Em se tratando do processo de soldagem, Pergunta-se:
- Se o formato do arco fosse cilíndrico, haveria pressão devido ao componente estático sobre a poça?
Passo 1
O enunciado pergunta claramente: “Se o formato do arco fosse cilíndrico, haveria pressão devido ao componente estático sobre a poça?”
Informações dadas (implícitas na pergunta):
Informações dadas (implícitas na pergunta):
- O arco é considerado de formato cilíndrico e axisimétrico.
- Quer-se saber sobre a presença (e origem) de uma “pressão” sobre a poça de solda associada ao chamado “componente estático” do arco.
Passo 2
Primeiro vamos identificar quais “componentes” de pressão costumam ser citados para um arco de soldagem. Existem, de forma simples e prática, três contribuições físicas que geram pressão sobre a superfície da poça:
- pressão térmica (pressão estática do plasma), associada à temperatura e densidade do plasma;
- pressão dinâmica de impacto (stagnation pressure) quando um fluxo de plasma incide e é freado pela poça;
- pressão magnética (às vezes chamada de pressão de “pinch”), associada ao campo magnético gerado pela corrente do arco.
Vou explicar cada uma com fórmulas simples e o que cada símbolo significa.
Passo 3
Pressão térmica (pressão estática do plasma). Para um gás/plasma em equilíbrio local a pressão é dada pela lei dos gases:
onde
é a pressão térmica,
é a densidade numérica de partículas (m^{-3}),
é a constante de Boltzmann e
é a temperatura em kelvin. Essa pressão é isotrópica: age igualmente em todas as direções e, portanto, sobre a poça ela exerce uma força normal (compressiva) na região onde o plasma incide.
Passo 4
Pressão dinâmica de impacto (stagnation pressure). Se o plasma tem velocidade
em direção à poça e é trazido praticamente a repouso ao atingir a superfície, há uma contribuição dinâmica:
onde
é a densidade de massa do plasma. Essa é a mesma ideia do “vento” batendo em uma superfície: quando o fluxo é interrompido surge pressão adicional sobre a superfície.
Passo 5
Pressão magnética (pressão do campo e força
). O campo magnético também pode ser visto como exercendo uma pressão equivalente
onde
é a intensidade do campo magnético e
a permeabilidade do vácuo. Para um fio/canal de corrente cilíndrico e axisimétrico com corrente total
e raio efetivo
, a componente azimutal do campo em
vale aproximadamente
logo uma estimativa da pressão magnética na borda dá
Importante: a força volumétrica devido a
(densidade de força) para um corrente axial
e campo azimutal
é radial:
ou seja, essa força é direcionada radialmente para dentro (efeito de pinçamento), não tem componente axial direta num arco perfeitamente cilíndrico axisimétrico.
Passo 6
Agora a interpretação direta da pergunta: se o arco fosse cilíndrico, haveria pressão do “componente estático” sobre a poça? Precisamos aclarar o que se entende por “componente estático”:
- Se por “componente estático” se entende a pressão térmica do plasma (pressão estática do gás/plasma,
), então sim: essa pressão existe e atua sobre a poça, porque é uma pressão isotrópica do próprio plasma onde ele toca a superfície. Mesmo num arco perfeitamente cilíndrico existe um valor de no eixo que empurra a poça. - Se por “componente estático” se refere à força eletromagnética
na forma de uma pressão axial direta, num arco cilíndrico e axisimétrico essa força é majoritariamente radial (pinch) e não possui componente axial direta que “empurre” para baixo a poça.
Passo 7
Resumo físico e ligação entre os componentes: embora a pressão magnética seja radial, ela comprime o plasma (reduz o raio efetivo
e aumenta densidade e temperatura local). Essa compressão aumenta
no eixo. Logo, mesmo que a contribuição magnética não empurre axialmente, ela atua indiretamente aumentando a pressão térmica que sim é transmitida axialmente à poça. Além disso, se houver fluxo axial do plasma, a componente dinâmica
também empurra a poça.
Passo 8
Um exemplo numérico rápido para colocar ordens de grandeza (apenas para intuição): suponha
e
. Então, usando a fórmula anterior,
(nota: cálculo aproximado). Uma pressão térmica típica no núcleo do arco pode também ficar na ordem de
–
dependendo de
e
. Esses valores são menores que a pressão atmosférica, mas suficientes para deformar a superfície líquida da poça (quando comparados à tensão superficial e a gradientes locais), portanto têm efeito prático. O ponto é: magnitudes são comparáveis e dependem de
,
,
,
,
.
Passo 9
Conclusão prática e resposta direta e curta: haverá pressão sobre a poça mesmo para um arco cilíndrico, mas é preciso distinguir a origem:
- a pressão térmica do plasma (componente estático no sentido de pressão do gás) age diretamente sobre a poça e, portanto, sim, existe pressão;
- a força eletromagnética
para um arco cilíndrico axisimétrico é radial (pinch) e não fornece uma componente axial direta, mas contribui indiretamente ao aumentar a pressão térmica axial no eixo. Além disso, fluxo de plasma (componente dinâmico) também pode gerar pressão de impacto sobre a poça.
Resposta
Sim: se por “componente estático” se entende a pressão térmica do plasma, essa pressão age diretamente sobre a poça; se a expressão se referir à força
em um arco cilíndrico axisimétrico, essa força é radial (pinch) e não tem componente axial direta, embora ela aumente indiretamente a pressão térmica que é transmitida à poça.