Fornecer as definições dos fluidos listados abaixo, e descrever o comportamento físico apresentado pelos fluidos nos itens
e c , quando submetidos a forças externas:
(a) Fluidos Newtonianos;
(b) Fluidos Não-Newtonianos: 1) Dilatantes, 2) Pseudoplásticos, e 3) Plásticos Ideais;
(c) Fluidos Ideais e Fluidos Reais;
(d) Fluidos Incompressíveis e Fluidos Compressíveis.
(a) Fluidos Newtonianos;
(b) Fluidos Não-Newtonianos: 1) Dilatantes, 2) Pseudoplásticos, e 3) Plásticos Ideais;
(c) Fluidos Ideais e Fluidos Reais;
(d) Fluidos Incompressíveis e Fluidos Compressíveis.
Passo 1
O enunciado pede para definirmos diversos tipos de fluidos e descrevermos como cada um deles se comporta ao ser submetido a forças externas. O conteúdo envolve conceitos de reologia (viscosidade e relação tensão–taxa de deformação), distinção entre fluidos ideais e reais (viscosidade versus fluidez perfeita) e ainda compressibilidade. Vamos lembrar a lei de Newton da viscosidade e depois tratar cada caso.
Passo 2
Definição e comportamento de fluidos Newtonianos
Um fluido Newtoniano é aquele em que a tensão de cisalhamento é diretamente proporcional à taxa de deformação (ou taxa de cisalhamento)
. Matematicamente:
Um fluido Newtoniano é aquele em que a tensão de cisalhamento
onde
é a viscosidade constante do fluido.
Comportamento físico: ao aplicarmos uma força tangencial, o fluido começa a fluir imediatamente e mantém sempre a mesma relação linear entre tensão e taxa de deformação. Exemplos típicos são água e ar a condições usuais.
Comportamento físico: ao aplicarmos uma força tangencial, o fluido começa a fluir imediatamente e mantém sempre a mesma relação linear entre tensão e taxa de deformação. Exemplos típicos são água e ar a condições usuais.
Passo 3
Definição e comportamento de fluidos não-Newtonianos
Em geral, nesses fluidos a relação entre e
não é linear ou apresenta limiar. Temos três casos:
Em geral, nesses fluidos a relação entre
3.1 Dilatantes
A viscosidade efetiva aumenta com a taxa de cisalhamento. Sob baixa força, o fluido é relativamente ralo; quando submetido a cisalhamento intenso, “engrossa” e resiste mais ao escoamento. Exemplo: suspensões concentradas de amido em água.
A viscosidade efetiva aumenta com a taxa de cisalhamento. Sob baixa força, o fluido é relativamente ralo; quando submetido a cisalhamento intenso, “engrossa” e resiste mais ao escoamento. Exemplo: suspensões concentradas de amido em água.
3.2 Pseudoplásticos
A viscosidade efetiva diminui com a taxa de cisalhamento. Sob maior esforço de cisalhamento, o fluido “afina” e flui mais facilmente. Exemplo: tintas e ketchup.
A viscosidade efetiva diminui com a taxa de cisalhamento. Sob maior esforço de cisalhamento, o fluido “afina” e flui mais facilmente. Exemplo: tintas e ketchup.
3.3 Plásticos ideais (Bingham)
Há uma tensão de rendimento abaixo da qual o fluido não flui. Para
, o fluido se comporta de forma aproximadamente Newtoniana com viscosidade
:
Há uma tensão de rendimento
Comportamento físico: o fluido “seca” até que a força aplicada ultrapasse
, só então começa a escorrer.
Passo 4
Definição e comportamento de fluidos ideais versus reais
Fluido ideal
É um fluido sem viscosidade ( ) e sem condução de calor, logo não há atrito interno nem dissipação de energia. Em escoamentos, responde imediatamente a diferenças de pressão, sem perda de carga por viscosidade. Usa-se as equações de Euler.
É um fluido sem viscosidade (
Fluido real
Possui viscosidade finita ( ), o que causa atrito interno e dissipação de energia em presença de gradientes de velocidade. Apresenta perfil de velocidade não uniforme (camadas) e gera perda de carga. Modela-se pelas equações de Navier–Stokes.
Possui viscosidade finita (
Passo 5
Definição de fluidos incompressíveis e compressíveis
Fluido incompressível
Tem densidade praticamente constante, ou seja, não varia quando submetido a variações de pressão. Exemplo: líquidos como água.
Tem densidade
Fluido compressível
A densidade varia de modo significativo com a pressão. Exemplo: gases como ar em escoamentos de alta velocidade.
A densidade
Resposta
(a) Fluidos Newtonianos: apresentam relação linear
com viscosidade constante; fluem imediatamente e mantêm proporção fixa entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação.
(b) Fluidos Não-Newtonianos:
(b) Fluidos Não-Newtonianos:
- Dilatantes: viscosidade aumenta com
; sob força intensa ficam mais viscosos. - Pseudoplásticos: viscosidade diminui com
; sob força intensa afinam e escoam mais fácil. - Plásticos ideais (Bingham): exigem tensão de rendimento
para começar a fluir; para seguem .
(c) Fluido ideal: sem viscosidade nem dissipação de energia, não oferece resistência interna ao escoamento. Fluido real: com viscosidade finita, apresenta atrito interno, perfil de velocidades em camadas e perda de carga.
(d) Fluido incompressível: densidade constante, não sofre variação volumétrica significativa com pressão. Fluido compressível: densidade varia com a pressão, típico de gases.