Mostrar código-fonte de Mecânica dos fluidos

{{Ciência/Reformar|Física|02-11-2010}}
{{Mecânica do contínuo|Mecânica dos fluidos}}
[[Imagem:Airplane vortex.jpg|thumb|right|300px|''[[Espiral]]'' provocada por um [[avião]] a decolar, visível pelo impacto do [[ar]], que desliza das suas asas, com um [[corante]] [[gasoso]] expelido do chão.]]

A '''mecânica dos fluidos''' é a parte da [[física]] que estuda o efeito de [[força]]s em [[fluido]]s. Os fluidos em [[Equilíbrio estático (Física)|equilíbrio estático]] são estudados pela [[hidrostática]] e os fluidos sujeitos a forças externas diferentes de zero são estudados pela [[hidrodinâmica]].<ref>[http://scienceworld.wolfram.com/physics/FluidMechanics.html Weisstein, Eric W. "Fluid mechanics." Eric Weisstein's World of Physics. http://scienceworld.wolfram.com/physics/FluidMechanics.html]</ref>

== Propriedades físicas dos fluidos hidráulicos ==
As propriedades dos fluidos hidráulicos relevantes para o estudo do escoamento dos fluidos são a [[massa volúmica]], a [[tensão superficial]], a [[viscosidade]], e restantes [[reologia|propriedades reológicas]].


{{Contexto da mecânica do contínuo}}

== Teoria ==
Os fluidos respeitam a conservação de [[massa]], [[quantidade de movimento]] ou [[momentum linear]] e [[momentum angular]], de [[energia]], e de [[entropia]]. A conservação de quantidade de movimento é expressa pelas [[Equações de Navier-Stokes|equações de Navier Stokes]]. Estas equações são deduzidas a partir de um balanço de forças/quantidade de movimento a um volume infinitesimal de fluido, também denominado de elemento representativo de volume.

Atualmente, o estudo, análise e compreensão da [[fenomenologia]] da maior parte dos problemas em dinâmica de fluidos e em transferência de calor, como macro-áreas que compõem a dinâmica de fluidos, são desenvolvidos através da [[Modelagem Computacional]]. Nesta, um [[modelo matemático]] é desenvolvido, com base na fenomenologia do problema considerado. A partir deste modelo, geralmente um sistema de [[equações diferenciais parciais]] ou [[equações diferenciais ordinárias]], é desenvolvido um [[modelo computacional]] ou utilizado um [[Programa de computador|código computacional]] comercial, para a execução de [[Simulação|simulações numéricas]], em [[fluidodinâmica computacional]], obtendo-se assim projeções temporais da [[Resolução de equações|solução do problema]]. Esta solução é condicionado pelas [[Problema de valor inicial|condições iniciais]] e [[condições de contorno]] do problema, que estabelecem as condições de evolução deste no tempo e no espaço.

A [[Mecânica de meios contínuos|Teoria do Contínuo]] fundamenta a conceituação teórica que justifica a maior parte das análise em CFD. O [[fluido]], um meio contínuo, é discretizado com base no [[modelo das partículas fluidas]]. Esta abstração conceitua um [[Mecânica de meios contínuos|elemento representativo de volume]] (''representative element of volume'', REV). Neste elemento de volume, de [[micro]] ou [[nano]] dimensões, uma [[propriedade]] ou [[Grandeza física|quantidade física]] mantem um valor médio, sob as mesmas condições, passível de reprodução em laboratório, sob as mesmas solicitações externas ao fluido. Assim uma partícula representativa de um volume de fluido, o REV, é o menor volume em que as propriedades do fluido se mantém. As moléculas de um contínuo vibram constantemente, cessando esta vibração somente no estado de repouso termodinâmico, o [[zero absoluto]]. Fisicamente em um REV o caminho médio percorrido pelas [[moléculas]] do fluido entre duas sucessivas é no mínimo da ordem de grandeza das próprias moléculas deste fluido.

Hoje em dia os modernos aviões usam um artifício para driblar a formação de vórtices nas pontas das asas, como o ''winglet'', um pequeno leme na extremidade da asa, permitindo que pelo menos um metro e meio de asa seja aproveitada na sustentação da aeronave, que é perdida para os vórtices que se formam na sua ausência. O vórtice ocorre quando o ar mais denso que flui abaixo da asa escapa para a parte superior menos densa, prejudicando sua sustentação naquela ponta de asa. Vórtices no sentido horário surgem na ponta da asa esquerda, anti-horário na asa direita. Nos profundores não se formam vórtices, pois não há diferença entre densidades do ar nos dois lados da empena.{{carece de fontes}}  

Experiências recentes dão conta de que uma superfície irregular da fuselagem, tipo "bola de golfe", com aqueles sulcos em concha, tem mais fluidodinâmica do que a mesma superfície quando plana e polida. Este efeito se verifica com as asas das aves, onde a superfície apresenta um arrasto mínimo, mesmo com a aparente irregularidade das penas. 

Também se faz experiência com bordos de ataque enrugados, tais como as nadadeiras de uma baleia, com reais vantagens para as mesmas áreas quando lisas e retas, por exemplo. Em ambos os casos, diminui-se a resistência do meio e melhora a performance e o consumo de energia de empuxo.    

Os navios mais rápidos hoje construídos são aqueles em que o roda de proa (chapa enformada onde convergem a quilha, as balizas reviradas e as longarinas de proa; que é a parte do navio que corta a água) possui uma longa protuberância ogival abaixo da linha d'água, que permite uma excelente hidrodinâmica ao anular a formação das ondas com outras ondas de valores contrários.

== Tipos de escoamentos ==
Os escoamentos podem ser classificados quanto à [[compressibilidade]] e quanto ao grau de mistura macroscópica. 

Um escoamento em que a [[densidade]] do fluido varia significativamente é um [[Fluxo compressível|escoamento compressível]]. Se a densidade não variar significativamente então o escoamento é [[escoamento incompressível|incompressível]].

O grau de mistura de um fluido em escoamento depende do [[regime de escoamento]], que pode ser [[regime laminar|laminar]], [[regime turbulento|turbulento]] ou de transição.

No regime laminar, as linhas de fluxo são paralelas ao escoamento, fazendo com que o fluido escoe sem que ocorra mistura. Em um duto circular, o escoamento é laminar até um valor de Reynolds de aproximadamente 2100. 

Na transição entre os regimes laminar e turbulento, percebe-se que as linhas de fluxo se tornam onduladas, o que indica que começa a haver mistura entre uma camada e outra. Para um duto circular, esse regime ocorre para um valor de Re entre 2100 e 2300. 

Para valores de Re acima de 2300, têm-se regime turbulento. Nesta fase, percebe-se uma mistura entre as camadas de fluxo.

== Métodos experimentais ==
O escoamento de fluidos é actualmente estudado por [[velocimetria laser]] e por [[velocimetria por imagem de partículas]].

== Abordagem computacional ==
A dinâmica de fluidos tem sido solicitada a fornecer soluções a [[sistemas complexos|problemas complexos]] em [[hidrodinâmica]], projetos de [[edificações]], [[aeronaves]], [[navios]] e [[Nave espacial|veículos espaciais]], em [[hemodinâmica]] e em [[biofísica]]. Nestas áreas a obtenção e o de tratamento de soluções considera um elevado número de dados, informações e variáveis, resultando em densos sistemas de equações. A [[modelagem computacional]] propõe um conjunto de métodos e técnicas para a abordagem destes problemas.

== Leis da Hidrodinâmica ==
Por forma a melhor compreender a física do deslocamento de fluidos em regime não turbulento, criou-se uma série de leis, que levaram à [[equação de Bernoulli]]. O que se estabelece segundo a equação é que

:<math>
C = p + \rho g h + { \rho v^2 \over 2 }
</math>

em que <math>C</math> é um valor relativo e constante, <math>p</math> é uma pressão relativa de outro ponto, <math>h</math> corresponde à diferença de alturas entre eles, e <math>v</math> à diferença de velocidades a que se encontram. A equação de Bernoulli está de certo modo relacionada com o porquê dos aviões voarem, e das garrafas de perfume expelirem líquido quando pressionadas.

O que se passa com as asas do avião é que a sua periferia é feita de tal forma que o ar que passa por cima da asa tem que percorrer um maior percurso em relação ao ar que passa por baixo da asa. Ou seja, o ar sobre a asa move-se a uma ''velocidade maior''. Dado este fato, a [[equação de Bernoulli]] prediz que a pressão acima da asa torna-se ''menor'' que abaixo da asa e, por este motivo, a uma determinada velocidade, a diferença de pressão é suficiente grande para fazer o avião levantar vôo.

O mesmo se passa no perfume: ao passar sobre a "boca" do frasco, o tubo estreita-se, sendo o ar nesse ponto obrigado a circular a uma velocidade maior. Assim, isso cria uma variação de pressão que empurra o perfume para a sua superfície, sendo depois disparado para o ar.

As equações de [[Bernoulli]] não possuem aplicação soberana na mecânica dos fluidos. As complexas Equações de Navier-Stokes são também utilizadas na análise da Mecânica dos fluidos. 

Elas são não-lineares e com uma infinidade de soluções não-analíticas, ou seja, somente obtidas com aporte computacional. São equações que relacionam densidade dos [[fluidos]], [[Aceleração|acelerações]], [[variação]] de [[pressão]], [[viscosidade]] e [[gradiente]]s de [[velocidade]]. 

Contudo, estas equações podem aproximar boas [[Álgebra|soluções algébricas]] quando feitas as devidas aproximações. Assumir, por exemplo, que o fluido é incompressível e sem viscosidade (idealização) faz com que estas equações sejam simplificadas e permitem soluções mais simples.<ref>INTRODUÇÃO À MECÂNICA DOS FLUIDOS - Autores: Fox - McDonald - LTC Editora (no Brasil)</ref>

== Ver também ==
{{Categoria|Mecânica de fluidos}}
{{Wikilivros|Mecânica dos fluidos}}

{{dividir em colunas}}
* [[Equações de Navier-Stokes]]
* [[Equação de momento]] para os fluidos
* [[Modelagem computacional]]
* [[Mecânica computacional]]
* [[Computação científica]]
* [[Hidráulica]]
* [[Aerodinâmica]]
* [[Fluido newtoniano]]
* [[Fluido não newtoniano]]
* [[Fluido complexo]]
* [[Relação constitutiva]]
* [[Difusão]], [[convecção]], [[reação]]
* [[Modelagem computacional]]
* [[Modelos físicos]]
* [[Propagação do conhecimento]]
* [[Método dos elementos finitos]]
* [[Método das diferenças finitas]]
* [[Método dos volumes finitos]]
* [[Modelo das Partículas Fluidas]]
* [[Dinâmica de partículas com dissipação]]
* [[Dinâmica de partículas com dissipação e relaxação]]
* [[Microfluidos]]
* [[Hidráulica aplicada a tubulações]]
* [[Equações Explícitas Para o Fator de Atrito de Darcy-Weisbach]]
{{dividir em colunas fim}}

{{Referências|col = 2}}

== {{Ligação externa}} ==
* [http://sites.google.com/site/cefetrjalunos/Home/fenomenos-de-transporte Fenômenos de Transporte CEFET/RJ]

{{física-rodapé}}

[[Categoria:Mecânica de fluidos]]