Introdução à Mecânica dos Fluidos, 9ª edição

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Reconhecido internacionalmente por sua excelência de conteúdo e didática, Introdução à Mecânica dos Fluidos é um dos livros mais adotados da área. É uma obra importante tanto para a formação de estudantes quanto como material de apoio para profissionais experientes._x000D_
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A nona edição traz novamente a metodologia que a consagrou. Além da ênfase nos conceitos físicos, adota o método de solução Fox-McDonald, que parte dos princípios básicos e estimula o aluno a escolher as melhores técnicas, relacionando os resultados com o comportamento físico esperado. Essa metodologia é ilustrada em numerosos exemplos, destacados na sequência do texto para fácil identificação._x000D_
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Cada capítulo é introduzido com um estudo de caso, uma interessante e nova aplicação do assunto tratado, a fim de ilustrar a ampla faixa de áreas que utilizam a disciplina da mecânica dos fluidos. Dentre os exemplos, são de extrema importância aqueles ligados à energia e ao meio ambiente._x000D_
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Esta obra também conta com materiais suplementares exclusivamente online, de acesso livre mediante cadastro no GEN-IO, ambiente virtual de aprendizagem do GEN | Grupo Editorial Nacional –, como seções extras, vídeos (em inglês) demonstrando os princípios da mecânica dos fluidos e modelos em Excel para solução de problemas.

14 capítulos

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Capítulo 1 - Introdução

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capítulo 

1

Introdução

1.1 Introdução à Mecânica dos Fluidos

1.2 Equações Básicas

1.3 Métodos de Análise

1.4 Dimensões e Unidades

1.5 Análise de Erro Experimental

1.6 Resumo

Estudo de Caso

Energia Eólica

Cortesia de KiteGen e Archer & Caldeira

De acordo com a edição de 16 de julho de 2009 do New York

Times, o potencial global de energia eólica é muito maior do que o estimado anteriormente tanto pelos grupos industriais quanto pelas agências governamentais. Usando os dados obtidos a partir de milhares de estações meteorológicas, a pesquisa indica que o potencial mundial de energia eólica é em torno de

40 vezes maior do que o consumo atual total de energia; estudos anteriores haviam posto esse valor em torno de sete vezes maior! Nos 48 estados mais baixos dos EUA, o potencial de energia eólica é 16 vezes maior do que a demanda total de energia elétrica nos EUA, sugeriram os pesquisadores, novamente muito além do que um estudo de 2008 do Departamento de Energia dos EUA, que projetou que a energia eólica poderia suprir um quinto de toda a energia elétrica no país até 2030. Os resultados indicam a validade da alegação muitas vezes feita de que

 

Capítulo 2 - Conceitos Fundamentais

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capítulo 

2

Conceitos Fundamentais

2.1 O Fluido como um Contínuo

2.2 Campo de Velocidade

2.3 Campo de Tensão

2.4 Viscosidade

2.5 Tensão Superficial

2.6 Descrição e Classificação dos Movimentos de

Fluidos

2.7 Resumo e Equações Úteis

Estudo de Caso

Mecânica dos Fluidos e Seu Aparelho MP3

© SKrow/iStockphoto

Algumas pessoas têm a impressão de que a mecânica dos fluidos

é de tecnologia velha ou ultrapassada: o escoamento de água em uma tubulação residencial, as forças fluidas agindo sobre uma represa, e assim por diante. Embora seja verdade que muitos conceitos em mecânica dos fluidos tenham centenas de anos, existem ainda muitas novas e excitantes áreas de pesquisa e desenvolvimento. Todos já ouviram falar da área de mecânica dos fluidos de tecnologia relativamente de ponta chamada carenagem (de carros, aeronaves, bicicletas de corrida e roupas para competição em natação, para mencionar somente algumas), mas existem muitas outras.

 

Capítulo 3 - Estática dos Fluidos

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50  

Capítulo  3

capítulo 

3

Estática dos Fluidos

3.1 A Equação Básica da Estática dos Fluidos

3.2 A Atmosfera-Padrão

3.3 Variação de Pressão em um Fluido Estático

3.4 Forças Hidrostáticas sobre Superfícies Submersas

3.5 Empuxo e Estabilidade

3.6 Fluidos em Movimento de Corpo Rígido (no

GEN-IO, ambiente virtual de aprendizagem do GEN)

3.7 Resumo e Equações Úteis

Estudo de Caso

Os seres humanos têm se interessado por séculos em tomar a imensa energia do oceano, mas, com os combustíveis fósseis (óleo e gás) se esgotando, o desenvolvimento de tecnologias para aproveitar a energia do oceano está se tornando importante. Em particular, a energia das ondas é atrativa para diversos países com acesso a fontes convenientes. Acredita-se que do ponto de vista geográfico e comercial os mais ricos recursos atualmente conhecidos de energia das ondas estão na costa da Europa banhada pelo oceano Atlântico (em particular, perto da Irlanda, do Reino Unido e de Portugal), na costa oeste da América do Norte (de São Francisco até Colúmbia Britânica), Havaí e Nova Zelândia.

 

Capítulo 4 - Equações Básicas na Forma Integral para um Volume de Controle

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capítulo 

4

Equações Básicas na Forma Integral para um Volume de Controle

4.1 Leis Básicas para um Sistema

4.2 Relação entre as Derivadas do Sistema e a

Formulação para Volume de Controle

4.3 Conservação de Massa

4.4 Equação da Quantidade de Movimento para um

Volume de Controle Inercial

4.5 Equação da Quantidade de Movimento para um

Volume de Controle com Aceleração Retilínea

4.6 Equação da Quantidade de Movimento para Volume de Controle com Aceleração Arbitrária (no GEN-IO, ambiente virtual de aprendizagem do GEN)

4.7 O Princípio da Quantidade de Movimento

Angular

4.8 A Primeira e a Segunda Leis da

Termodinâmica

4.9 Resumo e Equações Úteis

Estudo de Caso

Energia das Correntes em Oceanos:

O Vivace

Cortesia da University Strathclyde

As correntes em rios e oceanos representam abundante fonte de energia renovável. Embora as correntes dos rios e dos oceanos se movam lentamente em comparação com as velocidades típicas dos ventos, elas carregam uma grande quantidade de energia porque a água é em torno de 1000 vezes mais densa que o ar, e o fluxo de energia em uma corrente é diretamente proporcional à massa específica. Consequentemente, água movendo-se a 16,0934 km/h exerce aproximadamente a mesma quantidade de força do que o vento a 160,934 km/h. As correntes dos rios e oceanos contêm uma enorme quantidade de energia que pode ser capturada e convertida para uma forma usável. Por exemplo, perto da superfície da corrente do estreito da Flórida, EUA, a densidade de energia extraível relativamente constante é da ordem de 1 kW/m2 de área de escoamento. Estima-se que a captura de apenas 1/1.000 da energia disponível da corrente do golfo poderia fornecer à Flórida

 

Capítulo 5 - Introdução à Análise Diferencial dos Movimentos dos Fluidos

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ca p í t u l o 

5

Introdução à Análise Diferencial dos

Movimentos dos Fluidos

5.1 Conservação da Massa

5.2 Função de Corrente para Escoamento

5.4 Equação da Quantidade de Movimento

5.5 Introdução à Dinâmica de Fluidos Computacional

5.3 Movimento de uma Partícula Fluida (Cinemática)

5.6 Resumo e Equações Úteis

Incompressível Bidimensional

(DFC)*

Estudo de Caso

Energia das Ondas: Conversor de Energia das Ondas Aquamarine Oyster

Aquamarine Power, uma empresa de energia das ondas localizada na Escócia, desenvolveu um inovador conversor de energia das ondas hidroelétrico, conhecido como Oyster (Ostra); um modelo de demonstração em escala foi instalado em 2009 e começou a produzir energia para residências em algumas regiões da Escócia.

Eles planejam possuir fazendas de ondas Ostra comercialmente viáveis em todo o mundo. Uma fazenda com 20 dispositivos

Oyster forneceria energia suficiente para 9000 residências, evitando as emissões de cerca de 2 3 106 kg de carbono.

 

Capítulo 6 - Escoamento Incompressível de Fluidos Não Viscosos

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capítulo 

6

Escoamento Incompressível de Fluidos

Não Viscosos

6.1 Equação da Quantidade de Movimento para

Escoamento sem Atrito: a Equação de Euler

6.2 A Equação de Bernoulli — Integração da Equação

de Euler ao Longo de uma Linha de Corrente para

Escoamento Permanente

6.3 A Equação de Bernoulli Interpretada como uma

Equação de Energia

6.4 Linha de Energia e Linha Piezométrica

6.5 Equação de Bernoulli para Escoamento Transiente

— Integração da Equação de Euler ao Longo de uma Linha de Corrente (no GEN-IO, ambiente virtual de aprendizagem do GEN)

6.6 Escoamento Irrotacional

6.7 Resumo e Equações Úteis

Estudo de Caso

As Fontes do Bellagio em Las Vegas

Mitch Diamond/Photolibrary/Getty Images

Qualquer visitante em Las Vegas reconhecerá as fontes de água no hotel Bellagio. Elas são constituídas de uma sequência de jatos de

água de alta potência, criados e construídos pela Companhia de

 

Capítulo 7 - Análise Dimensional e Semelhança

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capítulo 

7

Análise Dimensional e Semelhança

7.1

7.2

7.3

7.4

7.5 Semelhança de Escoamentos e Estudos de

As Equações Diferenciais Básicas Adimensionais

Modelos

A Natureza da Análise Dimensional

7.6 Resumo e Equações Úteis

O Teorema Pi de Buckingham

Grupos Adimensionais Importantes na Mecânica dos Fluidos

Estudo de Caso

T. Rex

© Science Photo Library/Alamy

A análise dimensional, o principal tópico deste capítulo, é usada em muitas pesquisas científicas. Essa metodologia tem sido usada pelo professor Alexander McNeil, agora trabalhando na Universi-

Tyrannosaurus rex.

dade Heriot-Watt na Escócia, para tentar determinar a velocidade com a qual os dinossauros, tais como o Tyrannosaurus rex, podem ter sido capazes de correr. Os únicos dados disponíveis sobre essas criaturas estão no registro fóssil — sendo os dados mais pertinentes os comprimentos médios l das pernas e s dos passos dos dinossauros. Esses dados poderiam ser utilizados para avaliar a velocidade dos dinossauros? A comparação de dados de l e s e da velocidade

 

Capítulo 8 - Escoamento Interno Viscoso e Incompressível

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capítulo 

8

Escoamento Interno Viscoso e Incompressível

8.1 Características de Escoamento Interno

8.5 �Perfis de Velocidade em Escoamentos Turbulentos

Parte A  Escoamento Laminar Completamente

Desenvolvido

8.6 �Considerações de Energia no Escoamento em

8.2 �Escoamento Laminar Completamente

Desenvolvido entre Placas Paralelas Infinitas

8.3 �Escoamento Laminar Completamente

Completamente Desenvolvidos em Tubos

Tubos

8.7 Cálculo da Perda de Carga

8.8 Solução de Problemas de Escoamento em Tubo

Desenvolvido em um Tubo

Parte C  Medição de Vazão

Parte B  Escoamento em Tubos e Dutos

8.4 �Distribuição de Tensão de Cisalhamento no

Escoamento Completamente Desenvolvido em

Tubos

8.9 �Medidores de Vazão de Restrição para

Escoamentos Internos

8.10 Resumo e Equações Úteis

Estudo de Caso

“Laboratório em um Chip”

Uma área nova e excitante em mecânica dos fluidos é a micromecânica dos fluidos, aplicada aos sistemas microeletromecânicos

 

Capítulo 9 - Escoamento Viscoso, Incompressível, Externo

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capítulo 

9

Escoamento Viscoso, Incompressível, Externo

9.5 Gradientes de Pressão no Escoamento da Camada-

Parte A  Camadas-Limite

9.1 O Conceito de Camada-Limite

9.2 Camada-Limite Laminar sobre uma Placa Plana:

Limite

Parte B �Escoamento Fluido em Torno de Corpos

Submersos

9.3 Equação Integral da Quantidade de Movimento

9.4 Uso da Equação Integral da Quantidade de

9.6 Arrasto

9.7 Sustentação

9.8 Resumo e Equações Úteis

Solução Exata (no GEN-IO)

Movimento para Escoamento com Gradiente de

Pressão Zero

Estudo de Caso

Boeing/Bob Ferguson

O Avião Blended Wing Body

O protótipo X-48B no túnel da NASA em escala real.

A Boeing Phantom Works fez uma parceria com a NASA e o Centro de Pesquisas da Força Aérea dos Estados Unidos para estudar o conceito de uma aeronave avançada que economiza combustível. Chamado de BWB (do inglês, blended wing-body, algo como mistura de fuselagem-asa), o avião se parece mais com uma asa plana triangular do que com o tradicional avião constituído basicamente por um tubo com asas e uma cauda. De fato, o conceito de um BWB remonta à década de 1940, mas atualmente desenvolvimentos em materiais compósitos e voos por controle estão ficando mais viáveis. Pesquisadores testaram um protótipo com

 

Capítulo 10 - Máquinas de Fluxo

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capítulo 

10

Máquinas de Fluxo

10.1 Introdução e Classificação de Máquinas de Fluxo

10.2 Análise de Turbomáquinas

10.3 Bombas, Ventiladores e Sopradores

10.4 Bombas de Deslocamento Positivo

10.5 Turbinas Hidráulicas

10.6 Hélices e Máquinas Eólicas

10.7 Turbomáquinas de Escoamento Compressível

10.8 Resumo e Equações Úteis

Estudo de Caso

Alan Epstein, um professor de aeronáutica e astronáutica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), e sua equipe têm realizado muitas pesquisas sobre turbinas a gás de pequena espessura e fabricadas com silício. Elas apresentam um tamanho próximo ao “quarter”* (como mostrado na figura), e podem ser produzidas em massa facilmente. Diferentemente das grandes turbinas convencionais, que são constituídas de muitos componentes, essas microturbinas são construídas basicamente de uma peça sólida de silício. O professor

Epstein descobriu que os conceitos básicos sobre a teoria de turbina

 

Capítulo 11 - Escoamento em Canais Abertos

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capítulo 

11

Escoamento em Canais Abertos

11.1 Conceitos Básicos e Definições

11.2 Equação de Energia para Escoamentos em Canal

11.5 Escoamento Uniforme em Regime Permanente

11.6 Escoamento com Profundidade Variando

11.3 Efeito Localizado de Mudança de Área

11.7 Medição de Descarga Usando Vertedouros

11.8 Resumo e Equações Úteis

Aberto

(Escoamento sem Atrito)

11.4 O Ressalto Hidráulico

Gradualmente

Estudo de Caso milhões de metros cúbicos) de água por ano do rio Colorado, sendo a maior fonte renovável de suprimento de água no estado do Arizona.

O projeto do PAC envolveu muitos dos princípios de engenharia que iremos estudar neste capítulo. Por causa da grande vazão de água, o aqueduto foi projetado como um canal aberto com uma seção transversal trapezoidal, que propiciou o menor canal para a vazão desejada. A gravidade é a força motor para o escoamento, e a terra foi graduada para fornecer a inclinação correta ao canal para o escoamento. Como o lago Havasu tem aproximadamente 3000 pés abaixo do terminal, o projeto final do aqueduto inclui 15 estações de bombeamento, 8 sifões invertidos e 3 túneis.

 

Capítulo 12 - Introdução ao Escoamento Compressível

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capítulo 

12

Introdução ao Escoamento Compressível

12.1 Revisão de Termodinâmica

12.2 Propagação de Ondas de Som

12.3 Estado de Referência: Propriedades de

Estagnação Isentrópica Local

12.4 Condições Críticas

12.5 Equações Básicas para Escoamento Compressível

Unidimensional

12.8 Escoamento Supersônico em Canais, com Choque

12.8 Escoamento Supersônico em Canais, com Choque

(continuação, no GEN-IO)

12.9 Escoamento em Duto de Área Constante, com

Atrito (no GEN-IO)

12.10 Escoamento sem Atrito em um Duto de Área

Constante, com Transferência de Calor

(no GEN-IO)

12.6 Escoamento Isentrópico de um Gás Ideal:

12.11 Choques Oblíquos e Ondas de Expansão

12.7 Choques Normais

12.12 Resumo e Equações Úteis

Variação de Área

(no GEN-IO)

Estudo de Caso

O super-homem é mais rápido do que uma bala. Então, o quão rápido é isso? Verifica-se que a maior velocidade de uma bala é em torno de 1500 m/s, ou em torno do número de Mach 4,5 ao nível do mar. Os seres humanos podem acompanhar o super-homem?

 

Apêndices A, B, C, D e E

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apêndice 

A

Dados de Propriedades de Fluidos

A.1  Densidade Relativa

Dados da densidade relativa para diversos líquidos e sólidos comuns estão apresentados nas Figs. A.1a e A.1b e nas Tabelas A.1 e A.2. Para líquidos, a densidade relativa

é uma função da temperatura. (Massas específicas da água e do ar são dadas como funções da temperatura nas Tabelas de A.7 a A.10.) Para a maior parte dos líquidos, a densidade relativa decresce com o aumento da temperatura. A água tem um comportamento singular: ela apresenta uma massa específica máxima de 1000 kg/m3 a

4°C. A massa específica máxima da água é usada como valor de referência para calcular a densidade relativa. Portanto

Consequentemente, a densidade relativa (SG) máxima da água é exatamente a unidade.

As densidades relativas para sólidos são relativamente insensíveis à temperatura; os valores dados na Tabela A.1 foram medidos a 20°C.

A densidade relativa da água do mar depende tanto da temperatura quanto do grau de salinidade. Um valor representativo para a água do oceano é SG = 1,025, como dado na Tabela A.2.

 

Respostas de problemas selecionados

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Respostas de Problemas

Selecionados

Capítulo 1

1.1

1.3

1.5

1.7

1.13

1.15

1.17

1.19

1.21

1.23

1.25

1.27

1.29

1.31

1.33

1.35

1.37

1.39

1.41

(a) Conservação da massa: A massa de um sistema é constante por definição.

(b) Segunda lei de Newton do movimento:

A força líquida atuando sobre o sistema é diretamente proporcional ao produto da massa do sistema e sua aceleração.

(c) Primeira lei da termodinâmica: A variação da energia estocada em um sistema é igual à energia líquida adicionada ao sistema como calor e trabalho.

(d) Segunda lei da termodinâmica: A entropia de qualquer sistema isolado não pode diminuir durante nenhum processo entre estados de equilíbrio do sistema.

(e) Princípio do momento angular: O torque líquido atuando sobre o sistema é igual à variação do momento angular do sistema.

M 5 26,6 kg t 5 3W/gk

L 5 0,249 m   D 5 0,487 m c) kg/m ? s2 a) kg ? m2/s3 b) kg/m ? s2

 

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