medidor 392 O Venturi 392 Elemento de Escoamento Laminar 393 8.11 Medidores de Vazão Lineares 397 8.12 Métodos Transversos 399 Referências 402 Problemas 403 PARTE A CAMADAS-LIMITE 422 9.1 O Conceito de Camada-Limite 422 9.2 Espessuras de Camada-Limite 423 9.3 Camada-Limite Laminar sobre uma Placa Plana: Solução Exata (no Site da LTC Editora) 427 9.4 Equação Integral da Quantidade de Movimento 427 9.5 Uso da Equação Integral da Quantidade de Movimento para Escoamento com Gradiente de Pressão Zero 432 Escoamento Laminar 433 Escoamento Turbulento 437 Resumo dos Resultados para Escoamento em Camada-Limite com Gradiente de Pressão Zero 440 9.6 Gradientes de Pressão no Escoamento da Camada-Limite 440 PARTE B ESCOAMENTO FLUIDO EM TORNO DE CORPOS SUBMERSOS 444

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Sumário 9.7 Arrasto 445 Arrasto de Atrito Puro: Escoamento sobre uma Placa Plana Paralela ao Escoamento Arrasto de Pressão Puro: Escoamento sobre uma Placa Plana Normal ao Escoamento 449 Arrastos de Pressão e de Atrito: Escoamento sobre uma Esfera e um Cilindro 449 Carenagem 456 9.8 Sustentação 458 9.9 Resumo e Equações Úteis 475 Referências 477 Problemas 478

CAPÍTULO 10

CAPÍTULO 11

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MÁQUINAS DE FLUXO

ix 445

491

10.1 Introdução e Classificação de Máquinas de Fluxo 493 Máquinas para Realizar Trabalho sobre um Fluido 493 Máquinas para Extrair Trabalho (Potência) de um Fluido 496 Abrangência 497 10.2 Análise de Turbomáquinas 498 O Princípio da Quantidade de Movimento Angular: A Equação de Euler para Turbomáquinas 498 Diagramas de Velocidade 500 Eficiência – Potência Hidráulica 503 Análise Dimensional e Velocidade Específica 504 10.3 Bombas, Ventiladores e Sopradores 509 Aplicação da Equação de Euler para Tubomáquina para Bombas Centrífugas 510 Aplicação da Equação de Euler para Bombas e Ventiladores Axiais 511 Características de Desempenho 515 Regras de Semelhança 521 Cavitação e Altura de Carga de Sucção Positiva Líquida 525 Seleção de Bomba: Aplicação para Sistemas Fluidos 529 Sopradores e Ventiladores 541 10.4 Bombas de Deslocamento Positivo 548 10.5 Turbinas Hidráulicas 552 Teoria de Turbina Hidráulica 552 Características de Desempenho para Turbinas Hidráulicas 554 Dimensionamento de Turbinas Hidráulicas para Sistemas Fluidos 559 10.6 Hélices e Máquinas Eólicas 563 Hélices 563 Máquinas Eólicas 572 10.7 Turbomáquinas de Escoamento Compressível 582 Aplicação da Equação da Energia para uma Máquina de Escoamento Compressível Compressores 583 Turbinas de Escoamento Compressível 587 10.8 Resumo e Equações Úteis 587 Referências 590 Problemas 591

ESCOAMENTO EM CANAIS ABERTOS

582

600

11.1 Conceitos Básicos e Definições 603 Considerações para Simplificação 604 Geometria do Canal 605 Velocidade de Ondas Superficiais e o Número de Froude 607 11.2 Equação de Energia para Escoamentos em Canal Aberto 611 Energia Específica 613 Profundidade Crítica: Energia Específica Mínima 616 11.3 Efeito Localizado de Mudança de Área (Escoamento sem Atrito) Escoamento sobre um Ressalto 620

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Sumário 11.4 O Ressalto Hidráulico 625 Aumento de Profundidade Através de um Ressalto Hidráulico 628 Perda de Carga Através de um Ressalto Hidráulico 629 11.5 Escoamento Uniforme em Regime Permanente 631 A Equação de Manning para Escoamento Uniforme 633 Equação de Energia para Escoamento Uniforme 639 Seção Transversal do Canal Ótima 641 11.6 Escoamento com Profundidade Variando Gradualmente 642 Cálculo de Perfis de Superfície 644 11.7 Medição de Descarga Usando Vertedouros 646 Vertedouro Retangular Suprimido 647 Vertedouros Retangulares Contraídos 648 Vertedouro Triangular 648 Vertedor de Soleira Espessa 648 11.8 Resumo e Equações Úteis 650 Referências 652 Problemas 653

CAPÍTULO 12

CAPÍTULO 13

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INTRODUÇÃO AO ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL

657

12.1 Revisão de Termodinâmica 659 12.2 Propagação de Ondas de Som 665 Velocidade do Som 665 Tipos de Escoamento – O Cone de Mach 670 12.3 Estado de Referência: Propriedades de Estagnação Isentrópica Local 674 Propriedades Locais de Estagnação Isentrópica para o Escoamento de um Gás Ideal 12.4 Condições Críticas 682 12.5 Resumo e Equações Úteis 682 Referências 684 Problemas 684

ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL

675

689

13.1 Equações Básicas para Escoamento Compressível Unidimensional 691 13.2 Escoamento Isentrópico de um Gás Ideal: Variação de Área 694 Escoamento Subsônico, M  1 697 Escoamento Supersônico, M  1 697 Escoamento Sônico, M = 1 698 Condições Críticas e de Estagnação de Referência para Escoamento Isentrópico de um Gás Ideal 699 Escoamento Isentrópico em um Bocal Convergente 704 Escoamento Isentrópico em um Bocal Convergente-Divergente 710 13.3 Choques Normais 715 Equações Básicas para um Choque Normal 716 Interpretação de Fanno e Rayleigh do Choque Normal 718 Funções de Escoamento de Choque Normal para Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal 719 13.4 Escoamento Supersônico em Canais, com Choque 724 Escoamento em um Bocal Convergente-Divergente 725 Difusor Supersônico (no site da LTC Editora) 727 Operação de Túnel de Vento Supersônico (no site da LTC Editora) 727 Escoamento Supersônico com Atrito em um Canal de Área Constante (no site da LTC Editora) 727 Escoamento Supersônico com Adição de Calor em um Canal de Área Constante (no site da LTC Editora) 727 13.5 Escoamento em um Duto de Área Constante, com Atrito 727 Equações Básicas para o Escoamento Adiabático 728 Escoamento Adiabático: a Linha de Fanno 728

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Sumário

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Funções de Escoamento de Linha de Fanno para o Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal 732 Escoamento Isotérmico (no site da LTC Editora) 740 13.6 Escoamento sem Atrito em um Duto de Área Constante, com Transferência de Calor 740 Equações Básicas para Escoamento com Transferência de Calor 741 A Linha de Rayleigh 742 Funções de Escoamento de Linha de Rayleigh para Escoamento Unidimensional de um Gás Ideal 746 13.7 Choques Oblíquos e Ondas de Expansão 750 Choques Oblíquos 750 Ondas de Expansão Isentrópicas 759 13.8 Resumo e Equações Úteis 767 Referências 771 Problemas 772

APÊNDICE A

DADOS DE PROPRIEDADES DE FLUIDOS

784

APÊNDICE B

EQUAÇÕES DO MOVIMENTO EM COORDENADAS CILÍNDRICAS

APÊNDICE C

FILMES PARA MECÂNICA DOS FLUIDOS

APÊNDICE D

CURVAS DE DESEMPENHO SELECIONADAS PARA BOMBAS E VENTILADORES

APÊNDICE E

FUNÇÕES DE ESCOAMENTO PARA O CÁLCULO DE ESCOAMENTO COMPRESSÍVEL 816

APÊNDICE F

ANÁLISE DE INCERTEZA EXPERIMENTAL

APÊNDICE G

UNIDADES SI, PREFIXOS E FATORES DE CONVERSÃO

APÊNDICE H

UMA REVISÃO RESUMIDA SOBRE O EXCEL DA MICROSOFT (NO SITE DA LTC EDITORA)

795

797 800

827 834

Respostas de Problemas Selecionados 836 Índice 864

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Prefácio

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Prefácio Introdução Este texto foi escrito para um curso de introdução em mecânica dos fluidos. A nossa abordagem do assunto, assim como nas edições anteriores, enfatiza os conceitos físicos da mecânica dos fluidos e os métodos de análise que se iniciam a partir dos princípios básicos. O objetivo principal deste livro é auxiliar os usuários a desenvolver uma metodologia ordenada para a solução de problemas. Para isto, partimos sempre das equações básicas, estabelecemos com clareza as considerações ou hipóteses adotadas, e tentamos relacionar os resultados matemáticos com o comportamento físico correspondente. Mantivemos a ênfase no uso de volumes de controle como suporte de uma metodologia prática para resolver problemas, bem como incluímos uma abordagem teórica.

Metodologia de Solução de Problemas A metodologia de solução Fox-McDonald-Pritchard usada neste texto é ilustrada em numerosos Exemplos em cada capítulo. As soluções para os Exemplos foram preparadas de modo a ilustrar a boa técnica de solução e a explicar pontos difíceis da teoria. Os Exemplos aparecem em formato destacado na sequência do texto e, por isso, são de fácil identificação e acompanhamento. As informações adicionais importantes sobre o texto e os nossos procedimentos são apresentados na “Nota aos Estudantes” existente na Seção 1.1 do livro-texto. Aconselhamos que você analise essa seção com bastante atenção e que incorpore os procedimentos sugeridos à sua metodologia de solução de problemas e de representação de resultados.

Objetivos e Vantagens de Utilizar Este Texto As explicações completas apresentadas no texto, juntamente com os numerosos Exemplos detalhados, tornam este livro bem compreensível para estudantes. Isso permite ao professor deixar de lado os métodos tradicionais de ensino que se baseiam em aulas expositivas. O tempo em sala de aula pode ser utilizado, então, para apresentar material complementar, aprofundar tópicos especiais (tais como escoamento não newtoniano, xiii

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Prefácio escoamento de camada-limite, sustentação e arrasto, ou métodos experimentais), resolver exemplos de problemas, ou explicar pontos difíceis dos problemas extraclasse propostos. Além disso, os 51 Exemplos com planilhas do Excel são úteis para apresentar uma variedade de fenômenos da mecânica dos fluidos, especialmente os efeitos produzidos quando os parâmetros de entrada variam. Desse modo, cada período de aula pode ser utilizado da maneira mais apropriada para atender às necessidades dos estudantes. Quando os estudantes terminarem o curso de mecânica dos fluidos, esperamos que estejam aptos a aplicar as equações básicas em uma variedade de problemas, incluindo aqueles com os quais eles não tenham tido contato previamente. Enfatizamos em particular os conceitos físicos em todo o texto para ajudar os estudantes a modelar a variedade de fenômenos que ocorrem nas situações reais de escoamento fluido. Embora nesta edição incluamos, por conveniência, um resumo das equações úteis no final da maioria dos capítulos, salientamos que nossa filosofia é minimizar o uso de “fórmulas mágicas” e enfatizar a abordagem sistemática e fundamental para resolver o problema. Seguindo esse formato, acreditamos que os estudantes adquiram segurança em suas habilidades para aplicar o conteúdo e para descobrir que podem pensar em soluções para problemas um tanto desafiadores. O livro é bem adequado para o estudo independente de estudantes ou engenheiros profissionais. Sua leitura agradável e os exemplos claros ajudam a adquirir segurança. As Respostas de Problemas Selecionados estão incluídas, de forma que os estudantes podem conferir os resultados obtidos.

Cobertura do Texto O conteúdo deste livro foi selecionado cuidadosamente, de modo a incluir uma ampla faixa de tópicos adequados para um curso de um ou dois semestres em mecânica dos fluidos de nível introdutório ou mais avançado. Consideramos ser necessário um conhecimento prévio em dinâmica de corpo rígido e em equações diferenciais. É desejável uma base em termodinâmica para o estudo de escoamento compressível. Os conteúdos mais avançados, que geralmente não são cobertos em um curso introdutório, foram transferidos para o site da LTC Editora (essas seções estão identificadas no Sumário e nos capítulos). Esse conteúdo avançado está disponível online para os usuários do livro interessados em aprofundar seus estudos, o que não prejudica a sequência textual no livro-texto. Os assuntos no livro-texto foram organizados em áreas de tópicos abrangentes: • Conceitos introdutórios, abrangência da mecânica dos fluidos e estática dos fluidos (Capítulos 1, 2 e 3). • Desenvolvimento e aplicação de formas de volume de controle das equações básicas (Capítulo 4). • Desenvolvimento e aplicação de formas diferenciais das equações básicas (Capítulos 5 e 6). • Análise dimensional e correlação de dados experimentais (Capítulo 7). • Aplicações para escoamentos internos viscosos e incompressíveis (Capítulo 8). • Aplicações para escoamentos externos viscosos e incompressíveis (Capítulo 9). • Análise e aplicações de máquinas de fluxo (Capítulo 10). • Análise e aplicações de escoamentos em canais abertos (Capítulo 11). • Análise e aplicações do escoamento compressível em uma e duas dimensões (Capítulos 12 e 13). O Capítulo 4 trata de análises usando tanto volumes de controles finitos quanto diferenciais. A equação de Bernoulli é deduzida (em uma subseção opcional na Seção 4-4) como um exemplo de aplicação das equações básicas a um volume de controle diferencial. Estando aptos a usar a equação de Bernoulli no Capítulo 4, podemos incluir

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Prefácio

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problemas mais desafiadores, lidando com a equação da quantidade de movimento para volumes de controle finitos. Outra dedução da equação de Bernoulli é apresentada no Capítulo 6, onde ela é obtida da integração das equações de Euler ao longo de uma linha de corrente. Caso um professor prefira postergar a introdução da equação de Bernoulli, os problemas desafiadores do Capítulo 4 podem ser resolvidos durante o estudo do Capítulo 6.

Características do Texto Esta edição incorpora diversas características úteis: • Exemplos: Cinquenta e um dos Exemplos incluem planilhas do Excel, disponíveis online no site da LTC Editora, tornando-as úteis para as discussões e análises pelos estudantes ou pelo professor durante as aulas. • Estudos de Caso: Cada capítulo começa com um Estudo de Caso em Energia e Meio Ambiente que descreve uma aplicação interessante em mecânica dos fluidos na área de energia renovável ou na melhoria dos rendimentos de máquinas. Também mantivemos os Estudos de Caso dos capítulos específicos da edição anterior, que agora estão localizados no final de cada capítulo. Eles exploram aplicações não usuais ou intrigantes de mecânica dos fluidos em diversas áreas. • Resumo do Capítulo e Equações Úteis: No final da maior parte dos capítulos, para a conveniência dos estudantes, reunimos as equações mais usadas ou mais significativas do capítulo. Embora isto seja conveniente, não há como enfatizarmos suficientemente a necessidade de os estudantes se certificarem de que obtiveram uma compreensão da dedução e das limitações de cada equação antes de utilizá-las! • Problemas de Projeto: Onde apropriado, usamos problemas de projeto de resposta aberta no lugar dos experimentos de laboratório tradicionais. Nos cursos que não dispõem de um laboratório completo, os estudantes podem formar grupos de trabalho para resolver esses problemas. Os problemas de projeto encorajam os estudantes a despender mais tempo explorando aplicações dos princípios de mecânica dos fluidos em projetos de dispositivos e sistemas. Como na edição anterior, os problemas de projeto estão juntos com os problemas de fim de capítulo. • Problemas de Resposta Aberta: Incluímos muitos problemas de resposta aberta. Alguns são questões instigantes para testar a compreensão dos conceitos fundamentais, outros requerem pensamento criativo, síntese e/ou respostas discursivas. Esperamos que esses problemas ajudem os professores a incentivar seus alunos no que se refere ao raciocínio e ao trabalho de forma mais dinâmica; da mesma forma, que eles estimulem os professores a desenvolver e usar mais problemas de resposta aberta. • Problemas de Final de Capítulo: Em cada capítulo, os problemas são agrupados por tópico, nos quais o grau de complexidade ou de dificuldade aumenta à medida que eles se sucedem. Esse recurso facilita a solicitação de problemas extraclasse para o professor, de acordo com o nível de dificuldade apropriado para cada seção do livro. Por conveniência, os problemas agora estão agrupados de acordo com os títulos das seções dos capítulos.

Novidade Desta Edição Esta edição incorpora um número significativo de mudanças. • Estudos de Caso em Energia e Meio Ambiente: No início da cada capítulo, incluímos um novo estudo de caso. Mediante seu uso esperamos fazer um levantamento das aplicações mais interessantes e novas em mecânica dos fluidos, com o objetivo de gerar uma quantidade crescente de necessidades mundiais de energia a partir de fontes renováveis. Os estudos de caso não se referem especificamente a cada capí-

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Prefácio

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VÍDEO CLÁSSICO Clássicos! (em inglês)

VÍDEO Novos vídeos!

(em inglês)

tulo; isto é, eles não têm necessariamente como base o conteúdo do capítulo nos quais estão inseridos. Em vez disso, esperamos que cada um desses novos estudos de caso sirva como narrativa estimulante no campo da energia renovável para o leitor e que eles forneçam material para discussão na sala de aula. Os estudos de caso da edição anterior foram mantidos e reposicionados nos finais dos capítulos. • Vídeos de Demonstração: há vídeos do National Committee for Fluid Mechanics Films (NCFMF) “clássicos” (com duração aproximada de 20 minutos cada um, apresentados pelo professor Ascher Shapiro do Massachusetts Institute of Technology (MIT), pioneiro no campo de engenharia biomédica e líder no ensino e na pesquisa em mecânica dos fluidos, que explicam e demonstram os conceitos de mecânica dos fluidos) e novos vídeos suplementares de curtíssima duração (entre 30 segundos e dois minutos de duração cada um) reunidos de diversas fontes. Ambas as coletâneas de vídeos estão em língua inglesa. Tanto os clássicos quanto os novos vídeos pretendem fornecer ajuda visual para muitos dos conceitos cobertos no texto, e os links para acesso estão disponíveis no site da LTC Editora. Consulte a Seção Material Suplementar ao final deste prefácio para mais detalhes quanto aos vídeos e os links de acesso. • CFD: A seção sobre os conceitos básicos de dinâmica dos fluidos computacional no Capítulo 5 inclui agora material sobre uso de planilha para análise numérica de escoamentos simples uni e bidimensionais; inclui também uma introdução ao método de Euler. • Máquinas de Fluxo: O Capítulo 10 foi reestruturado, primeiramente apresentando um conteúdo sobre bombas e ventiladores, seguido por uma seção sobre turbinas hidráulicas. Hélices e turbinas eólicas agora são apresentados em conjunto. A seção sobre turbinas eólicas inclui agora a análise de turbinas eólicas de eixo vertical (VAWTs) com mais profundidade. Uma seção sobre máquinas de escoamento compressível também foi adicionada para familiarizar os estudantes com as diferenças na avaliação do desempenho de máquinas de escoamento incompressível versus escoamento compressível. Os dados no Apêndice D sobre bombas e ventiladores foram atualizados para refletir novos produtos e novas formas de apresentar dados. • Escoamento em Canal Aberto: Nesta edição, reescrevemos completamente o tópico sobre escoamentos em canal aberto. Uma inovação deste novo conteúdo comparado com textos similares é a abordagem dos efeitos “locais”, incluindo o ressalto hidráulico considerando antes escoamentos uniformes e gradualmente variáveis. Esse material fornece um conhecimento prévio suficiente sobre o tópico para engenheiros mecânicos e serve como uma introdução para engenheiros civis. • Escoamento Compressível: O material no Capítulo 13 foi reestruturado de forma que os choques normais são discutidos antes dos escoamentos de Fanno e de Rayleigh. Fizemos isso porque muitos programas curriculares de ensino superior em mecânica dos fluidos incluem choques normais, mas não escoamentos de Fanno ou de Rayleigh. • Novos Problemas Extraclasse: A oitava edição inclui 1705 problemas de final de capítulo. Muitos problemas foram combinados e contêm partes múltiplas. Nem sempre todas elas necessitam de ser resolvidas de uma só vez, e quase 25 por cento das subpartes foram pensadas para explorar questões de análises complementares. Os problemas novos ou modificados para esta oitava edição totalizam 518, alguns criados por um grupo de professores e especialistas no assunto. Os problemas extraclasse de final de capítulo são agora agrupados de acordo com as seções do texto.

Agradecimentos Reconhecemos que não há uma abordagem única que possa satisfazer a todas as necessidades. Somos gratos aos muitos estudantes e docentes que, com seus comentários, têm nos ajudado a aprimorar este livro desde a sua primeira edição.

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Prefácio

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Desejamos expressar nossos agradecimentos aos contribuintes e revisores do curso WileyPLUS:* Darrell W. Pepper, University of Nevada, Las Vegas Brian P. Sangeorzan, Oakland University Asghar Esmaeeli, Southern Illinois University, Carbondale Andrew Gerhart, Lawrence Technological University John Mitchell, University of Wisconsin, Madison David Benson, Kettering University Donald Fenton, Kansas State University Alison Griffin, University of Central Florida John Leylegian, Manhattan College Mark Cummings, University of Idaho Gostaríamos também de agradecer a Bud Hosmy por sua ajuda em obter permissão junto à Stanford University, à University of California, Santa Barbara, para licenciar vários vídeos cujos links estamos disponibilizando para aqueles que adotarem esta edição. Agradecemos a Gordon McCreight igualmente por sua ajuda nesse processo. Agradecemos às seguintes pessoas por suas inestimáveis contribuições no desenvolvimento de novos e interessantes problemas para vários capítulos: Kenneth W. Miller, St. Cloud State University Darrell W. Pepper, University of Nevada, Las Vegas Shizhi Qian, Old Dominion University Thomas Shepard, University of Minnesota Esta oitava edição foi cuidadosamente revisada integral ou parcialmente por: John Abbitt, University of Florida Soyoung Stephen Cha, University of Illinois, Chicago Kangping Chen, Arizona State University W. Scott Crawford, Stanford University Timothy J. Fry, University of Dayton James W. Leach, North Carolina State University Jed E. Marquart, Ohio Northern University Hans Mayer, California Polytechnic State University, San Luis Obispo Karl R. Nelson, Colorado School of Mines Siva Parameswaran, Texas Tech University Brian P. Sangeorzan, Oakland University Brian Savilonis, Worcester Polytechnic Institute Hayley H. Shen, Clarkson University Somos extremamente gratos por seus comentários e sugestões. Finalmente, nesta oitava edição, temos uma imensa dívida de gratidão com John Leylegian, do Manhattan College, devido a sua enorme contribuição. Ele reestruturou o Capítulo 10 (e revisou o Apêndice D), e contribuiu significativamente para as mudanças realizadas em todos os demais capítulos. Ficou sob sua responsabilidade revisar, atualizar ou trocar os problemas de final de capítulo em metade dos capítulos, bem como produzir as respostas correspondentes para o manual de soluções. Sua perícia foi essencial para a revisão do Capítulo 10. Esperamos continuar essas interações com esses e outros colegas que utilizam este livro. O professor Pritchard admirou o incansável apoio da esposa dele, Penelope, que está consciente de todas as horas investidas na tarefa de preparar esta edição. Agradecemos previamente as sugestões ou críticas recebidas dos usuários deste livro. Philip J. Pritchard Agosto de 2010 *Recurso disponível apenas para a edição original em língua inglesa. (N.E.)

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Material Suplementar Este livro conta com os seguintes materiais suplementares: • Apêndice H arquivo em formato (.pdf) que contém uma revisão sintética do MicroEste conta comlivre); materiais suplementares. softlivro Excel (acesso • Classic Videos coletânea de vídeos clássicos em inglês sobre mecânicas dos fluidos O acesso é gratuito, bastando que o leitor se cadastre em em preto e branco (acesso livre). Disponível no site do Massachusetts Institute of http://gen-io.grupogen.com.br. Technology (MIT – Instituto de Tecnologia de Massachusetts): <http://web.mit. edu/hml/ncfmf.html>. Acesse o vídeo clássico Boundary layer control (controle de camada-limite) pelo link: <http://www.youtube.com/watch?v=w1Q6-NJPpkk>.* • Conteúdo online dos capítulos arquivos em formato (.pdf) que disponibiliza conteúdo das seções online indicadas no livro-texto (acesso livre); • Ilustrações da obra em formato de apresentação (acesso restrito a docentes); • Lecture PowerPoint Slides arquivos em formato (.ppt) com apresentações em inglês para uso em sala de aula (acesso restrito a docentes); • Modelos em Excel arquivos em formato (.xls) com planilhas de dados (acesso livre); • Solutions Manual arquivos em formato (.pdf) que apresentam as soluções de todos os problemas do livro-texto em inglês (acesso restrito a docentes); • Vídeos coletânea de vídeos temáticos em inglês coloridos ou em preto e branco, indicados no livro-texto. Disponível no site: • <http://bcs.wiley.com/he-bcs/Books?action=mininav&bcsId=6187&itemId=0470 547553&assetId=233351&resourceId=22858&newwindow=true>.* O acesso ao material suplementar é gratuito, bastando que o leitor se cadastre em: http://gen-io.grupogen.com.br

GEN-IO (GEN | Informação Online) é o repositório de materiais suplementares e de serviços relacionados com livros publicados pelo GEN | Grupo Editorial Nacional, maior conglomerado brasileiro de editoras do ramo científico-técnico-profissional, composto por Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária. Os materiais suplementares ficam disponíveis para acesso durante a vigência das edições atuais dos livros a que eles correspondem.

*Estes sites, seus conteúdos, bem como as suas respectivas atualizações, inclusões ou retiradas são de propriedade e responsabilidade dos seus criadores. Não cabe à LTC Editora qualquer responsabilidade pela manutenção, criação, acesso, retirada, alteração ou suporte do conteúdo deles e das normas de uso. (N.E.)

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INTRODUÇÃO À MECÂNICA DOS FLUIDOS

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Introdução à Mecânica dos Fluidos  

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