Qual a diferença de um bocal de Borda para um bocal cilíndrico externo?

Passo 1

O que o enunciado pede: explicar qual é a diferença entre um bocal de borda e um bocal cilíndrico externo.
Informações dadas/pressupostas: nenhuma grandeza numérica foi fornecida — a pergunta é conceitual. Vou listar características geométricas, efeitos no escoamento e consequências práticas para que você entenda e consiga responder isso numa prova.

Passo 2

Descrição geométrica de cada um (o ponto de partida):
  • Bocal de borda: é um orifício feito em uma chapa fina cuja borda é afiada (canto pronunciado). Ou seja, o comprimento do orifício é desprezível comparado ao diâmetro; a parede interna logo termina na aresta. Visualize uma chapa perfurada muito fina — a água “sai” por um furo com borda viva.
  • Bocal cilíndrico externo: é um orifício com uma garganta em forma de tubo (parede cilíndrica) cuja espessura/ comprimento L não é desprezível em relação ao diâmetro D. Em outras palavras, é um tubo curto saindo da parede (um “trecho cilindrico” por onde o fluido passa antes de formar o jato).

Passo 3

O que muda no fluxo: contração e formação da vena contracta
  • No bocal de borda a corrente de fluido que deixa o reservatório tende a convergir e formar a chamada vena contracta: a seção mínima do jato fica depois da borda. Isso acontece porque o fluido “entra” na região acelerando para passar pela aresta afiada.
  • No bocal cilíndrico externo, se o tubo tem comprimento suficiente, o escoamento tem mais chance de “acomodar-se” às paredes e o jato apresenta menos contração (a seção efetiva tende a aproximar-se da área do tubo). Ou seja, a vena contracta é menor ou deslocada quando existe comprimento cilíndrico.

Passo 4

Coeficientes e fórmula de vazão — como isso aparece numericamente
  • Fórmula prática de descarga para jatos livres:
Q = C_d \, A \sqrt{2 g h}
onde Q é a vazão, C_d é o coeficiente de descarga (engloba contração e perdas), A é a área do orifício, g é a aceleração da gravidade e h é a carga hidráulica disponível.
  • No bocal de borda o coeficiente de descarga C_d é fortemente influenciado pela contração: costuma ser menor (valores típicos de referência para orifício de borda em água, regime turbulento, estão na faixa de C_d\approx 0{,}6 a 0{,}65).
  • No bocal cilíndrico externo o C_d depende muito do razão L/D: para L/D pequeno ele se aproxima do comportamento de orifício; para L/D moderado a grande a contração diminui ( C_c tende a 1), porém surgem perdas por atrito ao longo do tubo que reduzem o C_d. Em resumo: contração menor, mas perdas de atrito maiores.

Passo 5

Perdas de energia: localizadas versus distribuídas
  • Bocal de borda: perdas principais são localizadas na saída (efeito de contração e separação rápida). Essas perdas podem ser tratadas como uma perda singular.
  • Bocal cilíndrico: além de possíveis perdas de entrada/saída, existe perda distribuída por atrito ao longo do comprimento do tubo; podemos estimá‑la com a fórmula de Darcy–Weisbach:
h_f = f\,\frac{L}{D}\,\frac{v^2}{2g}
onde h_f é a perda por atrito, f é o fator de atrito (função do regime e rugosidade), L e D são comprimento e diâmetro do tubo e v é a velocidade média no trecho. Assim, mesmo com menor contração, um bocal cilíndrico longo pode entregar menos vazão devido ao somatório de perdas.

Passo 6

Comportamento do jato e aplicações práticas (por que escolher um ou outro?)
  • Bocal de borda: jato mais contraído, saída mais “concentrada” pouco após a borda; usado quando se quer um dispositivo simples, pequeno custo, e em medições com tabela/calibração para orifício de borda. É comum em medições (orifício padrão) e aplicações onde o comprimento do orifício não é desejado.
  • Bocal cilíndrico externo: jato mais “preenchido” pela área do tubo, às vezes mais estável em direção; usado quando se precisa de um jato com perfil conhecido, quando é necessário prolongar o orifício físico ou quando se quer controlar a forma do jato (sprays, bocais de saída). Também usado quando quer evitar a forte contração para encaixe com tubulação externa.

Passo 7

Regras práticas e como decidir em prova (o que observar no enunciado)
  • Veja a relação L/D. Regras de bolso: se L/D < 0{,}1 trate como orifício de borda (chapa fina); se 0{,}1 < L/D < 1 é um orifício curto/curto-tubo (comportamento intermediário); se L/D > 1 trate como tubo/ bocal cilíndrico com perdas por atrito.
  • Use tabelas ou valores padrão de C_d se o enunciado fornecer; caso não forneça, justifique a aproximação escolhida (ex.: “considero bocal de borda com C_d=0{,}62 porque L/D\approx0”).

Passo 8

Exemplo didático rápido (sem números do enunciado, para você praticar a aplicação)
Suponha que você tem área A igual para os dois bocais e mesma carga h. Então compare qualitativamente:
  • Bocal de borda: Q_1 = C_{d1}\,A\sqrt{2gh} com C_{d1} menor por contração.
  • Bocal cilíndrico: Q_2 = C_{d2}\,A\sqrt{2gh} com C_{d2} afetado por L/D: pode ser maior que C_{d1} se L for pequeno (menos contração) ou menor se L for grande (muitas perdas por atrito). Assim, sem números, a comparação depende de L/D e do regime (viscoso/turbulento).

Passo 9

Resumo conceitual final (para decorar e usar na prova)
  • Bocal de borda = chapa fina + borda afiada → forte contração (vena contracta) → maiores perdas localizadas de contração → C_d relativamente baixo e bem caracterizado por tabela.
  • Bocal cilíndrico externo = tubo com comprimento apreciável → menor contração, mas perdas por atrito ao longo do tubo → C_d depende de L/D e do fator de atrito; pode reduzir ou aumentar a vazão dependendo do comprimento relativo.

Resposta

O bocal de borda é um orifício em chapa fina com borda afiada que provoca grande contração do jato (vena contracta) e perdas localizadas, resultando em coeficiente de descarga tipicamente menor; já o bocal cilíndrico externo é um trecho tubular com comprimento apreciável ( L/D não desprezível) que reduz a contração mas introduz perdas por atrito ao longo do tubo, de modo que o coeficiente de descarga depende de L/D e do regime de escoamento.

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