Mecânica dos fluidos

A mecânica dos fluidos é um ramo fundamental da Física que investiga o comportamento de líquidos e gases, tanto em repouso quanto em movimento. Esse campo busca compreender como as forças e os movimentos interagem dentro dos fluidos e com as superfícies que eles tocam. É uma disciplina indispensável para o avanço tecnológico e científico, essencial em áreas como hidráulica, aeronáutica, engenharia automotiva, ventilação, sistemas de refrigeração, medicina, meteorologia, controle de poluição e engenharia ambiental.

Leia também: Afinal, o que são fluidos?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre mecânica dos fluidos
• 2 - O que a mecânica dos fluidos estuda?
• 3 - Fórmulas de mecânica dos fluidos
• 4 - Como calcular a mecânica dos fluidos?
• 5 - Para que serve a mecânica dos fluidos?
• 6 - Importância da mecânica dos fluidos
• 7 - O que é fluido?
• 8 - Exercícios resolvidos sobre mecânica dos fluidos

Resumo sobre mecânica dos fluidos

• A mecânica dos fluidos estuda o comportamento de líquidos e gases em repouso e movimento, focando as interações entre as forças internas dos fluidos e suas interações com superfícies.
• A mecânica dos fluidos usa várias fórmulas, como a equação da densidade, da pressão em fluido estático e a equação de Bernoulli, para descrever o comportamento dos fluidos.
• É essencial em áreas como hidráulica, aeronáutica, engenharia automotiva, ventilação, sistemas de refrigeração, medicina, meteorologia, controle de poluição e engenharia ambiental.
• Fluidos são substâncias que podem se deformar continuamente sob a ação de uma força, como líquidos e gases, e sua principal característica é a capacidade de fluir e se adaptar à forma do recipiente.

O que a mecânica dos fluidos estuda?

A mecânica dos fluidos é o ramo da Física que estuda o comportamento dos fluidos (líquidos e gases) em repouso e em movimento. Seu objetivo é entender as forças, movimentos e as interações que ocorrem dentro de um fluido e entre o fluido e as superfícies com as quais ele entra em contato.

Fórmulas de mecânica dos fluidos

A mecânica dos fluidos possui várias fórmulas fundamentais que descrevem o comportamento de líquidos e gases em diferentes situações. Abaixo estão algumas das principais:

• Fórmula da densidade ou massa específica:

\(\rho = \frac{m}{V} \)

Onde m é a massa e V é o volume.

• Fórmula da pressão:

\(P = \frac {F}{A}\)

Onde F é a força e A é a área.

• Fórmula da pressão em um fluido estático:

\(P=P_0+ρgh\)

Onde P₀ é a pressão na superfície, ρ é a densidade do fluido, g é a aceleração gravitacional e h é a profundidade.

• Equação de Bernoulli:

\(P + \frac{\rho v^2}{2} + \rho gh = \text{constante}\)

Onde P é a pressão e v é a velocidade.

Veja também: Estática — área da Física que estuda corpos rígidos ou partículas em repouso

Como calcular a mecânica dos fluidos?

Para calcular fenômenos envolvendo fluidos, é necessário compreender as propriedades desses materiais, como a densidade e a viscosidade. Para isso, usamos as leis da Física que governam esses comportamentos. Em situações de escoamento, aplicamos a lei de Bernoulli, que relaciona a pressão, a velocidade e a altura do fluido. Esses cálculos permitem prever o comportamento do fluido, como sua velocidade em diferentes regiões de um tubo ou o efeito da pressão em sistemas hidráulicos.

Além disso, ao lidar com fluidos reais, devemos considerar a resistência do fluido ao movimento, que é modelada por sua viscosidade, e em alguns casos também é importante entender os fenômenos de compressibilidade, como ocorre com os gases em alta velocidade.

Para que serve a mecânica dos fluidos?

A mecânica dos fluidos é fundamental para entender e projetar sistemas que envolvem líquidos e gases, e suas aplicações estão presentes em diversas áreas da ciência e da engenharia. Ela é crucial, por exemplo, na hidráulica, onde é utilizada para projetar sistemas de tubulação, bombas e reservatórios de água, garantindo que a água seja transportada de forma eficiente.

Também é essencial em aeronáutica e engenharia automotiva, ajudando no desenvolvimento de veículos mais aerodinâmicos e no estudo de como os fluidos (como o ar) interagem com superfícies em movimento, como asas de aviões e carros. Além disso, a mecânica dos fluidos é aplicada em:

• sistemas de ventilação;
• projeto de sistemas de refrigeração;
• controle de poluição atmosférica;
• processamento de alimentos;
• na medicina, como no estudo de como o sangue flui nas artérias e veias.

Ela é, portanto, uma disciplina central para otimizar e inovar em uma infinidade de tecnologias e processos do nosso cotidiano.

Importância da mecânica dos fluidos

A mecânica dos fluidos é de extrema importância porque está diretamente envolvida na compreensão e no desenvolvimento de tecnologias essenciais para a sociedade moderna. Sua aplicação impacta desde sistemas de transporte e distribuição de água até a engenharia de aeronaves, carros e navios. Ela permite a criação de soluções eficientes em processos industriais, como o controle de escoamento de materiais em fábricas ou a otimização de processos químicos em reatores.

Na medicina, é fundamental para o entendimento do fluxo sanguíneo e o desenvolvimento de dispositivos médicos, como válvulas cardíacas e respiradores. Além disso, é essencial em áreas como a meteorologia, permitindo prever fenômenos atmosféricos, e na engenharia ambiental, ajudando a projetar sistemas de drenagem, tratamento de águas e controle de poluição.

A mecânica dos fluidos também é crucial para o avanço da ciência, pois seu estudo aprofunda o conhecimento sobre os fenômenos naturais e as leis que governam o comportamento de fluidos em diferentes condições.

Saiba mais: Quais são as demais áreas de estudo da mecânica?

O que é fluido?

Um fluido é qualquer substância que pode se deformar continuamente quando uma força é aplicada, sem a necessidade de mudança de forma, como ocorre com os sólidos. Isso inclui tanto líquidos quanto gases. A característica principal de um fluido é a sua capacidade de fluir, ou seja, de se mover e adaptar-se à forma do recipiente que o contém.

Fluidos não têm forma fixa, e suas partículas estão em constante movimento, o que permite que eles se ajustem facilmente a diferentes contornos e que se desloquem, seja por pressão ou por gradientes de temperatura. Em termos microscópicos, os fluidos são compostos por moléculas ou átomos que estão em movimento, interagindo entre si de maneira diferente de como as partículas de sólidos interagem.

A mecânica dos fluidos, então, estuda o comportamento desses materiais sob diferentes condições, como em movimento (escoamento) ou em repouso.

Exercícios resolvidos sobre mecânica dos fluidos

Questão 1: (Fuvest-SP) Quando você toma refrigerante com um canudinho, o líquido sobe porque:

A) a pressão atmosférica cresce com a altura, ao longo do canudo.

B) a pressão no interior de sua boca é menor que a atmosférica.

C) a densidade do refrigerante é menor que a do ar.

D) a pressão hidrostática no copo é a mesma em todos os pontos em um plano horizontal.

Resolução:

Alternativa B

O líquido se desloca da região de maior pressão para a de menor pressão; portanto, a pressão no interior da boca é menor que a pressão atmosférica.

Questão 2: (U. São Francisco-SP) Dois pontos, A e B, dentro da água, em equilíbrio, apresentam um desnível de 10 m. Sendo a massa específica da água igual a 1000 kg/m³ e a aceleração da gravidade, 10 m/s², a diferença de pressão entre A e B será de, em N/m²:

Resolução:

Usando a fórmula da pressão em um fluido estático:

\(P_b=P_a+ρgh\)

\(P_b-P_a=ρgh\)

\(\Delta P=ρgh\)

\(\Delta P = 10^3 \cdot 10 \cdot 10 \)

\(\Delta P = 10^5 \, \text{N/m}^2 \)

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, ondas e termodinâmica (vol. 2). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). 4 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2013.