Mecânica dos fluidos: história, o que estuda, fundamentos - Ciência - 2023

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o mecânica de fluidos É o ramo da Mecânica que se dedica ao estudo das propriedades e do comportamento dos fluidos, sejam eles líquidos ou gases. É baseado nos princípios da Mecânica Newtoniana dos sólidos: as leis de Newton, a conservação da energia e o momento.

Tanto na engenharia quanto nas ciências biológicas e ambientais, os fluidos desempenham um papel importante. O ar e a água que nos rodeiam e sustentam a vida são fluidos, assim como sangue e outros fluidos do corpo humano e dos animais.

As correntes de ar e as correntes de água são fatores que determinam o clima e as características dos ecossistemas que hospedam os seres vivos. As plantas, que são o suporte da vida, aproveitam as qualidades dos fluidos para se adaptar e se desenvolver em diferentes ambientes.

Por outro lado, conhecer o comportamento dos fluidos é essencial para projetar as estruturas que dão forma à civilização. Daí vem o projeto de tubos, sistemas de irrigação, construções civis, refrigeração, aquecimento, carros, barcos, aviões, artigos esportivos e muito mais.

A mecânica dos fluidos continua atuando mesmo quando se afasta do ambiente terrestre. Com efeito, o Sol, centro do Sistema Solar, é uma massa colossal de fluido gasoso, cuja existência depende do equilíbrio entre a gravidade e a pressão hidrostática.

Os campos magnéticos estelar e planetário são uma consequência do movimento de cargas elétricas e são modelados através da dinâmica dos fluidos. Pelo que sabemos, esses princípios também são válidos para todas as estrelas, portanto a Mecânica dos Fluidos é uma disciplina universal.

Breve história

Antiguidade

Civilizações antigas que floresceram no Oriente Médio e na Europa Oriental tinham um conhecimento sólido do comportamento dos fluidos. Eles ficaram evidentes na construção de canais e barcos de irrigação.

No século III aC, o físico Arquimedes de Siracusa (287-212 aC) formulou os princípios da flutuabilidade e da hidrostática, tão válidos então como agora.

É sabido que os antigos romanos se destacaram pela gestão e transporte de água para uso doméstico e agrícola. Eles construíram banhos e muitos de seus aquedutos ainda permanecem de pé.

Idade Média e Renascimento

Da mesma forma, os árabes que invadiram a Península Ibérica trouxeram consigo muitos dos conhecimentos dos gregos que colocaram em prática na construção dos seus edifícios.

Mas a Idade Média passou sem aparentemente nenhum progresso nesta disciplina, até que Leonardo da Vinci (1452-1519) se dedicou à experimentação e ao estudo da aerodinâmica.

Idade Moderna até o presente

Blaise Pascal (1623-1662) foi um cientista francês que se envolveu em vários campos do conhecimento em sua época e lançou uma nova luz sobre a natureza dos fluidos ao estabelecer, por volta de 1648, o princípio que leva seu nome e criar a prensa hidráulica. Alguns anos antes, Evangelista Torricelli (1608-1647) foi o primeiro a medir a pressão atmosférica.

Mas foi Isaac Newton (1642-1727) quem lançou as bases para os fenômenos associados aos fluidos. Não apenas estabelecendo as três leis da Dinâmica, aplicáveis a todos os objetos com massa.

Newton também estudou a viscosidade dos fluidos: na verdade, existe uma lei de Newton para a viscosidade que ainda está em vigor hoje.

Em 1738, o matemático e físico suíço Daniel Bernoulli (1700-1782), aplicou a conservação de energia a um fluido ideal e formulou a equação que leva seu nome e descreve o comportamento dos fluidos em movimento. Ao mesmo tempo, Claude Navier (1785-1836) e George Stokes (1819-1903) desenvolveram as equações fundamentais da dinâmica dos fluidos viscosos.

No final do século 19, Osborne Reynolds (1842-1912) estudou turbulência e estabeleceu um critério para distinguir fluxos laminares e turbulentos.

A análise dimensional aplicada a fluidos também surge, com Ludwig Prandtl (1875–1953) e o número de Prandtl. A computação gerou simulações de fluxo de fluido muito mais complexas, predominantes na natureza, mas difíceis de caracterizar com os modelos analíticos disponíveis.

O que a mecânica dos fluidos estuda?

A Mecânica dos Fluidos estuda o comportamento dos fluidos e é dividida em três grandes áreas:

Estática de fluidos ou estudo de fluidos em repouso.
Cinemática dos fluidos: descreve o movimento dos fluidos.
Dinâmica dos fluidos, que estuda a origem desse movimento.

Essas disciplinas se aplicam tanto a gases quanto a líquidos, embora o estudo exclusivo deles seja chamado de Hidráulica. A hidrostática, por sua vez, refere-se ao estudo dos líquidos em repouso, e a hidrodinâmica, quando estão em movimento.

A reologia abrange o conhecimento relacionado às deformações e ao fluxo da matéria. Embora seja considerado parte da Mecânica dos meios contínuos, está intimamente relacionado aos fluidos, uma vez que estes se caracterizam justamente por sua capacidade de fluir.

Outros ramos importantes são a Aerodinâmica, que analisa o fluxo de gases como o ar, além de Meteorologia, Oceanografia e Hidrologia.

Fundamentos da Mecânica dos Fluidos

Ao olhar para os fluidos, verifica-se que eles são feitos de átomos e moléculas, não tão unidos como os de um sólido. É possível rastrear o movimento de um objeto estendido, mas finito, mas como rastrear as inúmeras partículas em um gás ou líquido?

Densidade, gravidade específica e pressão

A resposta está nestes conceitos-chave: densidade e pressão. Em vez de trabalhar com massas e pesos individuais, você está trabalhando com densidade, que é massa por unidade de volume. Associada à densidade está a gravidade específica, que é o peso do fluido por unidade de volume.

E em vez de força, os fluidos são caracterizados por Pressão exercida nas superfícies, que é definida como força por unidade de área.

Viscosidade

Ele descreve o atrito entre as camadas do fluido, uma característica que determina como ele se moverá.

Princípio de Arquimedes

O princípio de Arquimedes é fundamental na hidrostática. Isso afirma que um corpo totalmente ou parcialmente submerso em um fluido em repouso experimenta uma força de empuxo vertical que é igual ao peso do volume de fluido deslocado.

Princípio de Pascal

Estabelece que a pressão em um fluido incompressível dentro de um recipiente é transmitida de um ponto a outro com a mesma intensidade.

Equação de Bernoulli

Equivale à conservação de energia mecânica aplicada a uma porção de um fluido ideal que flui por um tubo.

Número de Reynolds

É uma quantidade adimensional usada para distinguir entre fluxos laminares e turbulentos.

Número Prandtl

É uma quantidade adimensional que caracteriza a transferência de calor por convecção ao escoamento de um determinado fluido.

Aplicações da Mecânica dos Fluidos

No início, fornecemos uma lista não muito exaustiva das muitas aplicações da mecânica dos fluidos. A seguir, citaremos resumidamente alguns dos mais relevantes:

A prensa hidráulica

É uma máquina que consiste em um tubo com duas seções transversais diferentes, preenchido com um fluido incompressível. Quando uma força é aplicada a um êmbolo na seção estreita, ela é multiplicada na saída de um êmbolo maior na seção larga.

Compressores

São máquinas que aumentam a pressão ao mesmo tempo que deslocam certos fluidos compressíveis, como os gases. Dessa forma, eles os forçam a fluir, enquanto ganham energia que pode ser usada para fazer trabalho mecânico.

Turbinas

Máquinas que utilizam um fluido para girar pás ou hélices, que também realizam trabalhos mecânicos.

Ar condicionado

Os sistemas de ar condicionado: aquecimento e ar condicionado, baseiam-se nas propriedades dos fluidos para termalizar os ambientes.

Referências

Cimbala, C. 2006. Mecânica dos Fluidos, Fundamentos e Aplicações. Mc. Graw Hill.
Franzini, J. 1997. Mecânica dos Fluidos com aplicações em Engenharia. 9º. Edição. McGraw Hill.
Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4º. Edição. Pearson Education.
Potter, M. Fluid Mechanics. 3º Edição. Thomson.
Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7ª Edição. McGraw Hill.